用于伺服驱动系统的无刷旋转变压器仿真设计

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设计，得到了符合要求的样机·旋转变压器是-种把轴角信号转换成模拟信号的电磁感应式传感器 ，其 以可靠性高 、精度高 、抗 冲击、振动、以及能够提供高精度的位置信息等突出优点，广泛应用于要求可靠性高的各种伺服驱动控制系统中，但旋转变压器有 电刷和滑环等接触结构 ，运转时有可能产生火花带来电磁干扰，而无刷旋转变压器没有电刷滑环的接触，具有无刷化、高可靠性、高精度、成本低廉和易于安装等优点，可以提高系统的可靠性和抗 冲击能力 ，适应 条件恶劣 的工作 环境，并能连续高速，长寿命的运行.已被广泛应用于如航空、航天、雷达、坦克等军事装备，也用于数控机床和机器人等伺服驱动系统。

无刷旋转变压器是在接触式旋转变压器的基础上发展起来 的，其结构形式很 多 ，如环形变压器 结构 、电机铁心兼 做环形变压器 结构 、转 子杯结构 等等.目前国内外采用 比较 多的是如图 1所示的环形变压器结构，即用环形变压器来代替传统的电刷和滑环 ，以实现无接触.这种结构精度高 ，零位电压低 ，功率消耗小l j。

本文详细地介绍了无刷旋转变压器的结构和工作原理 ，采用电磁场仿真软件 Ansot/Maxwel 2D设计，并进行瞬态磁场的仿真分析.通过仿真分析，得出了无刷旋变的两相输 出电压和磁场分布图.分析了电机 内磁场分布的规律 ，通过对参数进行优化图 1 无刷旋转变压器结构 图1-环形变压器定子 2-环 形变压器转子3-旋转变压器定子 4-旋转变压器转子1 无刷旋转变压器工作原理无接触旋转 变压器具有-个或 两个 环形 变压器 ，如图 1所示 ，环形变压器的转子绕组与旋转变压器的转子绕组直接相连.当环形变压器的定子绕组施加励磁信号E 。-Esinwt时，在环形变压器的转子绕组 中就产生相应的感应电势 ，其 大小 与转子转角无关，此电势施加在旋转变压器的转子绕组上 ，即为旋转变压器的激磁电压 ，从而形成无刷结构，如图2所示[ 。

0图 2 无刷旋转变压器原理 图收稿日期：2012-10-23作者简介：张晓宇(1973-)。男，硕士，高级工程师，研究方向：特种电机设计、旋转变压器设计及电磁场分析S1s322 湖南工程学院学报 2O13年假定定 、转子绕组匝数变 比为 k：1，则两相正交绕组中将感应如下信号：Esls3-U∞s- kEsinotcospOEs - Us州- kEsinLotsinpOE--正弦波励磁电压幅值；- - 正弦波励磁电压角频率 ；忌-- 电压比；- - 转子角度 ；～ - 极对数。

无接触旋转变压器励磁信号和两相输出信号波形如图 3所示l21。

Uu础瑚图 3 无刷旋转变压器励磁及输出波形2 无刷旋变模型建立和磁场分析2.1 模型建立无刷旋转变压器 由环形变压器及旋转变压器两部分组成 ，相关参数如表 1所示.环形变压器结构相对简单，本文主要分析旋转变压器部分 ，采用电磁场仿真软件 Ansoft/Maxwel 2D设计分析。

首先应用 Maxwel 2D，建立二维有限元模型 ，然后再进行磁场分析 ，并计算气隙磁密 ，在此基础上求解输出波形.Maxwel是 Ansoft公 司的电磁场有限元分析 软件 ，它 的高性 能矩 阵求解 器、多CPU 处理能力 、自适应的网格剖分技术和用户定义材料库等特点 ，使其可以快速完成磁场分析。

表 1 样机设计参数项 目励磁 电压(V)频率(Hz)输 电压(V)极数定子槽数转子槽数旋变定子外径 (ram)旋变转子 内径 (ram)气隙(ram)旋转变压器二维有限元模型如图 4所示图 4 旋转 变压 器二维有 限兀模型2.2 材料特性及激励源设置在指定材料属性时，定 、转子冲片所采用的硅钢片材料的型号是 DW310，导线材料设置为铜 (copper)，气隙和转动带都设置为真空(vacuum).在 An-soft/maxwel 2D的材料数据库中并没有该种材料，所以要将 B-H 曲线离散化再将其 中的值输人到材料赋值器中自定义该种材料拟合出材料 的 B-H曲线。

二维瞬态分析 中可以设置的激励源有 ：实体 电流 、实体电压、表面电流以及外部电路 ，本文分析的无接触旋转变压器为单相励磁，两相输出， 此选用单相交流电压激励，-7√2sin20007rt。

2.3 有限元网格剖分有限元法是以变分原理和近似插值离散为基础的-种数值计算方法，它的计算精度撒于剖分单元的大小与单元的分布 -般来说 ，单元数越多 ，则近似解 的精度就越高 ，为了得到较精确的计算结果 ，单元的大小与单元的疏密分布要合理 ，合理的网格需要在网格 自动剖分程序所生成的初步 网格基础上 ，由网格细分环节来得到，气隙是最重要的部分 ，对其进行手动剖分.有限元剖分图如图 5所示。

图 5 旋转变压器 网格剖分 图2.4 后 处理对模型分别用 magnetostatic及 transient拈设置并求解 ，通过 Ansoft/maxwel 2D软件强大 的后处理功能，可得到相应参数的仿真结果 ，用以分析皴-