如何优化旋转变压器？

旋转变压器是一种角度测量装置，它是一种小型交流电动机，其结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出信号幅度大，抗干扰强，工作可靠，广泛应用于数控机床上。

1.旋转变压器的结构

旋转变压器在结构上和两相线绕式异步电动机相似，由定子和转子组成。定子绕组为变压器的原边，转子绕组为变压器的副边。定子绕组通过固定在壳体上的接线柱直接引出。转子绕组有两种不同的引出方式。根据转子绕组两种不同的引出方式，旋转变压器分有刷式和无刷式两种结构。

图7-33（a）所示为有刷式旋转变压器。它的转子绕组通过滑环和电刷直接引出，其特点是结构简单、体积小，但因电刷与滑环为机械滑动接触，所以可靠性差，寿命也较短。

图7-33（b）所示为无刷式旋转变压器。它没有电刷和滑环，由两大部分组成：即旋转变压器本体和附加变压器。附加变压器的原、副边铁芯及其线圈均为环形，分别固定于转子轴和壳体上，径向留有一定的间隙。旋转变压器本体的转子绕组与附加变压器的原边线圈连在一起，在附加变压器原边线圈中的电信号，即转子绕组中的电信号，通过电磁耦合，经附加变压器副边线圈间接地送出去。这种结构避免了有刷式旋转变压器电刷与滑环之间的不良接触造成的影响，提高了可靠性和使用寿命，但其体积、质量和成本均有所增加。

2.旋转变压器的工作原理

旋转变压器是根据互感原理工作的。它的结构保证了其定子和转子之间的磁通呈正（余）弦规律。定子绕组加上励磁电压，通过电磁耦合，转子绕组产生感应电动势。如图7-34所示，其所产生的感应电动势大小取决于定子和转子两个绕组轴线在空间的相对位置。二者平行时，磁通几乎全部穿过转子绕组的横截面，转子绕组产生的感应电动势最大；二者垂直时，转子绕组产生的感应电动势为零。感应电动势随着转子偏转的角度呈正（余）弦变化，其表达式为

图7-33　旋转变压器结构

（a）有刷式旋转变压器；（b）无刷式旋转变压器
1—转子绕组；2—定子绕组；3—转子；4—整流子；5—电刷；6—接线柱；7—壳体；8—旋转变压器本体定子；9—附加变压器定子；10—附加变压器原边线圈；11—附加变压器转子线轴；12—附加变压器到边线圈；13—旋转变压器本体转子；14—转子轴

式中，E2——转子绕组感应电动势；

U1——定子励磁电压；

Um——定子绕组的最大瞬时电压；

θ——两绕组之间的夹角；

n——电磁耦合系数变压比。

图7-34　旋转变压器的工作原理

3.旋转变压器的应用

旋转变压器有两种工作方式：鉴相式工作方式和鉴幅式工作方式。

1）鉴相式工作方式

在鉴相式工作方式下，旋转变压器定子的两相正向绕组（正弦绕组S和余弦绕组C）分别加上幅值相同、频率相同，而相位相差90°的正弦交流电压，如图7-35所示。(www.xing528.com)

图7-35　鉴相式工作方式

即

这两相励磁电压在转子绕组中会产生感应电压。当转子绕组中接负载时，其绕组中会有正弦感应电流通过，从而造成定子和转子间的气隙中合成磁通畸变。为了克服该缺点，转子绕组通常是两相正向绕组，且相互垂直。其中一个绕组作为输出信号，另一个绕组接高阻抗作为补偿。根据线性叠加原理，在转子上的工作绕组中的感应电压为

式中，θ——定子正弦绕组轴线与转子工作绕组轴线之间的夹角；

ω——励磁角频率。

由式（7-5）可知，旋转变压器转子绕组中的感应电压E2与定子绕组中的励磁电压同频率，但是相位不同，其相位严格随转子偏角而变化。测量转子绕组输出电压的相位角，即可测得转子相对于定子的转角位置。在实际应用中，把定子正弦绕组励磁的交流电压相位作为基准相位，与转子绕组输出电压相位作比较，来确定转子转角的位置。

2）鉴幅式工作方式

在鉴幅式工作方式中，在旋转变压器定子的两相正向绕组（正弦绕组S和余弦绕组C）分别加上频率相同、相位相同，而幅值分别按正弦、余弦变化的交流电压，即

式中　Umsinθ电，Umcosθ电——定子两绕组励磁信号的幅值。

定子励磁电压在转子中感应出的电势不但与转子和定子的相对位置有关，还与励磁的幅值有关。

根据线性叠加原理，在转子上的工作绕组中的感应电压为

式中，θ机——定子正弦绕组轴线与转子工作绕组轴线之间的夹角；

θ电——电气角；

ω——励磁角频率。

若θ机=θ电，则E2=0。

当θ机=θ电时，表示定子绕组合成磁通Φ与转子绕组平行，即没有磁力线穿过转子绕组线圈，因此感应电压为0。当磁通Φ垂直于转子线圈平面，即θ机-θ电=±90°时，转子绕组中感应电压最大。在实际应用中，根据转子误差电压的大小，不断修正定子励磁信号θ电（即励磁幅值），使其跟踪θ机的变化。

由式（7-7）可知，感应电压E2是以ω为角频率的交变信号，其幅值为Umsin（θ机-θ电）。若电气角θ电已知，那么只要测出E2的幅值，便可以间接地求出θ机的值，即可以测出被测角位移的大小。当感应电压的幅值为0时，说明电气角的大小就是被测角位移的大小。旋转变压器在鉴幅式工作方式时，不断调整θ电，让感应电压的幅值为0，用测量θ电的方法代替对θ机的测量，θ电可通过具体电子线路测得。