磁阻旋转变压器(Reluctance Resolver,简称 Resolver)是一种特殊类型的旋转变压器,其核心工作原理基于磁路磁阻随转子位置角度的变化。它利用转子上凸极(Salient Pole)结构引起的磁阻变化,在定子绕组中感应出与转子角度位置成正弦和余弦关系的电压信号。
以下是其详细工作原理:
1. 基本结构:
定子:包含多个绕组槽,通常嵌有两组相互正交(空间上相差90度电角度)的绕组:
励磁绕组(Exciter Winding): 一组绕组,用于输入高频交流参考信号(通常为几千赫兹到几十千赫兹的正弦波)。
输出绕组(Output Windings):两组绕组(通常称为正弦绕组 Sin 和余弦绕组 Cos),用于输出感应电压信号。
转子:关键部分。它是一个无绕组的凸极结构(通常由导磁良好的叠片铁芯制成,如硅钢片),形状设计成使其气隙磁阻随着转子旋转角度呈周期性变化(通常是正弦规律)。最常见的转子结构是双凸极(有两个凸起的磁极)或更多凸极。
2. 工作原理过程:
励磁:在定子的励磁绕组上施加一个高频正弦交流电压 `V_exc = V_m * sin(ωt)`。
建立交变磁场:励磁电流在定子铁芯中产生一个高频交变主磁场。这个磁场穿过气隙,试图通过磁阻最小的路径闭合,即通过转子的凸极部分。
磁阻变化:当转子旋转时,其凸极相对于定子齿的位置不断变化。这导致定转子之间的气隙长度发生周期性变化。
当转子凸极正对定子齿时,气隙最小,磁阻最小,磁通最容易通过。
当转子凸极处于定子槽的位置时,气隙最大,磁阻最大,磁通通过困难。
磁通调制: 转子凸极的旋转对定子励磁产生的交变主磁场进行了空间调制。气隙磁阻的变化(`R(θ)`)直接影响了磁路的磁导(`Λ(θ) = 1 / R(θ)`),而磁导通常近似随转子角度θ呈正弦规律变化:`Λ(θ) ≈ Λ0 + Λ1 * cos(2θ)`(对于双凸极转子)。这里的θ是转子相对于定子的机械角度(对于双凸极,一个电周期对应180度机械旋转)。
电感变化与电压感应:
定子上的正弦(Sin)和余弦(Cos)输出绕组与这个被调制的磁场耦合。
输出绕组的自感和与励磁绕组的互感都受到气隙磁阻(即转子角度θ)的调制。
根据法拉第电磁感应定律,变化的主磁场会在输出绕组中感应出电动势(EMF)。由于主磁场本身是交变的(频率ω),且其幅值/耦合强度被转子位置θ调制,因此感应出的电压信号是励磁频率ω的载波信号,其包络幅度被转子角度θ的正弦和余弦函数所调制。
输出信号:最终,在正弦(S1-S2)和余弦(S3-S4)输出绕组上得到的电压信号形式通常为:
`V_sin = k * V_m * sin(ωt) * sin(θ)`
`V_cos = k * V_m * sin(ωt) * cos(θ)`
其中:
`k` 是变压比(由绕组匝数比等因素决定)。
`V_m * sin(ωt)` 是励磁电压。
`sin(θ)` 和 `cos(θ)` 是反映转子角度θ的调制包络(注意:对于双凸极转子,θ是机械角度,但电气角度是2θ,因此实际输出包络是sin(2θ)和cos(2θ),但公式形式类似,角度关系是确定的)。
3. 角度解算:
后续的解算电路(旋转变压器数字转换器 RDC 或软件算法)接收这两个调制信号 `V_sin` 和 `V_cos`。
通过检测这两个信号相对于励磁参考信号的**幅度**(或者通过解调去除载波ωt,得到低频的 `sin(θ)` 和 `cos(θ)` 信号)。
利用反正切函数计算角度:`θ = arctan(V_sin / V_cos)`。解算电路能精确计算出转子当前的角度位置θ。
MIC Sensors的磁阻旋转变压器的核心优势:
结构简单坚固: 转子没有绕组、电刷或滑环,消除了接触磨损点,大大提高了可靠性和寿命,特别适合高速、高振动、高温、多粉尘油污等恶劣工业环境。
免维护: 无接触部件,无需润滑或更换电刷。
高转速能力:转子结构坚固,惯性小,能承受极高的转速。
高抗干扰性: 输出是幅度调制的交流信号,对共模噪声和长线传输有较好的抑制能力。
高精度: 能够达到很高的角度测量精度。
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