車用磁阻式旋轉變壓器的開發與評估

張明輝

摘 ?要：車用磁阻式旋轉變壓器是指轉子凸極徑向磁路磁阻式旋轉變壓器（簡稱旋變）。該文結合旋轉變壓器在混合動力汽車電機上的應用，提出磁阻式旋轉變壓器開發過程中需要關注的參數，并根據這些關鍵評價參數，在開發過程中管控，并對樣件進行驗證。

關鍵詞：磁阻式旋轉變壓器;凸極效應;正弦繞組;諧波畸變率THD

中圖分類號： TM383. 2 ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

車用磁阻式旋轉變壓器是指轉子凸極徑向磁路磁阻式旋轉變壓器（簡稱旋變）。該旋變的定轉子分離，定子上繞有勵磁繞組和正余弦輸出信號繞組，轉子凸極正弦化。極對數越多，電氣誤差越小，2對極的電氣誤差≤±60°（機械角度），與軸角變換電路結合，廣泛應用于伺服系統。作為一種無刷、抗干擾、耐震動、適合苛刻環境使用的絕對位置傳感器，是新能源永磁電機系統的關鍵零部件之一。用于實時檢測轉子位置，從而實現轉子磁場的定向矢量控制。分布式繞組定子的電機，要求旋變電氣誤差小;集中式繞組定子的電機，允許旋變電氣誤差稍大。日本多摩川公司生產的旋變抗干擾強，高速性能穩定，在國內得到了廣泛應用。

1 項目背景

該公司的電機用旋變主要從日本多摩川公司采購，部分從國內贏雙公司采購。旋變作為低成本、高技術含量的電機關鍵零部件，考慮技術儲備，以及充分利用該公司的沖片廢料，結合該公司48槽4對極電機的產量較大，公司決定啟動4對極旋轉變壓器的研發工作。該款旋變主要參數見表1。

2 磁阻式旋轉變壓器的基本原理

旋變是利用轉子磁極的凸極效應，使勵磁繞組和信號繞組之間的互感隨磁阻轉子的位置變化，從而在信號繞組中感應出具有轉子位置信息的變壓器電動勢[1]。其信號產生過程示意如圖1所示。圖2是旋變接線圖。

參照圖3，用數學公式表示如下：

ER1-R2=Esin（ωt） （1）

ES1-S3=KER1-R2Ecos（Pθ）=KEsin（ωt）cos（Pθ） （2）

ES2-S4=KER1-R2Esin（Pθ）=KEsin（ωt）sin（Pθ） （3）

式中：K為變壓比，P為轉子極對數，Pθ為電角度。

解碼芯片AD2S1210解碼時，隨意指定一個角度α，用cosα乘正弦，sinα乘余弦。兩相相減，得：

VSR=KEsin（ωt）[sin（Pθ）cosα-cos（Pθ）sinα]

=KEsin（ωt）×sin（Pθ-α） （4）

芯片用α逐次逼近Pθ值，使得VSR=0，此時Pθ=α，將轉子電角度解析出來。

旋變輸出誤差主要由氣隙磁導的恒定分量及高次諧波組成。恒定分量受定轉子結構影響，高次諧波受氣隙磁導變化及定轉子結構影響，帶有輸出誤差的輸出信號對解碼芯片的精確度影響大。因此，對旋變輸出信號的評價，主要指標是諧波畸變率（THD）和正交性，是旋變仿真的主要指標（制造過程中用電氣誤差綜合衡量）。由于解碼芯片AD2S1210允許±44°的電角度范圍寬，旋變實際的相位移通常在±10°，所以相位移不是考核重點。輸出信號的正弦程度主要取決于轉子的凸極正弦程度。外形輪廓對稱的轉子，對輸出信號中的偶次諧波抑制很大;需要通過定轉子的形狀優化和良好的繞組設計來抑制奇次諧波。

3 轉子形狀設計

轉子外形輪廓正弦化程度，對輸出信號的正弦性和旋變精度有很大的影響。采用氣隙比例系數T和正弦系數k評價。根據實際使用條件，設定氣隙最小長度δ（0）和最大長度δ（π）。

3.1 氣隙比例系數T的選擇

理想條件下，轉子外輪廓應具備該輪廓正對的定子齒下的氣隙磁導只含恒定分量和基波分量[1-2]。設轉子凸極中心正對定子任一齒中心處為轉子零位點，則該零位點處的氣隙為最小氣隙長度。該外輪廓（轉子的一對極）下的氣隙長度，用數學公式為：

（5）

式中：T為氣隙比例系數，T=δ（π/2）/δ（0）。

根據轉子凸極磁場特點，電氣角度π/2處的氣隙長度應滿足關系式：2δ（0）>δ（π/2）>δ（0），該值決定氣隙磁場中恒定分量和基波分量的比例。氣隙長度為δ（π）/2的點是轉子凸極拐點，拐點對應的角度對旋變輸出信號影響較大，合適的拐點角度，有效減少定子齒槽齒諧波對氣隙磁密波形的干擾[2]。在安裝條件允許的條件下，建議選用最小氣隙較大的優化方案，可以減少小氣隙對安裝偏心的敏感性。

3.2 正弦系數k的選擇

正弦系數指轉子外輪廓中正弦成分的峰峰值大小，用k表示。研究表明（參考圖3）[3]，正弦系數k值越大，諧波畸變率THD越大，但是在一定的范圍內，正弦系數k值越大，變壓比也增大。

4 定子結構設計

作為信號輸出的載體，定子鐵芯的設計影響齒槽諧波，繞組設計對諧波的降低、旋變抗干擾有影響。采用齒寬齒距比、繞組類型評價。

4.1 齒寬齒距比

研究表明（參考圖4），齒寬齒距比在0.5附近時，諧波畸變率THD在最小值附近。

4.2 繞組類型

定子上繞3組線圈，勵磁繞組是等匝繞組，逐槽反向繞制。兩相輸出繞組有2種大的繞組類型，一種是正余弦輸出繞組分別隔齒方向繞制，匝數一致，也稱等匝繞組;另一種是按正余弦分布的不等匝繞組，稱為正弦繞組。等匝繞組正交性好，但諧波畸變率THD大。正弦繞組匝數按以下公式計算：

（6）

式中：Nsi、Nci—第i齒上的正余弦輸出繞組匝數;W—每相繞組總匝數;P—轉子極對數;Z—定子齒數;i—定子齒序號;β—繞組軸線與齒的最小夾角。

按β角不同，輸出信號繞組分為3種類型。繞組軸線與某槽中心重合的繞組，稱為I型繞組，此時β=0;繞組軸線與某齒中心重合的繞組，稱為II型繞組，此時β=πP/Z;繞組軸線不在槽和齒中心線的繞組，稱為III型繞組，此時β=π/4。通常，I型和II型繞組的單元繞組槽數Z0必須是4的倍數，但III型繞組的單元槽數可以是任意正整數。

根據經驗，建議輸出繞組采用III型繞組，主要是抗干擾優于I、II型繞組，特別是在電機高速運行（8 000 rpm以上）時。正弦繞組匝數計算后會取整，在樣件電氣誤差時，可能會做出調整，以便得到更小的電氣誤差。

4.3 旋變材料的選取

汽車驅動電機和ISG電機最高工作溫度150 ℃，按H級絕緣（耐溫180 ℃）選取相關絕緣材料。對于旋變，按F級絕緣（耐溫150 ℃）選取相關絕緣材料，如漆包線、骨架和引出線等。鐵芯材料的選擇，原則上要求磁導率高、磁化曲線的線性度好（旋變工作在線性區）、各向均勻性好、飽和磁通密度高、比損耗小等。部分廠家選取0.5 mm厚，鐵損3.0 W/kg～3.5 W/kg（f=50Hz，B=1.5T條件下測試）。

5 旋轉變壓器評估

根據以上選取的指標參數，對按不同參數設計的旋變進行仿真（圖5），樣件基本滿足要求（阻抗略偏大，不排除有繞線張力未控制的因素）。

6 結語

該文通過描述旋變開發中需注意的設計參數，歸納出影響旋變精度的定轉子關鍵參數，并在開發過程中監控，通過樣件的裝機測試及第三方測試，確認管控這些參數對旋變精度是有效的。

參考文獻

[1]孫立志，陸永平.適于一體化電機系統的新結構磁阻旋轉變壓器的研究[J].電工技術學報，1999，14（1）：35-39.

[2]李文韜，黃蘇融.車用電機系統磁阻式旋變轉子設計與分析[J].電機與控制應用，2008，35（5）：6-10.

[3]刑敬娓.新型磁阻式旋轉變壓器相關問題研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學電氣工程學院，2007.