新能源汽車電機旋轉變壓器結構、原理及檢測

基金項目：哈爾濱職業技術學院第三批課程思政示范課程建設項目“新能源汽車電機及控制系統檢修”；哈爾濱職業技術學院“新能源汽車電機及控制系統檢修”課程思政教學改革項目

摘要：旋轉變壓器是新能源汽車驅動電機上的重要傳感器。從普通變壓器到旋轉變壓器、正余弦旋轉變壓器再到磁阻式旋轉變壓器，由淺入深探討了新能源汽車電機磁阻式旋轉變壓器的演變過程，重點介紹其結構與工作原理，并以吉利EV450為例介紹其檢測方法，以達到觸類旁通的目的。

關鍵詞：新能源汽車；旋轉變壓器；正余弦旋轉變壓器；磁阻式旋轉變壓器

中圖分類號：U472.9? 收稿日期：2024-04-12

DOI：1019999/jcnki1004-0226202405034

1 前言

電動汽車上的驅動電機現在多為永磁同步電動機，這其中位置傳感器的作用重大。位置傳感器主要包括電磁式（旋轉變壓器）、光電式（光電編碼器）、磁敏式（霍爾位置傳感器）。旋轉變壓器是一種常用的伺服電機旋轉編碼器，與光電編碼器相比，旋變抗振性能好，可以安裝于惡劣的使用環境中，精度比光電編碼器差一些[1]。在新能源汽車上，旋轉變壓器的作用就是精準測量電機轉子的位置（轉角）、轉速及轉向，將這些信號傳輸給電機控制器，由軟件的控制算法來控制電機。如果旋變信號不正常將導致驅動電機無法正常工作。在檢測電機旋轉變壓器故障之前，需要了解其結構組成與工作原理。

2 旋轉變壓器概述

21 旋轉變壓器的結構

旋轉變壓器簡稱旋變，是一種輸出電壓隨轉子轉角變化的信號元件。旋轉變壓器的工作原理和普通變壓器基本相似，區別在于普通變壓器的一次、二次繞組是相對固定的，所以輸出電壓和輸入電壓之比是常數[2]，如圖1所示。而旋轉變壓器的一次繞組與二次繞組不是固定安裝而是有相對運動的，如圖2所示。

22 旋轉變壓器的工作原理

將變壓器的一次鐵芯和二次鐵芯分開，讓一次繞組接單相正弦交流電源，且隨鐵芯按逆時針旋轉，二次繞組固定，如圖3所示。隨著兩者相對角度的變化，在二次側就會輸出頻率相等、幅值變化的電壓波形，如表1所示[3]。一次繞組相對于二次繞組的旋轉角度將會決定二次繞組的電壓輸出（波形），反過來，通過檢測二次繞組的電壓曲線，就可以反推計算出一次繞組的旋轉角度，這就是旋轉變壓器的基本工作原理[3]。

23 正余弦旋轉變壓器

從上文看出，在一次繞組旋轉的一周（360°）內，每個電壓輸出波形都會對應到兩個角度位置并且它們的和總是360°，解決這個位置關系不唯一的問題，方法就是同時使用兩個相互垂直的二次繞組，如圖4所示。兩者的輸出電壓之間就會存在一個90°的相位差，一個輸出波形外包絡線為正弦（sin）曲線，另一個輸出波形外包絡線為余弦（cos）曲線，如圖5[4]所示。借助這兩條電壓曲線的組合反推出的一次繞組的旋轉位置就是唯一的[3]。這種旋轉變壓器稱為正余弦旋轉變壓器，是旋轉變壓器最基本的形式。一次繞組也稱為勵磁繞組，兩個二次繞組分別稱為正弦繞組和余弦繞組。

24 旋轉變壓器的類型

旋轉變壓器是一種重要的傳感器，廣泛應用于多個領域，其類型主要有：a.按照輸出繞組的電壓幅值與轉子轉角的函數關系分為正余弦旋轉變壓器、線性旋轉變壓器、比例式旋轉變壓器[1]。b.按照極對數的多少可以分為單對極旋變和多對極旋變。c.按照有無電刷和滑環可分為接觸式旋變和無接觸式旋變兩種。d.按照轉子上有無繞組可以分為無刷旋轉變壓器（用環形耦合變壓器取代電刷和滑環）和磁阻式旋轉變壓器[5]，如圖6、圖7所示。e按照裝配方式不同可以分為分裝式和組裝式。

3 磁阻式旋轉變壓器的結構組成與工作原理

31 結構組成

磁阻式旋轉變壓器可以看成是一種輸出電壓與轉子轉角保持一定函數關系的感應式微電機[6]，由定子和轉子構成，如圖8所示。

a.定子。磁阻式旋轉變壓器的一次與二次繞組都裝在定子鐵芯內圓面不同的凸極（勵磁線圈通電后成為磁極）上，且均固定不動。一次繞組（勵磁繞組、輸入繞組）通入正弦勵磁電流，而兩相二次繞組（信號繞組、輸出繞組）相互垂直產生輸出信號。旋變定子由鐵鎳軟磁合金或沖有槽孔的硅鋼片疊成。旋轉變壓器的定子與轉子的磁極數是不相同的，定子磁極數比轉子的多[2]。定子安裝在電機殼體上。定子鐵芯凸極上的一次繞組逐極反向串接，兩相二次繞組以兩個磁極為間隔反向串接[2]。

b.轉子。磁阻式旋轉變壓器的轉子上不安置繞組，僅由鐵芯組成，材料與定子鐵芯相同。轉子鐵芯外圓面有凸極。轉子凸極形狀需作特殊設計，使得氣隙磁場近似于正弦形，同時還必須滿足所要求的極數[7]。一般轉子采取兩對極（2X）及以上的多極形狀。可以看出，轉子的形狀決定了極對數和氣隙磁場的形狀[7]。磁阻式旋轉變壓器一般都做成分裝式，不組合在一起。轉子安裝在電機的轉軸上，與電機同步旋轉。

32 工作原理

工作時一次繞組接通頻率為10 kHz以下的正弦交流電源作為勵磁信號。當轉子相對定子旋轉時，定子、轉子之間的氣隙和磁阻不斷發生變化，每轉過一個轉子凸極，氣隙和磁阻變化一個周期，當轉子轉過一周時，則氣隙和磁阻變化的周期數等于轉子凸極數[2]。轉子的凸極數就相當于磁阻式多極旋轉變壓器的極對數[5]。有資料表明，旋轉變壓器極對數與被測電機的極對數保持一致[8]。氣隙和磁阻的變化導致一次和二次繞組之間互感的變化，二次繞組感應的電勢也隨之發生變化[2]。通過磁阻變化原理，兩相二次繞組上分別感應出隨轉角按正弦變化、彼此相差90°的電角度、頻率不變、幅值外包絡線呈正弦和余弦的電壓信號。電機控制器解碼芯片根據正弦及余弦規律變化來判斷轉子的轉角（瞬間位置）、轉速以及轉向。

4 新能源汽車電機旋轉變壓器的檢測

下面以吉利EV450為例，介紹新能源汽車電機旋轉變壓器的檢測方法。

41 吉利EV450旋轉變壓器工作電路

吉利EV450電動汽車旋轉變壓器與電機控制器PEU之間通過6根低壓線束連接，電路原理如圖9所示。PEU通過勵磁繞組+、-兩根線向旋轉變壓器勵磁繞組輸出勵磁信號，分別通過正弦繞組+、-兩根線和余弦繞組+、-兩根線接收旋轉變壓器輸出的正弦信號和余弦信號[9]。

42 吉利EV450旋變傳感器檢測

a.正弦、余弦、勵磁繞組電阻的檢測。用萬用表電阻擋，如表2所示方法[10]測量繞組電阻。

b.旋變傳感器信號線路的檢測。以余弦信號線路檢測為例。首先斷電，操作啟動開關使電源模式至OFF狀態，斷開車載充電機直流母線。①操作啟動開關使電源模式至ON狀態。用萬用表電壓檔12 V量程，檢測旋變傳感器余弦繞組與車身接地之間的電壓，應為0 V。②斷開驅動電機線束連接器BV13，斷開電機控制器線束-1連接器BV11。用萬用表電阻檔200 Ω量程，檢測導線是否有斷路、短路；用萬用表電阻檔20 kΩ量程，檢測余弦繞組與車身接地之間的絕緣情況。測量方法如表3所示。將測量值與標準值對比確認測量值是否符合標準，如果不符合標準，修理或更換線束。其它信號線路的檢測方法相同。

除了繞組阻值、信號線路檢測，還可以用示波器對勵磁信號、正余弦輸出信號電壓波形進行檢測來判斷傳感器好壞。

5 結語

在新能源汽車上，電機控制器通過旋轉變壓器采集電機信息并進行解碼，VCU再結合加速踏板、制動踏板及駕駛員控制意圖等信號對電機輸出進行精準控制。電機控制器旋變模塊能控制勵磁繞組電流的通斷，即產生勵磁信號。從正弦繞組和余弦繞組返回的信號互相偏移，通過模數轉換處理器轉變為數字信號。控制模塊通過同時參照旋轉變壓器正弦和余弦繞組的感應電壓輸出，判定任何時刻轉子位置；通過不斷地比較正弦和余弦繞組的感應電壓幅值大小及相位變化，判定轉子轉動的方向；同時通過計算感應電壓波形的變化周期，即可準確判斷出轉子的轉速[1]。

旋轉變壓器形式多樣，新能源汽車電機旋轉變壓器是由變壓器的演變而來的一種特殊結構，它屬于正余弦型、多對極、分裝、磁阻式的旋轉變壓器。旋轉變壓器是新能源汽車驅動電機上不可或缺的重要傳感器，如果旋變信號失效或丟失，車輛將無法行駛。不同車型旋變傳感器檢測方法相同，只是不同車型傳感器定子繞組標準阻值不同。旋轉變壓器在新能源汽車中發揮著關鍵作用，應用前景廣闊。

參考文獻：

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[8]位置傳感器的應用原理二（旋轉編碼器、旋轉變壓器）[Z]西莫電機論壇，2019（10）：19-21

[9]弋國鵬，魏建平電動汽車控制系統及檢修[M]北京：機械工業出版社，2020

[10]吉利帝豪EV維修手冊[Z]

作者簡介：

方敏，女，1977年生，講師，研究方向為新能源汽車電機、汽車發動機電控、汽車電氣。