一种双裕度旋转变压器的优化设计及仿真分析

2022-10-15王永博李长年许兴斗周奇慧周竞捷

微特电机 2022年9期

关键词：定子轴向布局

王永博，李长年，许兴斗，周奇慧，周竞捷

(中国电子科技集团公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引言

旋转变压器作为角度传感器，具有精度高、可靠性高、环境适应性强等特点，广泛应用于军工、航空、航天、汽车等场合[1]。双裕度旋转变压器将两套旋转变压器集合为一体，两套旋转变压器均可以独立工作，进一步提高了整个产品的可靠性。

在某些特殊场合下，双裕度旋转变压器中的两套旋转变压器需要同时工作，分别与两套上位机系统进行交互，并同时将机构的旋转角度进行输出。

本文针对某一种双裕度旋转变压器(以下简称旋变)进行研究，该双裕度旋变由两套无刷旋变组成并同时工作，应用场路耦合的方法对其结构尺寸及结构布局进行优化，并完成实验验证。

1 工作原理

双裕度旋变的结构图如图1所示，内部两套旋变均为无刷结构，无刷旋变A和无刷旋变B集合为一体。无刷旋变A组成部分包括：旋变A定子、旋变A转子、环变A定子和环变A转子；无刷旋变B组成部分包括：旋变B定子、旋变B转子、环变B定子和环变B转子。

图1 双裕度旋变结构图

无刷旋变A和无刷旋变B的工作原理相同，以无刷旋变A为例说明。环变A定子绕组激磁，通过电磁感应在环变A转子绕组中生成电信号，环变A转子绕组通过短接将电信号传递给旋变A转子绕组，再通过电磁感应在旋变A定子绕组中产生两路正交的电信号，两路信号与转子转角成正余弦关系，分别为正弦输出信号和余弦输出信号。将两路信号进行处理即可以得到转子转角，用来指示转角位置[2]。

双裕度旋变的电压方程式如下。

无刷旋变A：

UA_EXC=Usin(ωt)

UA_SIN=KUsin(ωt)sinθ

UA_COS=KUsin(ωt)cosθ

无刷旋变B：

UB_EXC=Usin(ωt)

UB_SIN=KUsin(ωt)sinθ

UB_COS=KUsin(ωt)cosθ

式中:两套无刷旋变以下标A和B区分，UEXC表示激磁电压，USIN表示正弦输出电压，UCOS表示余弦输出电压；U为激磁电压有效值;K为变压比;ω为激磁频率;θ为转子转角。

双裕度旋变电气原理图如图2所示。

图2 双裕度旋变电气原理图

2 磁路法确定初步方案

通过磁路法将磁路等效成磁阻，可将求解磁场问题简化成求解磁路的问题，快速计算出电磁方案。双裕度旋变中的两套无刷旋变电磁方案相同，结构设计相同。

无刷旋变磁路法的求解过程：以主要技术指标作为目标参数，以尺寸参数和绕组参数作为计算输入，结合公式及磁化曲线、损耗曲线查表，完成磁路、损耗的计算与迭代，使饱和系数和电势系数误差最小，最后再校核计算输出是否满足主要技术指标[3]。

计算流程图如图3所示。

图3 磁路法计算流程

用在特殊场合的此种双裕度旋变，安装后会存在±0.3 mm的轴向窜动量，为满足实际使用要求，旋变定子铁心厚度和环变铁心齿厚度应预留0.6 mm的余量。通过磁路法计算，各铁心尺寸主要设计参数如表1所示。

表1 初步设计参数

3 有限元优化设计

磁路法无法准确模拟真实的磁场，在对双裕度旋变轴向尺寸优化时，无法准确反映优化前后的差异。另外，此种双裕度旋变的工作模式较为特殊，两套无刷旋变需要同时工作，在此情况下，两套无刷旋变的磁场将会相互影响，传统的磁路法已无法求解这种磁场。

为了解决以上问题，可以采用有限元法对电磁场计算，将求解场的微分问题转换为各剖分网格下泛函求极值的问题，更为准确地计算出电磁场。本文采用有限元仿真软件Maxwell对双裕度旋变完成两方面的优化：轴向尺寸的优化设计；两套无刷旋变的合理布局。

3.1 轴向尺寸的优化

将环变定子侧激磁作为原方，环变转子侧感应电信号作为副方。图1中，环变铁心内部中间为环形槽，其中放置线圈；两侧的轴向铁心部分为环变的齿部，主要起导磁作用。

在对轴向尺寸进行优化时，应保证双裕度旋变仍满足在轴向窜动中使用的要求。图4为轴向尺寸优化前后的对比。图4中，优化前为磁路法计算出的方案，L为无刷旋变的轴向长度，轴向尺寸X等于轴向窜动量(±0.3 mm)。

轴向尺寸的优化方法为环变原(副)方两侧齿部厚度不等，而初步方案中原(副)方两侧齿部厚度是相等的。

图4 优化前后轴向长度对比

图4中，优化后的环变定子铁心两侧齿部厚度不等，轴向长度相差2X；环变转子铁心两侧齿部厚度也不等，轴向长度也相差2X。环变定子的大齿对应环变转子的小齿，环变定子的小齿对应环变转子的大齿。这种环变原(副)方两侧齿部厚度不等的结构使得单个无刷旋变轴向长度为L-2X，轴向长度减小2X，双裕度旋变将减小轴向长度4X。

环变原(副)方两侧齿部厚度不等，则环变磁场将不再对称。下面应用有限元法计算采用该结构是否仍能满足性能要求。

优化前和优化后的磁力线图如图5所示。从图5中可以看出,磁路主要路径均为环变定子齿和转子齿，优化前有一部分漏磁路不经过环变转子齿，由于匝链环变转子绕组的磁链减少，故优化前的感应电动势将比优化后的感应电动势稍小一些。

图5 优化前后磁力线图

优化前和优化后的磁密云图如图6所示。优化前后铁心中各部位磁密饱和程度基本一致。

图6 优化前后磁密云图

计算优化前后环变的输出电压，如表2所示。从表2中可知，在不同位置的输出电压变化率优化后高于优化前，但变化率仅为0.35%，远小于实际使用中小于等于10%的要求。

由以上有限元计算结果可知，环变原(副)方两侧齿部厚度不等的结构(即优化方案)可以减少双裕度旋变的轴向长度，而对于环变的输出电压则没有影响。

表2 优化前后输出电压对比

3.2 内部布局的优选

3.2.1 两种布局的对比

双裕度旋变中两套无刷旋变同时工作，两套无刷旋变产生的磁场将会相互影响，这种影响会反映到无刷旋变的输出角度中。双裕度旋变按照环变与旋变的相对位置关系，可分为非对称排布和对称排布，即两种布局方式：环变A—旋变A—环变B—旋变B(第一种布局)，旋变A—环变A—环变B—旋变B(第二种布局)，两种布局如图7所示。