Высокоточный вращающийся трансформатор

Полезная модель относится к электротехнике, преимущественно к микромашинам, а именно к вращающимся трансформаторам, применяемым в системах автоматики, следящих системах, гироскопических приборах и др.
Известны двухканальные вращающиеся трансформаторы, содержащие магнитопроводы статора и ротора, на одном из которых расположены двухфазная выходная обмотка грубого канала и двухфазная синусоидально-распределенная выходная обмотка точного канала, выполненные в виде повторяющихся групп катушек, соединенных между собой. При этом в одной из фаз обмотки точного канала последняя катушка каждой нечетной повторяющейся части соединена с последней катушкой последующей четной повторяющейся части, а первая катушка каждой нечетной повторяющейся части соединена с первой катушкой последующей нечетной повторяющейся части. Направление намотки катушек в четных повторяющихся частях противоположно направлению намотки одноименных катушек в нечетных повторяющихся частях.
Недостатком таких трансформаторов является пониженная точность преобразования угла поворота ротора в выходной синусно-косинусный сигнал, обусловленная наличием емкостных связей между обмотками каналов.
Известен двухканальный вращающийся трансформатор согласно авторскому свидетельству SU 1778879 А1, в котором с целью снижения погрешности путем уменьшения влияния грубого канала на точный, в другой фазе обмотки точного канала последняя катушка повторяющейся части с номером (4n+2) соединена с последней катушкой повторяющейся части с номером (4n+4), первая катушка повторяющейся части с номером (4n+3) соединена с первой катушкой последней повторяющейся части с номером (4n+1), при этом направление намотки катушек повторяющихся частей с номерами (4n+3) и (4n+4) выполнено противоположным направлению намотки соответствующих катушек повторяющихся частей с номерами (4n+1) и (4n+2), где n=0, 1, 2…. Данное решение является наиболее близким к заявляемому и предлагается принять за прототип.
Однако у аналогичных изделий кроме индуктивной присутствуют, как правило, еще и паразитные резистивные и емкостные связи между обмотками. Хотя, по сравнению с индуктивной связью, их влияние невелико, но этого оказывается достаточно для снижения точности измерения угла поворота ротора. В аналогах этим эффектом пренебрегают и никак не компенсируют.
Целью данной полезной модели является повышение точности измерения угла поворота ротора трансформатора.
Для получения высокой точности работы трансформатора необходимо добиться полной компенсации паразитных емкостных и резистивных связей, что может быть достигнуто применением перемычек, включенных последовательно к синусно-косинусным выходным обмоткам, и расположенных таким образом, что наводимая в них ЭДС оказывается равной по амплитуде паразитной ЭДС в соединенной с ней обмотке, вызванной паразитными резистивными и емкостными связями, но строго противоположной по фазе. Складывание сигналов приводит к полной компенсации погрешности машины с учетом токов растекания, вызванных ненулевой проводимостью пропиточного компаунда и диэлектрической проницаемости этого же компаунда.
Технический результат, полученный при использовании данной полезной модели, заключается в создании высокоточного вращающегося трансформатора, имеющего на роторе две обмотки возбуждения, а на статоре четыре выходных обмотки, оси которых расположены между собой в квадратуре, пазы на роторе и на статоре расположены равномерно, крайние пазы соседних групп пазов сдвинуты относительно друг друга на угол α(i+0,5), где α - полюсное деление вращающегося трансформатора, i=0, 1, 2, 3, причем одна выходная обмотка размещена в пазах четных групп, а другая - в пазах нечетных групп. Однако при использовании многополюсного вращающегося трансформатора с сосредоточенными обмотками в системах передачи угла с электромагнитной редукцией третья и пятая гармоники его коэффициента взаимоиндукции (на период основной гармоники) трансформируются в четвертую гармонику погрешности передачи угла.
Технический результат, полученный при использовании данной полезной модели, достигается тем, что вращающийся трансформатор состоит из ротора, являющегося цельной сборочной единицей и имеющего обмотку возбуждения точного отсчета (ТО), обмотку возбуждения грубого отсчета (ГО) с квадратурной обмоткой, а также статора, имеющего четыре выходные обмотки: синусная и косинусная обмотки ТО, синусная и косинусная обмотки ГО. Наружная часть ротора выполнена в форме зубцов, общим количеством 64 шт. Обмотки возбуждения, синусные, косинусные сосредоточены в пакете статора и пакете ротора. Пакеты статора и ротора установлены в корпусные детали, не связанные друг с другом.
Электрическая редукция грубого отсчета равна единице, а точного отсчета - тридцати двум. Совмещение электрических нулей (в пределах допустимого расхождения 5') имеет место только в нулевом положении, имеющем отметку на роторе.
Для магнитопровода машинной части ТО и ГО предлагаемой полезной модели выбрано соотношение пазов ротора и статора - 64 и 128 для обеспечения параметров погрешности следования с эталонным устройством, электрической редукции. Число пазов статоров ГО и ТО выбрано из соображений получения корректного отображения синусной зависимости при изменении положения ротора относительно статора. Число пазов выбрано в соответствии с соотношением 128/64. В качестве схемы обмотки выбрана синусная концентрическая обмотка, витки которой распределены по синусоидальному закону. Преимущество синусоидальной обмотки состоит в том, что она содержит только высшие гармоники Zn±1 и является нечувствительной к низшим гармоникам, появляющимся в кривой индукции магнитного поля от технологических погрешностей при изготовлении магнитопроводов.
Необходимая для высокоточного вращающегося трансформатора полная компенсация емкостных связей достигается применением перемычек. При этом, последовательно группе, расположенной в четных пазах статора, используется перемычка, расположенная в нечетных, и наоборот. Этим достигается индуктивная компенсация емкостной паразитной связи квадратурных обмоток.
Выходные обмотки намотаны катушками на каждом зубце статора в противоположной относительно соседних зубцов полярности. Катушки групп пазов соединены между собой последовательно и согласно, так что образуются четыре выходные обмотки, попарно расположенные между собой в квадратуре.
При работе многополюсного вращающегося трансформатора в системе передачи угла с электрической редукцией из-за наличия третьей и пятой гармоник в коэффициенте взаимоиндукции первая половина обмоток, размещенная в пазах, создает погрешность передачи угла
где р - число пар полюсов многополюсного вращающегося трансформатора;
ϕ - угол поворота ротора относительно статора.
Вторая половина обмоток, размещенная в пазах, сдвинута на угол
создает погрешность передачи угла
Следовательно, результирующая погрешность трансформатора от третьей и пятой гармоник в коэффициенте взаимоиндукции равна нулю, так как ее составляющие находятся в противофазе друг с другом.
Ниже рассмотрен пример реализации полезной модели.
На фиг. 1 показан высокоточный вращающийся трансформатор, общий вид.
Вращающийся трансформатор (фиг. 1) реализован в бескорпусном исполнении и состоит из статора 1, расположенного в обойме 2, и ротора 3, расположенного на обойме 4. Статор 1 выполнен со 128 зубцами 5. На зубцы статора намотаны катушки синусных и косинусных обмоток точного и грубого отсчетов, а также перемычки точного отсчета. На 64 зубца 6 ротора намотаны катушки возбуждения точного и грубого отсчетов. Между зубцами статора и зубцами ротора выполнен зазор, магнитное сопротивление которого меняется в зависимости от взаимного расположения их зубцов при вращении ротора, обеспечивая при этом необходимое электромагнитное поле.
Вращающийся трансформатор работает следующим образом. При питании обмотки возбуждения статора грубого отсчета переменным синусоидальным напряжением с синусной и косинусной обмоток снимаются два напряжения, амплитуды которых изменяются в функции угла поворота с пространственным сдвигом. При питании первичной обмотки точного отсчета переменным синусоидальным напряжением с синусной и косинусной обмоток снимаются два напряжения, амплитуды которых изменяются в функции угла поворота с пространственным сдвигом. Получив истинное положение вращающегося трансформатора, можно определить в дальнейшем величину последующего изменения положения ротора.
Предлагаемое решение с учетом особенностей работы позволяет создать вращающийся трансформатор высокой точности, получать минимальную погрешность вычисления абсолютного положения угла поворота ротора при максимальной защищенности от возникновения неопределенности вычисления значения абсолютного положения на фоне случайных помех, позволяет осуществлять обработку вырабатываемых вращающимся трансформатором аналоговых сигналов электронными средствами исчисления.
На фиг. 2 проиллюстрирована зависимость выхода готовых изделий 1 класса, 2 класса и бракованных (в соответствии с техническими условиями) в зависимости от наличия перемычек в обмотках статора. В представленной таблице видно, что количество изделий 1 класса при использовании перемычек возросло вдвое, а бракованные изделия отсутствуют.