多摩川精机株式会社旋转变压器的介绍

旋转变压器的概述多摩川精機株式会社简介•伺服电机：是一个能通过电信号对旋转角度、旋转方向、旋转速度进行控制的电机。其高精密、高精细的控制能力，被广泛应用于机床与工业机器人等设备的驱动控制。•角度传感器：安装伺服电机是为了检测旋转角度、旋转方向、旋转速度变化。也常用编码器和旋变。伺服电机的外型内置角度传感器编码器的外型角度传感器的分类旋变系统旋变：角度的检测。在轴上安装检测、从交流电压（模拟式信号）的形状产生角度信号。Ｒ／Ｄ转换器：旋变的模拟角度信号转换成数字信号的电子芯片。旋变系统•旋变系统＝旋变＋Ｒ／Ｄ转换器•旋变系统是角度传感器的一种旋变的外型定子和转子分开的样子（SMARTSYN、内置型）光电式编码器和旋转变系统的比较光电编码器结构旋变系统结构（图例为增量式编码器）旋变系统的特征•旋变和R/D转换器之间用电缆连接的话可以间隔几米甚至几十米的距离。旋变因其对恶劣环境的适应能力，可以安装在恶劣的条件下，由于R/D转换器是电子元件组成，其可以放置在控制盘附近，环境比较好的地方，这样就能足见一个抗恶劣条件下，精确检测的系统了。旋变（ＢＲＸ）的原理（１/１０）•旋变的原理基本上和变压器是一样的。•变压器有1个铁心和2个绕组。•在变压器一侧绕组输入电压时，铁芯中就产生磁通。这个磁通与侧绕组互联后，产生输出电压。•在此，我们假定从一侧绕组的输入信号线1开始。磁通的方向是向右（顺时针）方向转动的。变压器的构成旋变（ＢＲＸ）的原理（２/１０）•变压器的铁芯是分开的，先假定2个铁芯间的空隙。•因为磁通能透过空隙的，所以和1个铁芯是一样的。当第1侧绕组输入交流电压，第2侧就能输出交流电压。•在此，第2侧绕组向右与磁通互联时。我们就假定输出电压和输入电压的相位，是同一相位（同相）。1侧铁芯和2侧铁芯的相对位置关系是０°的状态。旋变（ＢＲＸ）的原理（３/１０）•2个铁芯，如果当1侧铁芯发生旋转时，1、2侧铁芯相对位置发生变化时，1侧铁芯的磁通就能难到达2侧磁通。•这个结果，就导致了2侧绕阻的磁通互联减少、输出电压也变小。1侧铁芯和2侧铁芯相对位置约为45°时的状态。旋变（ＢＲＸ）的原理（４/１０）•1侧铁芯再旋转，当１侧铁芯与2侧铁芯的相对位置为90°时，与2侧绕阻的互联的磁通变为0。•这个结果，导致了输出电压也变为0。1侧铁芯和2侧铁芯的相对位置为90°的状态。旋变（ＢＲＸ）的原理（５/１０）•1侧铁芯再次旋转，1侧铁芯和2侧铁芯的相对位置超过90°。如下图，1侧电阻的输入信号线1和输入信号线2发生了上下逆转。•我们假定磁通在1侧饶阻的输入信号线1开始，按逆时针方向发生磁通。•因2侧绕阻与磁通互联的方向相反，所以输出电压和输入电压产生相反的相位（逆相）。1侧铁芯和2侧铁芯相对位置约为135°的状态。旋变（ＢＲＸ）的原理（６/１０）•1侧铁芯再次旋转，当1侧铁芯和2侧铁芯的相对位置为180°时，磁通左转，与2侧绕阻互联最多的时候。•这个时候，输出电压是逆相的，电压振幅也是最大的。•还有，这个时候的电压振幅的位置关系和０°时一样。1侧铁芯和2侧铁芯的相对位置关系为180°的状态。旋变（ＢＲＸ）的原理（７/１０）•以上说明的各位置，替换如下：1侧铁芯→转子铁芯1侧绕阻→转子绕阻2侧铁芯→定子铁芯2侧绕阻→定子绕阻•转子铁芯是和旋变轴同步旋转。定子铁芯是被固定在旋变的机壳内，不发生转动。•根据旋变输出电压原理，来感应轴转角的变化。旋变的构造（无刷、组装型）旋变（ＢＲＸ）的原理（８/１０）•旋变有1组转子绕阻，但有2组定子绕组。转子绕阻→１组（１相）定子绕阻→２组（２相）•转子绕阻在输入侧(也称为励磁侧），定子绕组在输出侧。定子铁芯及定子绕阻转子铁芯及转子绕阻转子铁芯转子绕阻定子铁芯定子绕阻旋变（ＢＲＸ）的原理（９/１０）•转子绕阻在输入交流电压后,通过旋变轴与定子绕阻感应,产生的输出电压振幅为正弦波。•因定子绕阻有2组，所以输出电压有2相，2相之间的相位差为90°。因此一相是COS（余弦波）变化，另一相是SIN（正弦波）变化。•旋变是根据读取2相输出电压的振幅变化，来检测角度的。旋变（ＢＲＸ）的原理（１０/１０）•我们把1相励磁/2相输入的无刷旋变以BRX来表示。•因BRX的输出信号振幅变化的，所以称为振幅变调型旋变。•BRX是用读取2相输出电压振幅的变化来检测角度的。2相输出电压振幅变化的电压方程式如下：旋变（ＢＲＸ）的电压方程式（红框内）旋变输出电压变化的波形励磁电压ER1-R2输出电压ES1-S3输出电压ES2-S4旋变的转子旋转时，用示波器观测的输出电压振幅变化状态图。旋变的结构（１/２）•老式的旋变，为了让轴与转子绕阻同步旋转，用碳刷和滑环组合，而从达到外部交流电压传送的目的。无刷旋变的构造（组装型）•但是，随着越来越多的运用，现在无刷旋变已成为使用主流。•无刷旋变也是使用交流电压在旋转变压器（定子变压器及转子变压器组成）。间传送的旋变的结构（２/２）•按无刷旋变的式样，分为转子（旋转部分）在轴上，且不与定子（不可旋转部分）分开的，称为不可分开型，中空轴型以及转子和定子分离型。•不可分开型称为出轴型（也称为轴形），分离型称为组装型。Ｓｍａｒｔｓｙｎ的结构•传统旋变绕线是手工绕线的。•使用绕线机实现自动化绕线工序的旋变就是［内置型旋变］。［内置型旋变］是多摩川精机旋变系列的一种。旋变（Ｓｍａｒｔｓｙｎ）的外观内置型旋变的安装•内置型无刷旋变，已经组成了电机，所以不需要轴。•［内置型旋变］是多摩川精机旋变系列的一种。Ｓｍａｒｔｓｙｎ是ＦＡ界的使用主流产品。其中，内置型占Ｓｍａｒｔｓｙｎ一半以上。旋变（ＢＲＴ）的原理（１/２）•和无刷旋变（ＢＲＸ）的方式不同，称为ＢＲＴ。•ＢＲＸ和ＢＲＴ的不同点：ＢＲＸ是１相励磁输入/２相输出，而ＢＲＴ是２相励磁输入/１相输出的。•ＢＲＸ是在转子绕阻输入，定子绕阻是输出。而ＢＲＴ是定子绕阻输入，转子绕阻输出。旋变（ＢＲＴ）的补充•ＢＲＴ除了相位变调型还有振幅变调型。•在２相振幅变调型中，２相定子绕阻在同时输入同相位的交流电压。这２相交流电压是根据轴的转动角度而发生振幅变化。•２想的励磁电压（输入电压）的振幅变化，时间相位差为９０°。也就是，一个是ＣＯＳ（余弦波）变化，而另一个是ＳＩＮ（正弦波）变化的。这和ＢＲＸ的２相输出电压振幅很相似。•振幅变调型的１相输出电压经常是０的，无论轴的转动角度是怎样。因此、２相的励磁电压（输入电压）是有振幅变化的。BRT(振幅变调型）的R/D转换器（LENZE制）实例BRT(振幅变调型)的励磁电压变化图ＶＲ型旋变（ＶＲＸ）的原理•Ｓｉｎｇｌｓｙｎ是多摩川精机旋变系列的一种。Ｓｉｎｇｌｓｙｎ与至今为止的同步机和旋转变压器不同，它没有转子绕阻。定子上有３相绕阻，分别是１相励磁及２相输出（ＶＲＸ类型）。•Ｓｉｎｇｌｓｙｎ的转子就是一个转子铁芯，没有转子绕阻。Ｓｉｎｇｌｓｙｎ的转子用铁芯制成特殊形状，根据转子铁芯与定子铁芯之间间隙，而使输出电压发生振幅变化（振幅变调型）。因此我们把Ｓｉｎｇｌｓｙｎ称为ＶＲ型旋变。ＶＲ的是VariableReluctance（可变磁阻）的缩写。•Ｓｉｎｇｌｓｙｎ主要用于纯电动汽车及混合动力汽车及电动动力转向装置等方面，主要应用于汽车领域。ＳｍａｒｔｓｙｎＳｉｎｇｌｓｙｎ的结构比较Singlsyn的外观旋变的比较ＢＲＸ（１相励磁/２相输出）温度漂移小。（注①）R/D转换器的结构比BRT的复杂。ＢＲＴ（２相励磁/１相输出）R/D转换器的结构比BRT的简单。温度漂移大。必须要有与旋变相对应的温度补偿电路。（注②）ＶＲＸ（１相励磁/２相输出）零部件少，构造简单。检测精度没有BRX好。（注）①这只针对BRT的相位变调型，与振幅变调型无关。②温度漂移是指旋变随温度的变化而发生检测角度变化的现象。温度漂移是根据旋变温度变化，绕阻电阻产生变化，随之相位发生变化的情况。Smartsyn的的尺寸及轴倍角(Ｘ数)轴倍角(X数)电气误差(角度精度)尺寸06型08型10型15型21型34型1X±10′～±30′△○○○○○2X±7′～±10′？○○○○△3X±5′～±10′？△△○○△4X±4′～±5′？○？○○○5X幅7′～幅8′(±3.5′～±4′)？？？○○△6X±20′？？？？○？（注）轴倍角(X数)：输出电气角对应的输入机械角的倍数○：已生产或已开发完成△：可以开发(但是，未开发)？：已开发•Smartsyn等旋变按尺寸分为[21型]、[15型]等型号。例如：[21型]外壳的外径是2.1英寸（＝５３.３４mm）。同样，［１５型］外壳的外径是１.５英寸（＝３８.１mm）。这么分型号既是为了表示省略值，也是为了容易区分。旋变的轴倍角•旋变轴倍角的选择也要考虑。旋变在旋转一周，发出１个输出信号的场合是［１Ｘ］、发出２个输出信号就是［２Ｘ］、４个输出信号就是［４Ｘ］，以次类推。。•很多场合、轴倍角越多，角度检测分辨率越高。１Ｘ－ＢＲＸ的输出电压变化４Ｘ－ＢＲＸ的输出电压变化旋变的轴倍角和检测精度（1/5）①为什么轴倍角越多，检测精度越高？②1X和4Ｘ的输出，哪里不同？旋变轴角度与电气输出的关系●轴倍角4倍（4X）旋变的输出（经过R/D变换器换算后）旋变的轴是0→360°旋转一周之间，电气信号的输出是0→360°经过4重复。1X旋变的输出轴旋转输出电压用R/D变换器来转换角度4Ｘ的角度输出0→360度重复４次累计合计为１４４０度（控制方的ＣＰＵ的计算）→持续后数值发生改变把连续的数值相加就是１４４０度，分４等份后就是３６０度了。把４Ｘ角换算后分４等份，就可以得到１Ｘ角得到的角度。～把4X旋变（旋转一周划分为４等份）当作1X考虑就是旋变的轴倍角和检测精度（2/5）对于旋变的误差※注为了举例的方便，我们用非常大的数字来假设，实际误差很小。1X型的理想角度输出及包含误差的角度输出4X型的理想角度输出及包含误差的角度输出旋变误差的原因一是：输出电压（Ｓｉｎ以及Ｃｏｓ）的不平衡。在此，我们正在研究1X→4X变化后的误差。※如果不平衡的程度是一样的，那么１Ｘ和４Ｘ所得出的包含误差的角度，大致也是相同的。理想出力旋变的轴倍角和检测精度（3/5）4Xを1X相当に変換した場合、誤差は伝播されるのか？0→360度重复４次累计合计为１４４０度把连续的数值相加就是１４４０度，分４等份后就是３６０度了。32°的误差旋变的轴倍角和检测精度（4/5）旋变的轴倍角和检测精度的相关总结轴倍角用的越多、越能提高精度。例如用４Ｘ的话，理论误差就变成了１／４了。（但是，在现实中由于种种原因，常常不能得到预期的误差级别。）旋变的轴倍角和检测精度（5/5）我们用于对宇宙观测的电波望远镜，因其需要非常高的精密度，所以就采用了１２８Ｘ的轴倍角旋变，用来对特殊角度传感的检测。Ｒ/Ｄ变换器的原理•根据Ｒ／Ｄ变换器的代表方式，分为跟踪式和相位检测式。•跟踪式是和振幅变调型旋变（ＢＲＸ、ＶＲＸ）一起使用的。•相位检测式是和相位变调型旋变（ＢＲＴ）一起使用的。跟踪式Ｒ／Ｄ变换器内部结构相位检测式Ｒ／Ｄ变换器的内部结构Ｓｍａｒｔｓｙｎ的应用Ｓｉｎｇｌｓｙｎ的应用●为交换马达控制旋转方向。●为高效磁感应电机控制矢量旋转方向。●为交流伺服马达（永磁马达）控制旋转方向。