車用磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器的開發(fā)與評(píng)估

張明輝

摘 ?要：車用磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器是指轉(zhuǎn)子凸極徑向磁路磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器（簡(jiǎn)稱旋變）。該文結(jié)合旋轉(zhuǎn)變壓器在混合動(dòng)力汽車電機(jī)上的應(yīng)用，提出磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器開發(fā)過程中需要關(guān)注的參數(shù)，并根據(jù)這些關(guān)鍵評(píng)價(jià)參數(shù)，在開發(fā)過程中管控，并對(duì)樣件進(jìn)行驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器;凸極效應(yīng);正弦繞組;諧波畸變率THD

中圖分類號(hào)： TM383. 2 ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

車用磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器是指轉(zhuǎn)子凸極徑向磁路磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器（簡(jiǎn)稱旋變）。該旋變的定轉(zhuǎn)子分離，定子上繞有勵(lì)磁繞組和正余弦輸出信號(hào)繞組，轉(zhuǎn)子凸極正弦化。極對(duì)數(shù)越多，電氣誤差越小，2對(duì)極的電氣誤差≤±60°（機(jī)械角度），與軸角變換電路結(jié)合，廣泛應(yīng)用于伺服系統(tǒng)。作為一種無刷、抗干擾、耐震動(dòng)、適合苛刻環(huán)境使用的絕對(duì)位置傳感器，是新能源永磁電機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件之一。用于實(shí)時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的定向矢量控制。分布式繞組定子的電機(jī)，要求旋變電氣誤差小;集中式繞組定子的電機(jī)，允許旋變電氣誤差稍大。日本多摩川公司生產(chǎn)的旋變抗干擾強(qiáng)，高速性能穩(wěn)定，在國內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。

1 項(xiàng)目背景

該公司的電機(jī)用旋變主要從日本多摩川公司采購，部分從國內(nèi)贏雙公司采購。旋變作為低成本、高技術(shù)含量的電機(jī)關(guān)鍵零部件，考慮技術(shù)儲(chǔ)備，以及充分利用該公司的沖片廢料，結(jié)合該公司48槽4對(duì)極電機(jī)的產(chǎn)量較大，公司決定啟動(dòng)4對(duì)極旋轉(zhuǎn)變壓器的研發(fā)工作。該款旋變主要參數(shù)見表1。

2 磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器的基本原理

旋變是利用轉(zhuǎn)子磁極的凸極效應(yīng)，使勵(lì)磁繞組和信號(hào)繞組之間的互感隨磁阻轉(zhuǎn)子的位置變化，從而在信號(hào)繞組中感應(yīng)出具有轉(zhuǎn)子位置信息的變壓器電動(dòng)勢(shì)[1]。其信號(hào)產(chǎn)生過程示意如圖1所示。圖2是旋變接線圖。

參照?qǐng)D3，用數(shù)學(xué)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(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)，Pθ為電角度。

解碼芯片AD2S1210解碼時(shí)，隨意指定一個(gè)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(shí)Pθ=α，將轉(zhuǎn)子電角度解析出來。

旋變輸出誤差主要由氣隙磁導(dǎo)的恒定分量及高次諧波組成。恒定分量受定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)影響，高次諧波受氣隙磁導(dǎo)變化及定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)影響，帶有輸出誤差的輸出信號(hào)對(duì)解碼芯片的精確度影響大。因此，對(duì)旋變輸出信號(hào)的評(píng)價(jià)，主要指標(biāo)是諧波畸變率（THD）和正交性，是旋變仿真的主要指標(biāo)（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(shí)際的相位移通常在±10°，所以相位移不是考核重點(diǎn)。輸出信號(hào)的正弦程度主要取決于轉(zhuǎn)子的凸極正弦程度。外形輪廓對(duì)稱的轉(zhuǎn)子，對(duì)輸出信號(hào)中的偶次諧波抑制很大;需要通過定轉(zhuǎn)子的形狀優(yōu)化和良好的繞組設(shè)計(jì)來抑制奇次諧波。

3 轉(zhuǎn)子形狀設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)子外形輪廓正弦化程度，對(duì)輸出信號(hào)的正弦性和旋變精度有很大的影響。采用氣隙比例系數(shù)T和正弦系數(shù)k評(píng)價(jià)。根據(jù)實(shí)際使用條件，設(shè)定氣隙最小長(zhǎng)度δ（0）和最大長(zhǎng)度δ（π）。

3.1 氣隙比例系數(shù)T的選擇

理想條件下，轉(zhuǎn)子外輪廓應(yīng)具備該輪廓正對(duì)的定子齒下的氣隙磁導(dǎo)只含恒定分量和基波分量[1-2]。設(shè)轉(zhuǎn)子凸極中心正對(duì)定子任一齒中心處為轉(zhuǎn)子零位點(diǎn)，則該零位點(diǎn)處的氣隙為最小氣隙長(zhǎng)度。該外輪廓（轉(zhuǎn)子的一對(duì)極）下的氣隙長(zhǎng)度，用數(shù)學(xué)公式為：

（5）

式中：T為氣隙比例系數(shù)，T=δ（π/2）/δ（0）。

根據(jù)轉(zhuǎn)子凸極磁場(chǎng)特點(diǎn)，電氣角度π/2處的氣隙長(zhǎng)度應(yīng)滿足關(guān)系式：2δ（0）>δ（π/2）>δ（0），該值決定氣隙磁場(chǎng)中恒定分量和基波分量的比例。氣隙長(zhǎng)度為δ（π）/2的點(diǎn)是轉(zhuǎn)子凸極拐點(diǎn)，拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的角度對(duì)旋變輸出信號(hào)影響較大，合適的拐點(diǎn)角度，有效減少定子齒槽齒諧波對(duì)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(yōu)化方案，可以減少小氣隙對(duì)安裝偏心的敏感性。

3.2 正弦系數(shù)k的選擇

正弦系數(shù)指轉(zhuǎn)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(shù)k值越大，諧波畸變率THD越大，但是在一定的范圍內(nèi)，正弦系數(shù)k值越大，變壓比也增大。

4 定子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

作為信號(hào)輸出的載體，定子鐵芯的設(shè)計(jì)影響齒槽諧波，繞組設(shè)計(jì)對(duì)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(píng)價(jià)。

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(shí)，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(lì)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(shù)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(shù)按以下公式計(jì)算：

（6）

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

按β角不同，輸出信號(hào)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(shí)β=0;繞組軸線與某齒中心重合的繞組，稱為II型繞組，此時(shí)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(shí)β=π/4。通常，I型和II型繞組的單元繞組槽數(shù)Z0必須是4的倍數(shù)，但I(xiàn)II型繞組的單元槽數(shù)可以是任意正整數(shù)。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，建議輸出繞組采用III型繞組，主要是抗干擾優(yōu)于I、II型繞組，特別是在電機(jī)高速運(yùn)行（8 000 rpm以上）時(shí)。正弦繞組匝數(shù)計(jì)算后會(huì)取整，在樣件電氣誤差時(shí)，可能會(huì)做出調(diào)整，以便得到更小的電氣誤差。

4.3 旋變材料的選取

汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)和ISG電機(jī)最高工作溫度150 ℃，按H級(jí)絕緣（耐溫180 ℃）選取相關(guān)絕緣材料。對(duì)于旋變，按F級(jí)絕緣（耐溫150 ℃）選取相關(guān)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(dǎo)率高、磁化曲線的線性度好（旋變工作在線性區(qū)）、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(cè)試）。

5 旋轉(zhuǎn)變壓器評(píng)估

根據(jù)以上選取的指標(biāo)參數(shù)，對(duì)按不同參數(shù)設(shè)計(jì)的旋變進(jìn)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(jié)語

該文通過描述旋變開發(fā)中需注意的設(shè)計(jì)參數(shù)，歸納出影響旋變精度的定轉(zhuǎn)子關(guān)鍵參數(shù)，并在開發(fā)過程中監(jiān)控，通過樣件的裝機(jī)測(cè)試及第三方測(cè)試，確認(rèn)管控這些參數(shù)對(duì)旋變精度是有效的。

參考文獻(xiàn)

[1]孫立志，陸永平.適于一體化電機(jī)系統(tǒng)的新結(jié)構(gòu)磁阻旋轉(zhuǎn)變壓器的研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，1999，14（1）：35-39.

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