旋转变压器的工作原理及应用

    旋转变压器又称分解器，是一种控制用的微电机，它将机械转角变换成与该转角呈某一函数关系的电信号的一种间接测量装置。

在结构上与二相线绕式异步电动机相似，由定子和转子组成。定子绕组为变压器的原边，转子绕组为变压器的副边。激磁电压接到转子绕组上，感应电动势由定子绕组输出。常用的激磁频率为400Hz，500Hz，1000Hz和5000Hz。

旋转变压器结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出信号幅度大，抗干扰性强，工作可靠。因此，在数控机床上广泛应用。

通常应用的旋转变压器为二极旋转变压器，其定子和转子绕组中各有互相垂直的两个绕组。另外，还有一种多极旋转变压器。也可以把一个极对数少的和一个极对数多的两种旋转变压器做在一个磁路上，装在一个机壳内，构成“粗测”和“精测”电气变速双通道检测装置，用于高精度检测系统和同步系统。

图4-9  旋转变压器的工作原理

(一)旋转变压器的工作原理

旋转变压器的定子和转子之间的磁通分布符合正弦规律，因此当激磁电压加到定子绕组上时，通过电磁耦合，转子绕组产生感应电动势，如图4-9所示。其输出电压的大小取决于转子的角向位置，即随着转子偏移的角度呈正弦变化。由变压器原理，设原边绕组匝数为N₁，副边绕组匝数为N₂，k=N₁/N₂为变压比，当原边输入交变电压

U₁=U_msinωt                            （4-6）

 时，副边产生感应电动势                             

          E₂=kU₁=kU_msinωt                        （4-7）

当转子绕组的磁轴与定子绕组的磁轴位置为任意角度θ时，绕组中产生的感应电动势应为

E₂=kU₁sinθ=kU_msinωtsinθ                （4-8）

 式中： k——变压比；

U₁————定子的输入电压；

U_m———定子最大瞬时电压。

    当转子转到两磁轴平行时，即θ=90°时，转子绕组中感应电动势最大，即

         E₂=kU_msinωt                              （4-9）

旋转变压器转子绕组输出电压的幅值量严格地按转子偏转角的正弦规律变化的，其频率和激磁电压的幅值相同。

（二）旋转变压器的应用

    旋转变压器作为位置检测装置有两种应用方式：鉴相方式和鉴幅方式。

    1.鉴相工作方式

在旋转变压器定子的两相正交绕组（正弦用s和和余弦用c表示），一般称为正弦绕组和余弦绕组上，分别输入幅值相等，频率相同的正弦、余弦激磁电压

    U_s=U_msinωt           U_c=U_mcosωt

两相激磁电压在转子绕组中会产生感应电动势。根据线性叠加原理，在转子绕组中感应电压为

          U=kU_ssinθ_机+kU_ccosθ_机=kU_mcos(ωt-θ_机)         （4-10）

    其中k为变压比，由式4-10可知感应电压的相位角就等于转子的机械转角θ_机。因此只要检测出转子输出电压的相位角，就知道了转子的转角，而且旋转变压器的转子是和伺服电机或传动轴连接在一起的，从而可以求得执行部件的直线位移或角位移。

2.鉴幅工作方式

给定子的两个绕组分别通上频率、相位相同但幅值不同，即调幅的激磁电压

U_s=U_msinθ_电sinωt            U_c=U_mcosθ_电sinωt

则在转子绕组上得到感应电压为

   U=kU_ssinθ_机+kU_ccosθ_机             

         =kU_msinωt(sinθ_电sinθ_机+cosθ_电U_ccosθ_机)

     =kU_mcos(θ_电-θ_机) sinωt                     (4-11)

    在实际应用中，是不断修改激磁调幅电压值的电气角θ_电，使之跟踪θ_机的变化，并测量感应电压幅值即可求得机械角位移θ_机。