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行业知识

旋转变压器的工作原理浅谈(二)

作者:薹戈电子点击:919 发布时间:2023-06-05

继续接着聊聊旋变。

上一篇我们了解了安培定则和法拉第电磁感应定律。

今天再引入两个新的名词:霍尔效应和磁阻效应。

01.

霍尔效应和磁阻效应

磁阻效应(Magnetoresistance Effects)的定义:是指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。金属或半导体的载流子在磁场中运动时,由于受到电磁场的变化产生的洛伦兹力作用,产生了磁阻效应。

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如上图,将一个半导体薄片放在磁感应强度为B的磁场中,沿y轴正方向通入电流I,半导体中的载流子将会受到洛伦磁力(运用左手法则判断力的方向)的作用发生偏转,在x方向集聚电荷产生霍尔电场,从而产生霍尔电场,这一效应也成为霍尔效应。

由于载流子的运动速度不一样,而是满足一定的统计分布,那么将有一部分的载流子往上图的D和D'侧偏转,这种偏转就使得沿外加电场方向(y方向)运动的载流子数量减少,从而电阻增大,这就是磁阻效应。

磁阻效应导致磁力线也就是磁感应线,总是沿着磁阻最小的路径,这就好比电流永远会优先选择电阻最小的路径通过一样。

举个例子:

如果两个硅钢片(一个好比定子、另一个好比转子)之间存在气隙,并且这个气隙是变化的,在一个硅钢片上绕有线圈,并通上电流,那么根据上面的安培定则就会产生磁场,再根据磁阻效应原则,作为转子的硅钢片零件就会迫使被移动,从而使得磁力线路径最短。

新能源汽车电机的旋转变压器多采用磁阻式的。

02.

变压器

旋转变压器也是一种变压器,那什么是变压器呢?我们再复习下:

变压器(Transformer)是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置,主要构件是初级线圈、次级线圈和铁芯(磁芯)。

变压器的两侧线圈也称为原边和副边。

原边对应的是初级线圈,也就是电压的输入侧;副边对应的就是次级线圈,也就是电压经变压器转换后电压的输出侧。

两侧的电压比值和两侧线圈匝数有关,公式为:V1/V2=N1/N2。

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03 .

旋转变压器的作用

我们知道电控的主要作用是一个变频器,将直流电转换为交流电,从而给电机提供驱动电流。另外它还可以控制三相交流电的频率和次序,从而可以改变驱动电机的转速和转向(正转和反转)。

而旋转变压器的作用就是精准测量电机转子的位置、转速及旋转方向,将这些信号传输给电控,由软件的控制算法来控制电机。

04.

旋转变压器的结构和工作原理

旋转变压器其实也是一个小电机,包含定子、转子和线圈绕组。

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其中定子和转子的铁心材料为高导磁率的硅钢片或铁镍合金片,经过冲制、绝缘处理、叠装而成。

绕组的话一般有三组,分别为励磁绕组和两相输出绕组,分别固定在定子槽内。

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转子的磁极形状也比较特殊,使得转子和定子铁心之间的气息成正弦形状,转子在旋转时,气隙是在不断变化的,但是使得两相输出绕组信号成正余弦的关系。

接着,我们再了解下绕组接线,参考下图。可以看出励磁线圈是逐个磁极反向串接的,输出绕组1和绕组2则是中间隔一个磁极再反向串接的。中间的偏心凸轮为转子,它与铁心的气隙距离大小,则决定磁场的强度。磁场强度与气隙间距成反比。

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另外绕组对外共有6条引线,如果加上2根温度引线,所以一般旋变对外输出有8个信号。大概结构可以参考下图:

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如果励磁线圈输入的是正弦激励电流sinωt,转子与定子夹角θ,那么正弦输出绕组的信号就为sinωtsinθ,余弦输出绕组的信号为sinωtcosθ,电压计算再乘以原来的激励电压,如下图:

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如果看输出电压的波形的话,正弦和余弦输出信号相位角相差90度,整车VCU可以通过检测两个绕组输出的电压值,就可以计算出转子的位置,再通过波形就可以计算出转子的转速,这就是旋转变压器的工作原理。

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最后的话

好了,关于旋转变压器的介绍,就先写到这里了。

我们总结下:

首先我带大家重新复习了下:安培定则、电磁感应定律、霍尔效应和磁阻效应。

然后再通过变压器的知识引入,从而认识旋转变压器也是变压器的一种。

接着详细介绍了旋变的基本结构:定子、转子和绕组。

绕组又包含3个:励磁绕组、两个输出绕组(正弦和余弦)。

最后,整车VCU就是通过计算检测旋变的两个输出绕组的电压值,从而计算出电机转子的位置,进而计算出转子的转速。

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