无限转角的无接触式旋转变压器及零位误差产生原因

1. 用途

旋转变压器是自动装置中的一种精密控制微电机。从物理本质来看，旋转变压器可以看成是一种可以转动的变压器。

旋转变压器的一、二次绕组分别放置在定子、转子上，一、二次绕组之间的电磁耦合程度与转子的转角有关。因此，当一次侧外施单相交流电源励磁时，转动它的转子可以改变输入绕组与输出绕组之间的耦合关系，使二次侧的输出电压与转子转角成正弦、余弦或线性关系。在控制系统中它可作为解算元件，主要用于坐标变换、三角运算等；也可用于随动系统中，传输与转角相应的电信号；此外，还可用作移相器和角度-数字转换装置。

2. 种类及特点

旋转变压器有多种分类的方法。如按有无电刷和集电环之间的滑动接触来分，可分为接触式和无接触式两种。在无接触式中又可再分为有限转角和无限转角两种。通常在无特别说明时，均是指接触式旋转变压器。

若按电机的极对数多少来分，又可分为单极对和多极对两种。通常在无特别说明时，均是指单极对旋转变压器。

若按照它的使用要求来分，又可分为用于解算装置的旋转变压器和用于随动系统的旋转变压器。

1）用于解算装置中的旋转变压器，还可分为以下四种基本型式：

①正余弦旋转变压器：当它的一次侧外施单相交流电源励磁时，其二次侧的两个输出电压分别与转子转角呈正弦和余弦函数关系。

②线性旋转变压器：它是在一定的工作转角范围内，其输出电压与转子转角（弧度）呈线性函数的一种旋转变压器。为了获得输出电压与转子转角呈线性函数关系，可以通过对正、余弦旋转变压器的定子、转子绕组采用不同的连接方式来实现。通常这种正、余弦旋转变压器具有一个最佳的电压比。

③比例式旋转变压器：它除了在结构上增加了一个带有调整和锁紧转子位置的装置以外，其他都与正、余弦旋转变压器相同。在系统中作为调整电压的比例元件。

④特殊函数旋转变压器：它是在一定转角范围内，输出电压与转子转角呈某一给定的函数关系（如正割函数、倒数函数、弹道函数、圆函数以及对数函数等）的一种旋转变压器。它的工作原理和结构与正、余弦旋转变压器基本相同。

2）在随动系统中使用的旋转变压器也可分为以下三种型式：

①旋变发送机；

②旋变差动发送机；

③旋变变压器。

以上三种旋转变压器的工作原理与控制式自整角机没有多少区别，只不过是采用四线制。通常使用在要求精度较高的系统中。

3. 结构(www.xing528.com)

接触式旋转变压器的结构类似于普通绕线转子异步电动机，如图6-10所示。为了获得良好的电气对称性，以提高其精度，通常采用两极隐极式结构。

旋转变压器的定子、转子铁心采用高导磁率的铁镍软磁合金片或高硅钢片经冲制、绝缘、叠装而成。在定子铁心内圆周和转子铁心外圆周上都冲有槽。定子、转子槽中分别放置有两个互相垂直的绕组，如图6-11所示，其绕组常采用高精度的正弦绕组，其中D₁-D₂为定子励磁绕组，D₃-D₄为定子补偿绕组，这两套绕组的结构是完全相同的。z₁-z₂及z₃-z₄分别为转子上的余弦输出绕组和正弦输出绕组，同样它们的结构也完全相同。转子绕组由电刷和集电环引出。

图6-10 旋转变压器结构图

图6-11 旋转变压器绕组示意图

无接触式旋转变压器，有一种是将转子绕组引出线做成弹性卷带状，这种转子只能在一定的转角范围内转动，称为有限转角的无接触式旋转变压器；另一种是将两套绕组中的一套自行短接，而另一套则通过环形变压器从定子边引出。它和无接触式自整角机的结构相似。这种无接触式旋转变压器的转子转角不受限制，因此称为无限转角的无接触式旋转变压器。

无接触式旋转变压器，由于没有电刷和集电环之间的滑动接触，所以工作时更为可靠。

4.主要性能指标

正余弦旋转变压器作为解算元件时，其精度由函数误差和零位误差来决定。当作为四线自整角机使用时，其精度则由电气误差来决定。

1）正余弦函数误差F_E：当正、余弦旋转变压器的励磁绕组外施额定的单相交流电源励磁，且补偿绕组短接时，在不同的转子转角位置，转子上两个输出绕组的感应电动势与理论的正弦（或余弦）函数值之差对最大理论输出电压之比，称为该旋转变压器的正、余弦函数误差。这种误差直接影响作为解算元件的解算精度。

2）零位误差Δθ₀：当正、余弦旋转变压器的励磁绕组外施额定的单相交流电源励磁，且补偿绕组短接时，转动转子使两个输出绕组中任意一个的输出电压为最小值的转子位置称为电气零位。零位误差是实际电气零位与理想电气零位（即转子转角为0°、90°、180°、270°）之差，以角分来表示。零位误差的大小将直接影响到解算装置和角度传输的精度。

3）电气误差Δθ_E：当正、余弦旋转变压器的励磁绕组外施额定的单相交流电源励磁，且补偿绕组短接时，在不同的转子转角位置，两个输出绕组的输出电压之比所对应的正切或余切的角度，与实际转角之差值称为电气误差，通常以角分来表示。

电气误差包括了函数误差、零位误差、电压比误差及阻抗不对称等因素的综合影响。它直接影响到角度传输系统的精度。

4）零位电压U₀：正、余弦旋转变压器的转子处于电气零位时的输出电压的大小，称为零位电压（又称剩余电压）。旋转变压器的最大零位电压与额定电压之比应不超过规定值。

产生函数误差的主要原因是加工不良和磁性材料不均匀而使磁路不对称，磁铁材料的饱和性能而引起磁路的非线性。产生零位误差的主要原因是磁路不对称，定子、转子不同心，绕组不对称以及匝间短接而使旋转变压器磁路、电路不对称。