新能源汽車電機(jī)旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)、原理及檢測(cè)

基金項(xiàng)目：哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院第三批課程思政示范課程建設(shè)項(xiàng)目“新能源汽車電機(jī)及控制系統(tǒng)檢修”；哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院“新能源汽車電機(jī)及控制系統(tǒng)檢修”課程思政教學(xué)改革項(xiàng)目

摘要：旋轉(zhuǎn)變壓器是新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)上的重要傳感器。從普通變壓器到旋轉(zhuǎn)變壓器、正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器再到磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器，由淺入深探討了新能源汽車電機(jī)磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器的演變過(guò)程，重點(diǎn)介紹其結(jié)構(gòu)與工作原理，并以吉利EV450為例介紹其檢測(cè)方法，以達(dá)到觸類旁通的目的。

關(guān)鍵詞：新能源汽車；旋轉(zhuǎn)變壓器；正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器；磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器

中圖分類號(hào)：U472.9? 收稿日期：2024-04-12

DOI：1019999/jcnki1004-0226202405034

1 前言

電動(dòng)汽車上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)現(xiàn)在多為永磁同步電動(dòng)機(jī)，這其中位置傳感器的作用重大。位置傳感器主要包括電磁式（旋轉(zhuǎn)變壓器）、光電式（光電編碼器）、磁敏式（霍爾位置傳感器）。旋轉(zhuǎn)變壓器是一種常用的伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)編碼器，與光電編碼器相比，旋變抗振性能好，可以安裝于惡劣的使用環(huán)境中，精度比光電編碼器差一些[1]。在新能源汽車上，旋轉(zhuǎn)變壓器的作用就是精準(zhǔn)測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置（轉(zhuǎn)角）、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，將這些信號(hào)傳輸給電機(jī)控制器，由軟件的控制算法來(lái)控制電機(jī)。如果旋變信號(hào)不正常將導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電機(jī)無(wú)法正常工作。在檢測(cè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)變壓器故障之前，需要了解其結(jié)構(gòu)組成與工作原理。

2 旋轉(zhuǎn)變壓器概述

21 旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)變壓器簡(jiǎn)稱旋變，是一種輸出電壓隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變化的信號(hào)元件。旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理和普通變壓器基本相似，區(qū)別在于普通變壓器的一次、二次繞組是相對(duì)固定的，所以輸出電壓和輸入電壓之比是常數(shù)[2]，如圖1所示。而旋轉(zhuǎn)變壓器的一次繞組與二次繞組不是固定安裝而是有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的，如圖2所示。

22 旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理

將變壓器的一次鐵芯和二次鐵芯分開(kāi)，讓一次繞組接單相正弦交流電源，且隨鐵芯按逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，二次繞組固定，如圖3所示。隨著兩者相對(duì)角度的變化，在二次側(cè)就會(huì)輸出頻率相等、幅值變化的電壓波形，如表1所示[3]。一次繞組相對(duì)于二次繞組的旋轉(zhuǎn)角度將會(huì)決定二次繞組的電壓輸出（波形），反過(guò)來(lái)，通過(guò)檢測(cè)二次繞組的電壓曲線，就可以反推計(jì)算出一次繞組的旋轉(zhuǎn)角度，這就是旋轉(zhuǎn)變壓器的基本工作原理[3]。

23 正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器

從上文看出，在一次繞組旋轉(zhuǎn)的一周（360°）內(nèi)，每個(gè)電壓輸出波形都會(huì)對(duì)應(yīng)到兩個(gè)角度位置并且它們的和總是360°，解決這個(gè)位置關(guān)系不唯一的問(wèn)題，方法就是同時(shí)使用兩個(gè)相互垂直的二次繞組，如圖4所示。兩者的輸出電壓之間就會(huì)存在一個(gè)90°的相位差，一個(gè)輸出波形外包絡(luò)線為正弦（sin）曲線，另一個(gè)輸出波形外包絡(luò)線為余弦（cos）曲線，如圖5[4]所示。借助這兩條電壓曲線的組合反推出的一次繞組的旋轉(zhuǎn)位置就是唯一的[3]。這種旋轉(zhuǎn)變壓器稱為正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，是旋轉(zhuǎn)變壓器最基本的形式。一次繞組也稱為勵(lì)磁繞組，兩個(gè)二次繞組分別稱為正弦繞組和余弦繞組。

24 旋轉(zhuǎn)變壓器的類型

旋轉(zhuǎn)變壓器是一種重要的傳感器，廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，其類型主要有：a.按照輸出繞組的電壓幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的函數(shù)關(guān)系分為正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器、線性旋轉(zhuǎn)變壓器、比例式旋轉(zhuǎn)變壓器[1]。b.按照極對(duì)數(shù)的多少可以分為單對(duì)極旋變和多對(duì)極旋變。c.按照有無(wú)電刷和滑環(huán)可分為接觸式旋變和無(wú)接觸式旋變兩種。d.按照轉(zhuǎn)子上有無(wú)繞組可以分為無(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器（用環(huán)形耦合變壓器取代電刷和滑環(huán)）和磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器[5]，如圖6、圖7所示。e按照裝配方式不同可以分為分裝式和組裝式。

3 磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)組成與工作原理

31 結(jié)構(gòu)組成

磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器可以看成是一種輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角保持一定函數(shù)關(guān)系的感應(yīng)式微電機(jī)[6]，由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，如圖8所示。

a.定子。磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器的一次與二次繞組都裝在定子鐵芯內(nèi)圓面不同的凸極（勵(lì)磁線圈通電后成為磁極）上，且均固定不動(dòng)。一次繞組（勵(lì)磁繞組、輸入繞組）通入正弦勵(lì)磁電流，而兩相二次繞組（信號(hào)繞組、輸出繞組）相互垂直產(chǎn)生輸出信號(hào)。旋變定子由鐵鎳軟磁合金或沖有槽孔的硅鋼片疊成。旋轉(zhuǎn)變壓器的定子與轉(zhuǎn)子的磁極數(shù)是不相同的，定子磁極數(shù)比轉(zhuǎn)子的多[2]。定子安裝在電機(jī)殼體上。定子鐵芯凸極上的一次繞組逐極反向串接，兩相二次繞組以兩個(gè)磁極為間隔反向串接[2]。

b.轉(zhuǎn)子。磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子上不安置繞組，僅由鐵芯組成，材料與定子鐵芯相同。轉(zhuǎn)子鐵芯外圓面有凸極。轉(zhuǎn)子凸極形狀需作特殊設(shè)計(jì)，使得氣隙磁場(chǎng)近似于正弦形，同時(shí)還必須滿足所要求的極數(shù)[7]。一般轉(zhuǎn)子采取兩對(duì)極（2X）及以上的多極形狀?？梢钥闯?，轉(zhuǎn)子的形狀決定了極對(duì)數(shù)和氣隙磁場(chǎng)的形狀[7]。磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器一般都做成分裝式，不組合在一起。轉(zhuǎn)子安裝在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，與電機(jī)同步旋轉(zhuǎn)。

32 工作原理

工作時(shí)一次繞組接通頻率為10 kHz以下的正弦交流電源作為勵(lì)磁信號(hào)。當(dāng)轉(zhuǎn)子相對(duì)定子旋轉(zhuǎn)時(shí)，定子、轉(zhuǎn)子之間的氣隙和磁阻不斷發(fā)生變化，每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)子凸極，氣隙和磁阻變化一個(gè)周期，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一周時(shí)，則氣隙和磁阻變化的周期數(shù)等于轉(zhuǎn)子凸極數(shù)[2]。轉(zhuǎn)子的凸極數(shù)就相當(dāng)于磁阻式多極旋轉(zhuǎn)變壓器的極對(duì)數(shù)[5]。有資料表明，旋轉(zhuǎn)變壓器極對(duì)數(shù)與被測(cè)電機(jī)的極對(duì)數(shù)保持一致[8]。氣隙和磁阻的變化導(dǎo)致一次和二次繞組之間互感的變化，二次繞組感應(yīng)的電勢(shì)也隨之發(fā)生變化[2]。通過(guò)磁阻變化原理，兩相二次繞組上分別感應(yīng)出隨轉(zhuǎn)角按正弦變化、彼此相差90°的電角度、頻率不變、幅值外包絡(luò)線呈正弦和余弦的電壓信號(hào)。電機(jī)控制器解碼芯片根據(jù)正弦及余弦規(guī)律變化來(lái)判斷轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角（瞬間位置）、轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)向。

4 新能源汽車電機(jī)旋轉(zhuǎn)變壓器的檢測(cè)

下面以吉利EV450為例，介紹新能源汽車電機(jī)旋轉(zhuǎn)變壓器的檢測(cè)方法。

41 吉利EV450旋轉(zhuǎn)變壓器工作電路

吉利EV450電動(dòng)汽車旋轉(zhuǎn)變壓器與電機(jī)控制器PEU之間通過(guò)6根低壓線束連接，電路原理如圖9所示。PEU通過(guò)勵(lì)磁繞組+、-兩根線向旋轉(zhuǎn)變壓器勵(lì)磁繞組輸出勵(lì)磁信號(hào)，分別通過(guò)正弦繞組+、-兩根線和余弦繞組+、-兩根線接收旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的正弦信號(hào)和余弦信號(hào)[9]。

42 吉利EV450旋變傳感器檢測(cè)

a.正弦、余弦、勵(lì)磁繞組電阻的檢測(cè)。用萬(wàn)用表電阻擋，如表2所示方法[10]測(cè)量繞組電阻。

b.旋變傳感器信號(hào)線路的檢測(cè)。以余弦信號(hào)線路檢測(cè)為例。首先斷電，操作啟動(dòng)開(kāi)關(guān)使電源模式至OFF狀態(tài)，斷開(kāi)車載充電機(jī)直流母線。①操作啟動(dòng)開(kāi)關(guān)使電源模式至ON狀態(tài)。用萬(wàn)用表電壓檔12 V量程，檢測(cè)旋變傳感器余弦繞組與車身接地之間的電壓，應(yīng)為0 V。②斷開(kāi)驅(qū)動(dòng)電機(jī)線束連接器BV13，斷開(kāi)電機(jī)控制器線束-1連接器BV11。用萬(wàn)用表電阻檔200 Ω量程，檢測(cè)導(dǎo)線是否有斷路、短路；用萬(wàn)用表電阻檔20 kΩ量程，檢測(cè)余弦繞組與車身接地之間的絕緣情況。測(cè)量方法如表3所示。將測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比確認(rèn)測(cè)量值是否符合標(biāo)準(zhǔn)，如果不符合標(biāo)準(zhǔn)，修理或更換線束。其它信號(hào)線路的檢測(cè)方法相同。

除了繞組阻值、信號(hào)線路檢測(cè)，還可以用示波器對(duì)勵(lì)磁信號(hào)、正余弦輸出信號(hào)電壓波形進(jìn)行檢測(cè)來(lái)判斷傳感器好壞。

5 結(jié)語(yǔ)

在新能源汽車上，電機(jī)控制器通過(guò)旋轉(zhuǎn)變壓器采集電機(jī)信息并進(jìn)行解碼，VCU再結(jié)合加速踏板、制動(dòng)踏板及駕駛員控制意圖等信號(hào)對(duì)電機(jī)輸出進(jìn)行精準(zhǔn)控制。電機(jī)控制器旋變模塊能控制勵(lì)磁繞組電流的通斷，即產(chǎn)生勵(lì)磁信號(hào)。從正弦繞組和余弦繞組返回的信號(hào)互相偏移，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換處理器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)?？刂颇K通過(guò)同時(shí)參照旋轉(zhuǎn)變壓器正弦和余弦繞組的感應(yīng)電壓輸出，判定任何時(shí)刻轉(zhuǎn)子位置；通過(guò)不斷地比較正弦和余弦繞組的感應(yīng)電壓幅值大小及相位變化，判定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的方向；同時(shí)通過(guò)計(jì)算感應(yīng)電壓波形的變化周期，即可準(zhǔn)確判斷出轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速[1]。

旋轉(zhuǎn)變壓器形式多樣，新能源汽車電機(jī)旋轉(zhuǎn)變壓器是由變壓器的演變而來(lái)的一種特殊結(jié)構(gòu)，它屬于正余弦型、多對(duì)極、分裝、磁阻式的旋轉(zhuǎn)變壓器。旋轉(zhuǎn)變壓器是新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)上不可或缺的重要傳感器，如果旋變信號(hào)失效或丟失，車輛將無(wú)法行駛。不同車型旋變傳感器檢測(cè)方法相同，只是不同車型傳感器定子繞組標(biāo)準(zhǔn)阻值不同。旋轉(zhuǎn)變壓器在新能源汽車中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，應(yīng)用前景廣闊。

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作者簡(jiǎn)介：

方敏，女，1977年生，講師，研究方向?yàn)樾履茉雌囯姍C(jī)、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電控、汽車電氣。