旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理淺談（二）

繼續(xù)接著聊聊旋變。

上一篇我們了解了安培定則和法拉第電磁感應(yīng)定律。

今天再引入兩個(gè)新的名詞：霍爾效應(yīng)和磁阻效應(yīng)。

01.

霍爾效應(yīng)和磁阻效應(yīng)

磁阻效應(yīng)(Magnetoresistance Effects)的定義:是指某些金屬或半導(dǎo)體的電阻值隨外加磁場(chǎng)變化而變化的現(xiàn)象。金屬或半導(dǎo)體的載流子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí),由于受到電磁場(chǎng)的變化產(chǎn)生的洛倫茲力作用,產(chǎn)生了磁阻效應(yīng)。

如上圖，將一個(gè)半導(dǎo)體薄片放在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，沿y軸正方向通入電流I，半導(dǎo)體中的載流子將會(huì)受到洛倫磁力（運(yùn)用左手法則判斷力的方向）的作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在x方向集聚電荷產(chǎn)生霍爾電場(chǎng)，從而產(chǎn)生霍爾電場(chǎng)，這一效應(yīng)也成為霍爾效應(yīng)。

由于載流子的運(yùn)動(dòng)速度不一樣，而是滿足一定的統(tǒng)計(jì)分布，那么將有一部分的載流子往上圖的D和D'側(cè)偏轉(zhuǎn)，這種偏轉(zhuǎn)就使得沿外加電場(chǎng)方向（y方向）運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)量減少，從而電阻增大，這就是磁阻效應(yīng)。

磁阻效應(yīng)導(dǎo)致磁力線也就是磁感應(yīng)線，總是沿著磁阻最小的路徑，這就好比電流永遠(yuǎn)會(huì)優(yōu)先選擇電阻最小的路徑通過一樣。

舉個(gè)例子：

如果兩個(gè)硅鋼片（一個(gè)好比定子、另一個(gè)好比轉(zhuǎn)子）之間存在氣隙，并且這個(gè)氣隙是變化的，在一個(gè)硅鋼片上繞有線圈，并通上電流，那么根據(jù)上面的安培定則就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，再根據(jù)磁阻效應(yīng)原則，作為轉(zhuǎn)子的硅鋼片零件就會(huì)迫使被移動(dòng)，從而使得磁力線路徑最短。

而新能源汽車電機(jī)的旋轉(zhuǎn)變壓器多采用磁阻式的。

02.

變壓器

旋轉(zhuǎn)變壓器也是一種變壓器，那什么是變壓器呢？我們?cè)購(gòu)?fù)習(xí)下：

變壓器（Transformer）是利用電磁感應(yīng)的原理來(lái)改變交流電壓的裝置，主要構(gòu)件是初級(jí)線圈、次級(jí)線圈和鐵芯（磁芯）。

變壓器的兩側(cè)線圈也稱為原邊和副邊。

原邊對(duì)應(yīng)的是初級(jí)線圈，也就是電壓的輸入側(cè)；副邊對(duì)應(yīng)的就是次級(jí)線圈，也就是電壓經(jīng)變壓器轉(zhuǎn)換后電壓的輸出側(cè)。

兩側(cè)的電壓比值和兩側(cè)線圈匝數(shù)有關(guān)，公式為：V1/V2=N1/N2。

03 .

旋轉(zhuǎn)變壓器的作用

我們知道電控的主要作用是一個(gè)變頻器，將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，從而給電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)電流。另外它還可以控制三相交流電的頻率和次序，從而可以改變驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向（正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)）。

而旋轉(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)速及旋轉(zhuǎn)方向，將這些信號(hào)傳輸給電控，由軟件的控制算法來(lái)控制電機(jī)。

04.

旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理

旋轉(zhuǎn)變壓器其實(shí)也是一個(gè)小電機(jī)，包含定子、轉(zhuǎn)子和線圈繞組。

其中定子和轉(zhuǎn)子的鐵心材料為高導(dǎo)磁率的硅鋼片或鐵鎳合金片，經(jīng)過沖制、絕緣處理、疊裝而成。

繞組的話一般有三組，分別為勵(lì)磁繞組和兩相輸出繞組，分別固定在定子槽內(nèi)。

轉(zhuǎn)子的磁極形狀也比較特殊，使得轉(zhuǎn)子和定子鐵心之間的氣息成正弦形狀，轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時(shí)，氣隙是在不斷變化的，但是使得兩相輸出繞組信號(hào)成正余弦的關(guān)系。

接著，我們?cè)倭私庀吕@組接線，參考下圖?？梢钥闯鰟?lì)磁線圈是逐個(gè)磁極反向串接的，輸出繞組1和繞組2則是中間隔一個(gè)磁極再反向串接的。中間的偏心凸輪為轉(zhuǎn)子，它與鐵心的氣隙距離大小，則決定磁場(chǎng)的強(qiáng)度。磁場(chǎng)強(qiáng)度與氣隙間距成反比。

另外繞組對(duì)外共有6條引線，如果加上2根溫度引線，所以一般旋變對(duì)外輸出有8個(gè)信號(hào)。大概結(jié)構(gòu)可以參考下圖：

如果勵(lì)磁線圈輸入的是正弦激勵(lì)電流sinωt,轉(zhuǎn)子與定子夾角θ，那么正弦輸出繞組的信號(hào)就為sinωtsinθ，余弦輸出繞組的信號(hào)為sinωtcosθ，電壓計(jì)算再乘以原來(lái)的激勵(lì)電壓，如下圖：

如果看輸出電壓的波形的話，正弦和余弦輸出信號(hào)相位角相差90度，整車VCU可以通過檢測(cè)兩個(gè)繞組輸出的電壓值，就可以計(jì)算出轉(zhuǎn)子的位置，再通過波形就可以計(jì)算出轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，這就是旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理。

最后的話

好了，關(guān)于旋轉(zhuǎn)變壓器的介紹，就先寫到這里了。

我們總結(jié)下：

首先我?guī)Т蠹抑匦聫?fù)習(xí)了下：安培定則、電磁感應(yīng)定律、霍爾效應(yīng)和磁阻效應(yīng)。

然后再通過變壓器的知識(shí)引入，從而認(rèn)識(shí)旋轉(zhuǎn)變壓器也是變壓器的一種。

接著詳細(xì)介紹了旋變的基本結(jié)構(gòu)：定子、轉(zhuǎn)子和繞組。

繞組又包含3個(gè)：勵(lì)磁繞組、兩個(gè)輸出繞組（正弦和余弦）。

最后，整車VCU就是通過計(jì)算檢測(cè)旋變的兩個(gè)輸出繞組的電壓值，從而計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，進(jìn)而計(jì)算出轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。