新能源车驱动电机关键部件——旋转变压器概述

一  何为旋转变压器

新能源汽车上的驱动电机目前多采用永磁同步电动机。在工作时，外部旋转磁场与内部转子需同速旋转，且旋转磁场的磁极与转子磁极之间要保持一定的夹角。因此，电机控制器必须实时监测转子的位置和转速，这时位置传感器就扮演了关键角色。位置传感器主要有电磁式（如旋转变压器）、光电式（如光电编码器）和磁敏式（如霍尔位置传感器）。其中，旋转变压器作为电动汽车驱动电机的核心部件，负责感知电机转子的位置和速度，并将这些信息转换为信号反馈给电机控制系统，从而实现电机的精准操控。其精度不仅影响整车的能耗和驾乘体验，更关乎整车的可靠性及乘客安全。

旋转变压器的历史，可以追溯到上个世纪60年代。由于早期旋转变压器的信号处理电路相对复杂且价格高昂，它的使用场景受到了一定程度的约束。然而，它无可比拟的可靠性和高精度特点，在多个关键领域如军事、航天、航空、航海等仍占据核心地位。随着电子工业的快速发展，电子元器件的集成度不断提高，带来了成本的显著降低。同时，信号处理技术的进步极大地简化了旋转变压器的信号处理电路，在提高可靠性的同时也大幅降低了成本。此外，软件解码技术的引入进一步提升了信号处理的灵活性和便捷性。新能源车行业的快速进步也为旋转变压器带来了更广阔的应用空间，使其优势得到进一步的发挥。

二  结构和工作原理

1、 结构

旋转变压器，亦被称为旋变，是一种特别的信号元件，其特性在于输出电压会随着转子转角的变化而改变。旋转变压器的工作机制在很大程度上与普通变压器相似，然而，它们之间也存在显著差异。普通变压器的一次绕组和二次绕组是固定安装的，因此其输出电压与输入电压之间的比率始终保持为一个常数。相反，旋转变压器的一次绕组和二次绕组并非固定安装，而是具有相对运动，这一点可以在图示中得到直观展示。

2、 工作原理

旋转变压器的一个关键构造特点，那就是它的一次铁芯和二次铁芯是相互独立的，没有直接连接。在实际操作中，我们将一次绕组连接到单相正弦交流电源上，并使其随着铁芯以逆时针方向进行旋转，而二次绕组则保持固定不动。这样的设计构成了一个相对运动的关系，为后续的电压变换提供了基础。

伴随着一次绕组和二次绕组之间相对角度的不断变化，一个有趣的现象发生了。在二次侧，我们会观察到输出的电压波形虽然频率保持不变，但其幅值却在持续变化。这种变化遵循着一种特定的模式，这种模式与两者之间的相对角度密切相关。为了更直观地展示这种关系，下表详细记录了不同角度下二次侧电压的幅值变化。

旋转变压器的核心机制在于，一次绕组相对于二次绕组的旋转角度会直接影响二次绕组的电压输出。换句话说，旋转的角度成为了决定电压输出波形的关键因素。而这一特性也为我们提供了一种反向推理的可能性：只需检测二次绕组的电压曲线，我们就可以反过来推算出一次绕组的旋转角度。无论是在电机控制、位置检测，还是在自动化系统中，这一原理都发挥着不可或缺的作用。这正是旋转变压器基本工作原理的精髓所在。

三  旋转变压器的种类

旋转变压器按照输出绕组的电压幅值与转子转角的函数关系分为正余弦旋转变压器、线性旋转变压器、比例式旋转变压器；按照极对数的多少可以分为单对极旋变和多对极旋变；按照有无电刷和滑环可分为接触式旋变和无接触式旋变两种；按照转子上有无绕组可以分为无刷旋转变压器和磁阻式旋转变压器。下面介绍两种常见的类型。

1、正余弦旋转变压器

从上述中可以看出，当一次绕组完成一整周（360°）的旋转时，每个电压输出波形均会与两个特定的角度位置相对应，且这两个位置的角度和恒定为360°。为了消除这种位置对应关系的不确定性，我们采用了同时使用两个相互垂直的二次绕组的方法，具体可参见图示。这两个绕组的输出电压间存在90°的相位差异，其中一个绕组的输出波形外轮廓呈现为正弦（SIN）曲线，而另一个绕组则展现出余弦（COS）曲线的外轮廓。通过综合利用这两条电压曲线，我们可以精确地反推出一次绕组的唯一旋转位置。这种特殊设计的旋转变压器被称作正余弦旋转变压器，它代表了旋转变压器的一种基础构型。在这里，一次绕组也被称为励磁绕组，而两个二次绕组则分别被命名为正弦绕组和余弦绕组。

2、 磁阻式旋转变压器

磁阻式旋转变压器可以看成是一种输出电压与转子转角保持一定函数关系的感应式微电机，由定子和转子构成，如图所示。

A. 定子。在磁阻式旋转变压器中，一次绕组与二次绕组均被精心安装在定子铁芯内圆面的独特凸极之上（当励磁线圈通电后，这些凸极即成为磁极），且所有绕组均稳固不动。一次绕组（亦称为励磁绕组或输入绕组）中输入的是正弦励磁电流，而两相二次绕组（也被称为信号绕组或输出绕组）以相互垂直的方式配置，从而产生输出信号。旋转变压器的定子由铁镍软磁合金或由冲有特定槽孔的硅钢片层层叠加而成。值得注意的是，旋转变压器的定子与转子的磁极数目并不相同，定子的磁极数目多于转子。定子部分被牢固地安装在电机的壳体之上。在定子铁芯的凸极上，一次绕组采用逐极反向串接的方式，而两相二次绕组则以两个磁极为间隔进行反向串接。

B. 转子。在磁阻式旋转变压器中，转子部分并未配置绕组，而是完全由铁芯构成，其所用材料与定子铁芯相同。转子的铁芯外圆面上分布着凸极。为了确保气隙磁场近似为正弦形状，并满足特定的极数要求，转子凸极的形状需经过精心设计。通常情况下，转子会采用两对极（2X）或更多极的形状。显然，转子的形状不仅决定了极对数，还定义了气隙磁场的形态。磁阻式旋转变压器通常采用分装式设计，各部分并不组合在一起。转子被安装在电机的转轴上，与电机保持同步旋转。

在工作状态下，一次绕组会接入频率低于10KHZ的正弦交流电源，以此作为励磁信号。当转子相对于定子发生旋转时，定子与转子间的气隙及磁阻会经历持续的变化。每当转子转过一个凸极，气隙和磁阻就会完成一个周期的变化。当转子完成一整周的旋转时，气隙和磁阻的变化周期数便与转子的凸极数目相等。这里，转子的凸极数目实质上等同于磁阻式多极旋转变压器的极对数。有资料显示，旋转变压器的极对数与被测电机的极对数是一致的。气隙和磁阻的变化会进一步引起一次绕组和二次绕组之间互感的变化，从而使得二次绕组所感应到的电势也随之发生变动。基于磁阻变化的原理，两相二次绕组上会分别感应出电压信号，这些信号的频率是恒定的，但幅值的外包络线会呈现出正弦和余弦的形态，并且这些信号会随着转角的变化而按正弦规律变化，两者之间保持着90°的电角度差。电机控制器的解码芯片能够依据这些正弦和余弦规律的变化，来精确判断转子的转角（即其瞬间位置）、转速以及转向。

四  主要参数和性能指标

1、 零位电压

在旋转变压器的运行过程中，当输出绕组中的感应电压达到最小值时，转子所处的位置被定义为电气零位，此时输出的电压即为零位电压，亦称剩余电压。理论上，理想的旋转变压器应具有零值的零位电压。然而，在实际应用中，由于绕组分布误差、交轴非严格正交、导磁材料磁导率不均、磁路不对称以及外部干扰等因素的存在，旋转变压器的零位电压往往不为零。通常，为了保障系统的稳定性和准确性，旋转变压器的零位电压应被控制在最大输出电压的0.1%以下。此外，零位电压中的基波电压成分通常占据较大比例，因此，对零位电压的准确测量成为评估旋转变压器性能的关键环节之一。

2、 相位移

相位移，指的是旋转变压器励磁电压与输出电压的基波分量之间的相位差异。在理想情况下，旋转变压器的相位移通常是超前的。对于控制系统而言，一定程度的相位移稳定性至关重要。当相位移保持在相对固定的范围内时，系统可以正常运行；然而，较大且不稳定的相位移可能导致系统性能下降甚至失效。在实际应用中，相位移的大小受多种因素影响。一般而言，随着旋转变压器基座号的上升和励磁频率的增加，相位移会相应减小。这是因为基座号和励磁频率的增加通常意味着更高的旋转速度和更短的响应时间，从而减少了相位延迟。另一方面，温度的上升也是影响相位移的重要因素。

随着温度的上升，旋转变压器的绕组电阻会增大，这会导致电流通过绕组时产生的磁场发生变化，进而引起相位移的增加。因此，在设计和使用旋转变压器时，必须充分考虑温度对相位移的影响，并采取相应的措施进行补偿或控制。在控制系统中，为了确保系统的稳定性和准确性，通常需要将相位移或相位移的变化控制在一定的范围内。这可以通过优化旋转变压器的设计、选择合适的基座号和励磁频率、以及采用适当的温度补偿措施来实现。通过这些措施，可以有效地减少相位移对系统性能的影响，提高系统的整体性能。

3、 变压比

旋转变压器的变压比与静止变压器的变比含义相同，但是，旋转变压器在不同转角时，磁场耦合程度不同，输出电压不同。因此，旋转变压器的变压比是指在规定励磁条件下，最大空载输出电压的基波分量与励磁电压的基波分量之比。旋转变压器的上述特点，给其变压比测量带来了一定的困难。变压比是旋转变压器的基本技术指标，一般在铭牌中标称。

4、开路输入阻抗

开路输入阻抗是旋转变压器的一个重要参数，它反映了旋转变压器在空载（即无负载连接）状态下，输入端口的阻抗特性。开路输入阻抗的大小直接影响了旋转变压器的输入电流和功率损耗。一般而言，旋转变压器的开路输入阻抗在200Ω到10kΩ之间，这个范围确保了旋转变压器在正常工作条件下，能够有效地传递电能并减少不必要的功率损耗。

5、线性误差

线性误差是指线性旋转变压器在工作角度范围内任意转子位置时的实际输出电压与理论输出电压的偏差。

式中：

δ1——线性误差；

Uθ’——在转子角度为θ时所测得的输出电压基波同相（与最大输出电压同相）分量；

Uθ——在转子角度为θ时输出电压基波同相（与最大输出电压同相）分量的理论值；

U60——在转子角度为60°时输出电压基波分量的理论值。

五  未来发展与挑战

旋转变压器行业的技术水平和特点紧密跟随制造业的需求。新能源汽车行业的崛起推动了自动化、智能化以及人机交互技术的持续进步，使得旋转变压器这一性能卓越的位置传感器在新技术、新产业中迅速演变。

首先，旋转变压器正朝着高转速应用发展。它主要用于驱动电机的位置传感，并随电机同步旋转。高转速意味着更高的功率密度和更低的能耗，因此是驱动电机的一个重要发展方向，也受到国家政策的鼓励。随着驱动电机向高转速发展，配套的旋转变压器也需在高转速下保持稳定性能。同时，高速电机信号的高频输出对解码器的高频响应提出了更高要求。至2025年，位置传感器最高工作转速达 20,000R/MIN、解码器带宽>2.5KHZ，至2030年位置传感器最高工作转速达 25,000R/MIN、解码器带宽>3.0KHZ，因此未来位置传感器的最高工作转速和解码器带宽将持续提升。

其次，旋转变压器正向着高精度方向迈进。作为位置传感器，精度是其核心性能。尽管旋转变压器在环境适应性和寿命上具有优势，但在最高精度上与其他传感器相比仍有不足。然而，随着技术的不断进步，研发人员正通过多种方式提升其精度，以拓宽其应用场景。至2030年，新一代高精度位置传感器可实现传感器与芯片集成化与深度自学习高精度修正功能，机械角的误差不大于±6′；至2035年，机械角的误差不大于±5′。

另外，高效且能源节约的电动机是我国政策大力扶持以寻求技术革新的主要领域之一。减轻重量是实现电动机高效能源利用的关键途径之一，而旋转变压器，作为一种特殊的微型电机，也作为驱动电机的关键组件——高精度位置传感器，对于提升驱动系统效率，从而降低电动机的总体能源消耗具有显著作用。伴随着“多合一电机”和“油冷电机”等新一代电驱动系统的涌现，轻量化、集成化已逐渐成为行业未来的发展趋势。旋转变压器正通过重新设计结构和改进工艺等手段进行优化，以满足未来电驱动系统的发展需求。例如，“油冷电机”改变了旋转变压器的工作环境，使其处于浸ATF油的环境中，这无疑提高了对旋转变压器的耐油性和绝缘性能的要求。