旋转变压器在混合动力汽车中的应用
深圳市艾而特工业设备公司 姜叶平

引子
 随着世界各国环境保护措施越来越严格，用环保型汽车替代普通燃油发动机汽车将成为今后汽车发展的主流，目前已经出现的环保汽车有：太阳能汽车、氢能源汽车、燃料电池汽车、混合动力汽车等等。但是在这些车型中， 目前只有混合动力汽车真正具有实用推广价值。

  混合动力汽车的动力系统以动力传输路线分类，可分为串联式、并联式和混联式等三种。

  不管采用何种方式，在电动机参与传动时都需要速度反馈，控制器接收到速度反馈信号后控制电动机驱动机构将车速稳定在目标速度， 也可以根据速度选择传动方式。

  常用的速度反馈元件有旋转编码器，霍尔速度传感器、旋转变压器（简称旋变）。

  从功能上来讲，三者都能完成速度反馈的功能，但是编码器由于码盘防护等级不高，容易震坏，虽然有较高的分辨率，但是维修频率高，从而影响整台车质量可靠性；霍尔速度传感器价格便宜、 但是分辨率低，使得控制精度受到限制， 而且霍尔元件长时间受热后磁性会减弱，所以使用寿命不长；旋转变压器由于转子和定子分离，无接触，而且采用无刷设计，所以有很高的防护等级，能耐高强度的震动，不怕水和油污，使用寿命可以长达数十年，另外采用专用的转换芯片解码，可以将旋变输出的模拟信号转换为数字信号，有和旋转编码器相当的解码精度。
    
因此，做为混合动力汽车的速度反馈元件，旋变可以说一种比较理想的选择。

在旋转变压器各生产厂家中，日本多摩川的产品有较强的针对性，它生产的旋变起初主要是提供给丰田做混合动力汽车，后陆续发展成系列，并且被凌志、福特等汽车厂家广泛采用。

多摩川旋变结构和原理
      如图1所示是日本多摩川一款称为Singlsyn的旋变结构图，它分转子和定子两部分。转子由硅钢片叠成。硅钢片的外形轮廓视旋变极数而定，图中旋变为1对极， 转子外形似椭圆状。
定子上开有齿槽，一相初极励磁线圈和两相次极输出线圈都绕在齿槽内，定子旋转改变和定子之间空气厚度，从而改变初、次极绕组间的耦合系数。使得在初极输入交流励磁电压的情况下，输出电压的幅度和转子转过的角度成比例。用数学表达式可以表示成：
ES1-S3=ER1-R2XSinθ  (次极Sin相输出)
ES2-S4=ER1-R2XCosθ  (次极Cos相输出)
ER1-R2为初极励磁电压，θ为转子转过的角度。
令θ=ωt，即转子做匀速运动， 那么其输出信号的函数曲线可表示为图3所示，


等效电路图如图2所示。
     
 
图1                                        图2

     旋变解码时将Sin相乘以cosα，Cos相乘以sinα，两相相减，得如下等式：
Vsr=kEsinωt(sinθ*cosα-cosθ*sinα)
=kEsinωt*sin(θ-α)
可以用α逐次逼近θ值，使得Vsr=0，此时θ=α，那么即可解码出转子转角。

     多摩川的解码芯片AU6802N1系列就是利用这一原理设计的，目前已经在丰田等多款混合动力车上应用。
 
图3
安装应用
     图4是旋变实物图。这是一款分体式的旋变，定子和转子分开。主要用在混合动力汽车上。
混合动力汽车由电动机驱动时必须检测电动机的转速，应用旋变时需要将其转子安装在马达轴上检测其速度，当然也可以通过其他耦合方式检测。
安装在电机内部时，由于马达内部的磁场会影响旋变本身的磁通量变化率，从而影响其解码精度，因此必须加装屏蔽罩。并且在旋变的输出线上套上屏蔽线，降低空间电磁干扰。采用这种安装方法将使旋变得到很好的保护，不会受到灰尘、油污等的影响， 因此旋变使用寿命长，故障率低， 是一种理想的使用方法。目前丰田、凌志等就是采用这种方法，而且经实践检验确实非常可靠。
但是由于轴径的限制，因为多摩川的旋变轴径最大不超过52mm，而国内的混合动力车电动机轴径可能要大于这一参数， 所以现有的旋变尺寸不能保证全部可以安装在电机轴上。这样可以采用另一种方法，用同步带将电动机轴带动一个小轴径同步轮，再将旋变安装在同步轮上也可以检测马达速度。这种方法可以实现旋变在混合动力车上的应用， 但是安装成本高， 而且旋变受外部环境影响，需要一定的保护措施。但是由于可以采用小轴径旋变，所以成本较低。如果安装处理妥当， 同样可以得到很好的整体性能。国内混合动力汽车生产厂家象五洲龙等著名厂商就是采用这种方法，并且取得了很好的效果。





图4
   图5是丰田混合动力汽车的动力部分展示图，图中旋变安装在电动机主轴上。











旋变的输出信号是连续变化的模拟信号，用户一般不能直接使用，需转换为方波信号方可。
针对自己生产的旋变，多摩川已经开发出相应的解码芯片AU6802N1和AU6803支持旋变解码，本公司也已经推出了完整的解码板，可以支持多款旋变。解析度为1024C/T。
旋变特征
1、    超薄尺寸  作为内置型结构，Singlsyn实现了超薄设计和装配。
2、    允许工作温度范围  -55℃~+155℃
3、    防护等级高  耐震动和冲击
4、    高旋转速度  最高可以达到30000 RPM
5、    高可靠性  Singlsyn由于采用了和马达相似的结构，但是由于转子无绕线， 因此具有很高的可靠性。
6、    低成本  通过减少元件数目大幅度的降低了旋变的成本。