一  何為旋轉(zhuǎn)變壓器

新能源汽車上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)目前多采用永磁同步電動(dòng)機(jī)。在工作時(shí)，外部旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與內(nèi)部轉(zhuǎn)子需同速旋轉(zhuǎn)，且旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁極與轉(zhuǎn)子磁極之間要保持一定的夾角。因此，電機(jī)控制器必須實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速，這時(shí)位置傳感器就扮演了關(guān)鍵角色。位置傳感器主要有電磁式（如旋轉(zhuǎn)變壓器）、光電式（如光電編碼器）和磁敏式（如霍爾位置傳感器）。其中，旋轉(zhuǎn)變壓器作為電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的核心部件，負(fù)責(zé)感知電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置和速度，并將這些信息轉(zhuǎn)換為信號(hào)反饋給電機(jī)控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的精準(zhǔn)操控。其精度不僅影響整車的能耗和駕乘體驗(yàn)，更關(guān)乎整車的可靠性及乘客安全。

旋轉(zhuǎn)變壓器的歷史，可以追溯到上個(gè)世紀(jì)60年代。由于早期旋轉(zhuǎn)變壓器的信號(hào)處理電路相對(duì)復(fù)雜且價(jià)格高昂，它的使用場(chǎng)景受到了一定程度的約束。然而，它無(wú)可比擬的可靠性和高精度特點(diǎn)，在多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域如軍事、航天、航空、航海等仍占據(jù)核心地位。隨著電子工業(yè)的快速發(fā)展，電子元器件的集成度不斷提高，帶來(lái)了成本的顯著降低。同時(shí)，信號(hào)處理技術(shù)的進(jìn)步極大地簡(jiǎn)化了旋轉(zhuǎn)變壓器的信號(hào)處理電路，在提高可靠性的同時(shí)也大幅降低了成本。此外，軟件解碼技術(shù)的引入進(jìn)一步提升了信號(hào)處理的靈活性和便捷性。新能源車行業(yè)的快速進(jìn)步也為旋轉(zhuǎn)變壓器帶來(lái)了更廣闊的應(yīng)用空間，使其優(yōu)勢(shì)得到進(jìn)一步的發(fā)揮。

二  結(jié)構(gòu)和工作原理

1、 結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)變壓器，亦被稱為旋變，是一種特別的信號(hào)元件，其特性在于輸出電壓會(huì)隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的變化而改變。旋轉(zhuǎn)變壓器的工作機(jī)制在很大程度上與普通變壓器相似，然而，它們之間也存在顯著差異。普通變壓器的一次繞組和二次繞組是固定安裝的，因此其輸出電壓與輸入電壓之間的比率始終保持為一個(gè)常數(shù)。相反，旋轉(zhuǎn)變壓器的一次繞組和二次繞組并非固定安裝，而是具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這一點(diǎn)可以在圖示中得到直觀展示。

2、 工作原理

旋轉(zhuǎn)變壓器的一個(gè)關(guān)鍵構(gòu)造特點(diǎn)，那就是它的一次鐵芯和二次鐵芯是相互獨(dú)立的，沒(méi)有直接連接。在實(shí)際操作中，我們將一次繞組連接到單相正弦交流電源上，并使其隨著鐵芯以逆時(shí)針?lè)较蜻M(jìn)行旋轉(zhuǎn)，而二次繞組則保持固定不動(dòng)。這樣的設(shè)計(jì)構(gòu)成了一個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，為后續(xù)的電壓變換提供了基礎(chǔ)。

伴隨著一次繞組和二次繞組之間相對(duì)角度的不斷變化，一個(gè)有趣的現(xiàn)象發(fā)生了。在二次側(cè)，我們會(huì)觀察到輸出的電壓波形雖然頻率保持不變，但其幅值卻在持續(xù)變化。這種變化遵循著一種特定的模式，這種模式與兩者之間的相對(duì)角度密切相關(guān)。為了更直觀地展示這種關(guān)系，下表詳細(xì)記錄了不同角度下二次側(cè)電壓的幅值變化。

旋轉(zhuǎn)變壓器的核心機(jī)制在于，一次繞組相對(duì)于二次繞組的旋轉(zhuǎn)角度會(huì)直接影響二次繞組的電壓輸出。換句話說(shuō)，旋轉(zhuǎn)的角度成為了決定電壓輸出波形的關(guān)鍵因素。而這一特性也為我們提供了一種反向推理的可能性：只需檢測(cè)二次繞組的電壓曲線，我們就可以反過(guò)來(lái)推算出一次繞組的旋轉(zhuǎn)角度。無(wú)論是在電機(jī)控制、位置檢測(cè)，還是在自動(dòng)化系統(tǒng)中，這一原理都發(fā)揮著不可或缺的作用。這正是旋轉(zhuǎn)變壓器基本工作原理的精髓所在。

三  旋轉(zhuǎn)變壓器的種類

旋轉(zhuǎn)變壓器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；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；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；按照轉(zhuǎn)子上有無(wú)繞組可以分為無(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器和磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器。下面介紹兩種常見(jiàn)的類型。

1、正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器

從上述中可以看出，當(dāng)一次繞組完成一整周（360°）的旋轉(zhuǎn)時(shí)，每個(gè)電壓輸出波形均會(huì)與兩個(gè)特定的角度位置相對(duì)應(yīng)，且這兩個(gè)位置的角度和恒定為360°。為了消除這種位置對(duì)應(yīng)關(guān)系的不確定性，我們采用了同時(shí)使用兩個(gè)相互垂直的二次繞組的方法，具體可參見(jiàn)圖示。這兩個(gè)繞組的輸出電壓間存在90°的相位差異，其中一個(gè)繞組的輸出波形外輪廓呈現(xiàn)為正弦（SIN）曲線，而另一個(gè)繞組則展現(xiàn)出余弦（COS）曲線的外輪廓。通過(guò)綜合利用這兩條電壓曲線，我們可以精確地反推出一次繞組的唯一旋轉(zhuǎn)位置。這種特殊設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)變壓器被稱作正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，它代表了旋轉(zhuǎn)變壓器的一種基礎(chǔ)構(gòu)型。在這里，一次繞組也被稱為勵(lì)磁繞組，而兩個(gè)二次繞組則分別被命名為正弦繞組和余弦繞組。

2、 磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器

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)，由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，如圖所示。

A. 定子。在磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器中，一次繞組與二次繞組均被精心安裝在定子鐵芯內(nèi)圓面的獨(dú)特凸極之上（當(dāng)勵(lì)磁線圈通電后，這些凸極即成為磁極），且所有繞組均穩(wěn)固不動(dòng)。一次繞組（亦稱為勵(lì)磁繞組或輸入繞組）中輸入的是正弦勵(lì)磁電流，而兩相二次繞組（也被稱為信號(hào)繞組或輸出繞組）以相互垂直的方式配置，從而產(chǎn)生輸出信號(hào)。旋轉(zhuǎn)變壓器的定子由鐵鎳軟磁合金或由沖有特定槽孔的硅鋼片層層疊加而成。值得注意的是，旋轉(zhuǎn)變壓器的定子與轉(zhuǎn)子的磁極數(shù)目并不相同，定子的磁極數(shù)目多于轉(zhuǎn)子。定子部分被牢固地安裝在電機(jī)的殼體之上。在定子鐵芯的凸極上，一次繞組采用逐極反向串接的方式，而兩相二次繞組則以兩個(gè)磁極為間隔進(jìn)行反向串接。

B. 轉(zhuǎn)子。在磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器中，轉(zhuǎn)子部分并未配置繞組，而是完全由鐵芯構(gòu)成，其所用材料與定子鐵芯相同。轉(zhuǎn)子的鐵芯外圓面上分布著凸極。為了確保氣隙磁場(chǎng)近似為正弦形狀，并滿足特定的極數(shù)要求，轉(zhuǎn)子凸極的形狀需經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)。通常情況下，轉(zhuǎn)子會(huì)采用兩對(duì)極（2X）或更多極的形狀。顯然，轉(zhuǎn)子的形狀不僅決定了極對(duì)數(shù)，還定義了氣隙磁場(chǎng)的形態(tài)。磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器通常采用分裝式設(shè)計(jì)，各部分并不組合在一起。轉(zhuǎn)子被安裝在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，與電機(jī)保持同步旋轉(zhuǎn)。

在工作狀態(tài)下，一次繞組會(huì)接入頻率低于10KHZ的正弦交流電源，以此作為勵(lì)磁信號(hào)。當(dāng)轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)，定子與轉(zhuǎn)子間的氣隙及磁阻會(huì)經(jīng)歷持續(xù)的變化。每當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)凸極，氣隙和磁阻就會(huì)完成一個(gè)周期的變化。當(dāng)轉(zhuǎn)子完成一整周的旋轉(zhuǎn)時(shí)，氣隙和磁阻的變化周期數(shù)便與轉(zhuǎn)子的凸極數(shù)目相等。這里，轉(zhuǎn)子的凸極數(shù)目實(shí)質(zhì)上等同于磁阻式多極旋轉(zhuǎn)變壓器的極對(duì)數(shù)。有資料顯示，旋轉(zhuǎn)變壓器的極對(duì)數(shù)與被測(cè)電機(jī)的極對(duì)數(shù)是一致的。氣隙和磁阻的變化會(huì)進(jìn)一步引起一次繞組和二次繞組之間互感的變化，從而使得二次繞組所感應(yīng)到的電勢(shì)也隨之發(fā)生變動(dòng)。基于磁阻變化的原理，兩相二次繞組上會(huì)分別感應(yīng)出電壓信號(hào)，這些信號(hào)的頻率是恒定的，但幅值的外包絡(luò)線會(huì)呈現(xiàn)出正弦和余弦的形態(tài)，并且這些信號(hào)會(huì)隨著轉(zhuǎn)角的變化而按正弦規(guī)律變化，兩者之間保持著90°的電角度差。電機(jī)控制器的解碼芯片能夠依據(jù)這些正弦和余弦規(guī)律的變化，來(lái)精確判斷轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角（即其瞬間位置）、轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)向。

四  主要參數(shù)和性能指標(biāo)

1、 零位電壓

在旋轉(zhuǎn)變壓器的運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)輸出繞組中的感應(yīng)電壓達(dá)到最小值時(shí)，轉(zhuǎn)子所處的位置被定義為電氣零位，此時(shí)輸出的電壓即為零位電壓，亦稱剩余電壓。理論上，理想的旋轉(zhuǎn)變壓器應(yīng)具有零值的零位電壓。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，由于繞組分布誤差、交軸非嚴(yán)格正交、導(dǎo)磁材料磁導(dǎo)率不均、磁路不對(duì)稱以及外部干擾等因素的存在，旋轉(zhuǎn)變壓器的零位電壓往往不為零。通常，為了保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，旋轉(zhuǎn)變壓器的零位電壓應(yīng)被控制在最大輸出電壓的0.1%以下。此外，零位電壓中的基波電壓成分通常占據(jù)較大比例，因此，對(duì)零位電壓的準(zhǔn)確測(cè)量成為評(píng)估旋轉(zhuǎn)變壓器性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

2、 相位移

相位移，指的是旋轉(zhuǎn)變壓器勵(lì)磁電壓與輸出電壓的基波分量之間的相位差異。在理想情況下，旋轉(zhuǎn)變壓器的相位移通常是超前的。對(duì)于控制系統(tǒng)而言，一定程度的相位移穩(wěn)定性至關(guān)重要。當(dāng)相位移保持在相對(duì)固定的范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)可以正常運(yùn)行；然而，較大且不穩(wěn)定的相位移可能導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降甚至失效。在實(shí)際應(yīng)用中，相位移的大小受多種因素影響。一般而言，隨著旋轉(zhuǎn)變壓器基座號(hào)的上升和勵(lì)磁頻率的增加，相位移會(huì)相應(yīng)減小。這是因?yàn)榛?hào)和勵(lì)磁頻率的增加通常意味著更高的旋轉(zhuǎn)速度和更短的響應(yīng)時(shí)間，從而減少了相位延遲。另一方面，溫度的上升也是影響相位移的重要因素。

隨著溫度的上升，旋轉(zhuǎn)變壓器的繞組電阻會(huì)增大，這會(huì)導(dǎo)致電流通過(guò)繞組時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)發(fā)生變化，進(jìn)而引起相位移的增加。因此，在設(shè)計(jì)和使用旋轉(zhuǎn)變壓器時(shí)，必須充分考慮溫度對(duì)相位移的影響，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行補(bǔ)償或控制。在控制系統(tǒng)中，為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，通常需要將相位移或相位移的變化控制在一定的范圍內(nèi)。這可以通過(guò)優(yōu)化旋轉(zhuǎn)變壓器的設(shè)計(jì)、選擇合適的基座號(hào)和勵(lì)磁頻率、以及采用適當(dāng)?shù)臏囟妊a(bǔ)償措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)這些措施，可以有效地減少相位移對(duì)系統(tǒng)性能的影響，提高系統(tǒng)的整體性能。

3、 變壓比

旋轉(zhuǎn)變壓器的變壓比與靜止變壓器的變比含義相同，但是，旋轉(zhuǎn)變壓器在不同轉(zhuǎn)角時(shí)，磁場(chǎng)耦合程度不同，輸出電壓不同。因此，旋轉(zhuǎn)變壓器的變壓比是指在規(guī)定勵(lì)磁條件下，最大空載輸出電壓的基波分量與勵(lì)磁電壓的基波分量之比。旋轉(zhuǎn)變壓器的上述特點(diǎn)，給其變壓比測(cè)量帶來(lái)了一定的困難。變壓比是旋轉(zhuǎn)變壓器的基本技術(shù)指標(biāo)，一般在銘牌中標(biāo)稱。

4、開(kāi)路輸入阻抗

開(kāi)路輸入阻抗是旋轉(zhuǎn)變壓器的一個(gè)重要參數(shù)，它反映了旋轉(zhuǎn)變壓器在空載（即無(wú)負(fù)載連接）狀態(tài)下，輸入端口的阻抗特性。開(kāi)路輸入阻抗的大小直接影響了旋轉(zhuǎn)變壓器的輸入電流和功率損耗。一般而言，旋轉(zhuǎn)變壓器的開(kāi)路輸入阻抗在200Ω到10kΩ之間，這個(gè)范圍確保了旋轉(zhuǎn)變壓器在正常工作條件下，能夠有效地傳遞電能并減少不必要的功率損耗。

5、線性誤差

線性誤差是指線性旋轉(zhuǎn)變壓器在工作角度范圍內(nèi)任意轉(zhuǎn)子位置時(shí)的實(shí)際輸出電壓與理論輸出電壓的偏差。

式中：

δ1——線性誤差；

Uθ’——在轉(zhuǎn)子角度為θ時(shí)所測(cè)得的輸出電壓基波同相（與最大輸出電壓同相）分量；

Uθ——在轉(zhuǎn)子角度為θ時(shí)輸出電壓基波同相（與最大輸出電壓同相）分量的理論值；

U60——在轉(zhuǎn)子角度為60°時(shí)輸出電壓基波分量的理論值。

五  未來(lái)發(fā)展與挑戰(zhàn)

旋轉(zhuǎn)變壓器行業(yè)的技術(shù)水平和特點(diǎn)緊密跟隨制造業(yè)的需求。新能源汽車行業(yè)的崛起推動(dòng)了自動(dòng)化、智能化以及人機(jī)交互技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，使得旋轉(zhuǎn)變壓器這一性能卓越的位置傳感器在新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)中迅速演變。

首先，旋轉(zhuǎn)變壓器正朝著高轉(zhuǎn)速應(yīng)用發(fā)展。它主要用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的位置傳感，并隨電機(jī)同步旋轉(zhuǎn)。高轉(zhuǎn)速意味著更高的功率密度和更低的能耗，因此是驅(qū)動(dòng)電機(jī)的一個(gè)重要發(fā)展方向，也受到國(guó)家政策的鼓勵(lì)。隨著驅(qū)動(dòng)電機(jī)向高轉(zhuǎn)速發(fā)展，配套的旋轉(zhuǎn)變壓器也需在高轉(zhuǎn)速下保持穩(wěn)定性能。同時(shí)，高速電機(jī)信號(hào)的高頻輸出對(duì)解碼器的高頻響應(yīng)提出了更高要求。至2025年，位置傳感器最高工作轉(zhuǎn)速達(dá) 20,000R/MIN、解碼器帶寬>2.5KHZ，至2030年位置傳感器最高工作轉(zhuǎn)速達(dá) 25,000R/MIN、解碼器帶寬>3.0KHZ，因此未來(lái)位置傳感器的最高工作轉(zhuǎn)速和解碼器帶寬將持續(xù)提升。

其次，旋轉(zhuǎn)變壓器正向著高精度方向邁進(jìn)。作為位置傳感器，精度是其核心性能。盡管旋轉(zhuǎn)變壓器在環(huán)境適應(yīng)性和壽命上具有優(yōu)勢(shì)，但在最高精度上與其他傳感器相比仍有不足。然而，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，研發(fā)人員正通過(guò)多種方式提升其精度，以拓寬其應(yīng)用場(chǎng)景。至2030年，新一代高精度位置傳感器可實(shí)現(xiàn)傳感器與芯片集成化與深度自學(xué)習(xí)高精度修正功能，機(jī)械角的誤差不大于±6′；至2035年，機(jī)械角的誤差不大于±5′。

另外，高效且能源節(jié)約的電動(dòng)機(jī)是我國(guó)政策大力扶持以尋求技術(shù)革新的主要領(lǐng)域之一。減輕重量是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)高效能源利用的關(guān)鍵途徑之一，而旋轉(zhuǎn)變壓器，作為一種特殊的微型電機(jī)，也作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的關(guān)鍵組件——高精度位置傳感器，對(duì)于提升驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率，從而降低電動(dòng)機(jī)的總體能源消耗具有顯著作用。伴隨著“多合一電機(jī)”和“油冷電機(jī)”等新一代電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的涌現(xiàn)，輕量化、集成化已逐漸成為行業(yè)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。旋轉(zhuǎn)變壓器正通過(guò)重新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和改進(jìn)工藝等手段進(jìn)行優(yōu)化，以滿足未來(lái)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展需求。例如，“油冷電機(jī)”改變了旋轉(zhuǎn)變壓器的工作環(huán)境，使其處于浸ATF油的環(huán)境中，這無(wú)疑提高了對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器的耐油性和絕緣性能的要求。