§4.3.Многополюсные преобразователи угла

В системах автоматического управления и контроля наибольшее распространение получили три типа многополюсных электромашинных преобразователей угла: многополюсные вращающиеся трансформаторы, индукционные редуктосины и индуктосины.
   Как будет показано далее, многополюсные преобразователи позволят повысить точность преобразования и передачи угла путем создания двухканальных систем: с каналом грубого отсчета на двухполюсных ВТ и каналом точного отсчета на многополюсных преобразователях.

Многополюсные ВТ имеют такую же конструктивную схему, что и двухполюсные (см. рис. 4.4). Отличие заключается в том, что обмотки статора и ротора выполняются многополюсными (р_м>1) и их взаимоиндуктивность изменяется по закону

М_c=М_maxsin р_мΘ; М_к=М_maxcos р_мΘ   (4.18)

Соответственно уравнения, полученные в параграфе 4.2 для двухполюсных ВТ, справедливы и для симметричных многополюсных вращающихся трансформаторов, если характеристики рассматривать в функции электрического угла Θ_э=р_мΘ.
   Выпускаются и так называемые двухканальные ВТ, у которых на статоре и роторе в единой магнитной системе расположены двух- и много- полюсные обмотки. Если двухполюсная и многополюсная обмотки создают синусоидально распределенные ЭДС, то между ними нет потокосцепления взаимоиндукции и работа каналов является независимой. При этом снижаются габариты и масса устройства, упрощается совмещение нулей каналов грубого и точного отсчета.

Индукционные редуктосины – это по сути многополюсные вращающиеся трансформаторы с безобмоточным ротором. Статор редуктосина выполняется из листовой электротехнической стали или пермаллоя и имеет большое число зубцов Z₁ на внутренней поверхности. Ротор выполняется в виде зубчатого колеса из электротехнической стали или также изготавливается из листового материала. Поскольку редуктосины часто используются в аналого-цифровых преобразователях, число зубцов ротора Z₂ делают равным 2ⁿ (32, 64, 128). Соотношение Z₁/Z₂ может быть различным. В любом случае редуктосин состоит из определенного числа повторяющихся (элементарных) редуктосинов, равного наибольшему общему делителю Z₁ и Z₂.

Рис 4.8

На рис. 4.8, а в качестве примера изображена конструктивная схема повторяющейся части при Z₁/Z₂=5/4.
   Первичная обмотка возбуждения В и выходные синусная С и косинусная К обмотки расположены на статоре. Катушки обмотки возбуждения размещены на каждом из зубцов, катушки выходных обмоток чередуются друг с другом. Выходные обмотки имеют дифференциальную схему соединения катушек, т.е. в каждой из пар катушки включены встречно по отношению к катушкам возбуждения. При протекании переменного тока по обмотке возбуждения создается поток, который наводит ЭДС взаимоиндукции во всех катушках выходных обмоток. ЭДС взаимоиндукции каждой катушки выходной обмотки определяется взаимоиндуктивностью с катушкой возбуждения, расположенной на том же зубце, взаимоиндуктивность в свою очередь определяется проводимостью воздушного зазора под зубцом. В редуктосине эта проводимость Λ является функцией угла поворота ротора Θ (рис. 4.8,б) и имеет постоянную Λ₀ и переменную Λ_пер составляющие; последняя изменяется с периодом 360°/Z₂. При дифференциальной схеме ЭДС взаимоиндукции, определяемые проводимостью Λ₀, в парах катушек вычитается, а проводимостью Λ_пер- складываются. Результирующие взаимоиндуктивности выходных обмоток будут изменяться по закону

М_c=М_max sin Z₂Θ; М_к=М_max cos Z₂Θ   (4.19)

Из сравнения (4.18) и (4.19) видно, что в индукционном редуктосине число пар полюсов электромагнитной системы рм равно числу зубцов ротора.
   В реальных индукционных редуктосинах с целью уменьшения погрешности отображения функциональной (синусоидальной и косинусоидальной) зависимости выходные обмотки выполняются с “синусной” схемой распределения витков по катушкам, и катушки каждой из обмоток располагаются на всех зубцах.
   Существенным достоинством индукционных редуктосинов является высокая надежность благодаря отсутствию скользящих контактов. Однако уровень сигнала у них ниже, чем у классических многополюсных ВТ.

Поворотный индуктосин представляет собой многополюсный поворотный трансформатор с плоским, а не цилиндрическим воздушным зазором и печатными обмотками на статоре и роторе (рис. 4.9а).

Рис 4.9

В корпусе 1 расположены два диска – статор 2 и ротор 3, выполненные из изоляционного материала: керамики, стекла или пластмассы. На торцевых поверхностях дисков, обращенных друг к другу, расположены печатные обмотки, выполненные методом фотолитографии. На роторе (рис. 4.9б) обычно расположена однофазная обмотка возбуждения, у которой число проводников равно требуемому числу полюсов. Число пар полюсов в зависимости от области применения либо делают равным 2ⁿ (32-256), либо 180, 360. Напряжение переменного тока подается на обмотку ротора через контактные кольца 5, укрепленные на валу 4, и щетки 6 (рис. 4.9а). На статоре расположены две многополюсные обмотки, сдвинутые на электрический угол 90°, – синусная и косинусная.
   При подаче переменного напряжения на обмотку возбуждения по ней течет ток и создается магнитный поток Ф, который наводит ЭДС взаимоиндукции в выходных обмотках статора. При повороте ротора изменяется взаимоиндуктивность обмоток статора и ротора и соответственно наводимые в обмотках статора ЭДС. При соответствующем выборе ширины проводников, их скоса и шага катушек взаимоиндуктивность будет изменяться по гармоническому закону, определяемому соотношениями (4.18).
   Достоинствами индуктосинов являются простота конструкции, высокая технологичность и точность изготовления обмоток методами фотолитографии, отсутствие влияния нестабильности характеристик ферромагнитных материалов. У современных индуктосинов асимметрия нулевых положений не превышает 1 – 3 угловых секунд. Недостатком индуктосинов является низкий уровень выходного сигнала- порядка 10–20 мВ. Объясняется это отсутствием магнитопроводов – мал поток Ф, и малым числом витков в выходных обмотках, а, как известно трансформаторная ЭДС Е=4,44 f Ф_mw. Уровень выходного сигнала может быть повышен за счет частоты f, поэтому современные индуктосины работают на частотах до 10 –100 кГц.
   В заключение следует отметить, что в настоящее время изготавливаются также линейные редуктосины и индуктосины, непосредственно измеряющие линейные перемещения. Электромагнитная система таких устройств представляет собой развернутую на плоскости электромагнитную систему соответствующих поворотных устройств.