أولا المبادئ الأساسية لحساب التردد المتغير
أولاً ، لفهم التصميم ، يجب على المرء أن يفهم اختلافاته الأساسية من حلول دورات الجروح التقليدية:
كل الحل التقليدي: من الجزء الثابت والدوار لهما لفات. يتم تحفيز إشارة الإثارة وإشارة الخرجية الكهرومغناطيسية عبر فجوة الهواء.
· محلول التردد المتغير (VR): فقط الثابت له لفات . الدوار عبارة عن مكون فرومغناطيسي غير رابح مصنوع من أعمدة بارز أو بنية مسننة. يعتمد مبدأ عمله على تباين الإحجام.
o اللفات الثابتة: تتضمن عادةً لفلة الإثارة (الأولية) واثنين من اللفات المخرجات (لفات الجيب وجيب التمام ، الثانوية) التي تعامد مكانيًا (90 درجة كهربائية على صرف).
O دوران الدوار: عندما يدور الدوار مع الأعمدة البارزة ، يغير طول فجوة الهواء وتردد الدائرة المغناطيسية.
o تعديل الإشارة: يعدل التباين في التردد في فجوة الهواء (تعديل السعة) سعة الجهد الناتجة في لفائف الإخراج بواسطة المجال المغناطيسي الإثارة. أظرف السعة للفات الإخراج هي وظائف الجيوب الأنفية ودالة جيب التمام لزاوية الدوار ، على التوالي.
مزاياها هي: بنية بسيطة ، وعرة ودائمة (بدون فرش) ، وتكلفة منخفضة ، وموثوقية عالية ، وقدرة على تحمل بيئات عالية السرعة ودرجات الحرارة العالية . العيب هو أن الدقة والخطية عادة ما تكون أقل بقليل من تلك الخاصة بحلول الجروح عالية الدقة.
الثاني. عملية التصميم والاعتبارات الرئيسية
عملية التصميم تكرارية وتتبع هذه الخطوات عادة:
1. تحديد مواصفات التصميم
هذه هي نقطة الانطلاق لجميع التصميمات ويجب توضيحها أولاً:
· عدد أزواج القطب (P): يحدد العلاقة بين الزوايا الكهربائية والميكانيكية (θ_electric = p * θ_mechanical). التكوينات الشائعة هي زوج واحد للقطب (أحادي القطب) و 2 زوجين القطب (ثنائي القطب). يؤثر عدد أزواج القطب على الدقة والحد الأقصى للسرعة.
متطلبات الدقة: عادة ما يتم التعبير عنها في arcminutes (′) أو milliradians (MRAD). تتطلب التصميمات عالية الدقة متطلبات عالية للغاية على التصنيع والمواد والقمع التوافقي المجال المغناطيسي.
· إشارة الإثارة الإدخال: سعة الجهد الإثارة ، التردد (تلك الشائعة هي 4 كيلو هرتز ، 10 كيلو هرتز ، إلخ) ، الشكل الموجي (عادة الجيوب الأنفية).
· نسبة التحول (TR): نسبة جهد الخرج إلى جهد الإدخال (في موضع أقصى اقتران).
· خطأ كهربائي: يتضمن خطأ الوظيفة ، خطأ الجهد الفارغ ، خطأ الطور ، إلخ.
· بيئة التشغيل: نطاق درجة الحرارة ، الاهتزاز ، الصدمة ، الرطوبة ، تصنيف حماية الدخول (IP).
· قيود الحجم: القطر الخارجي ، التجويف الداخلي ، سمك (الطول).
· معلمات المعاوقة: مقاومة الإدخال/الإخراج ، مما يؤثر على المطابقة مع الدوائر اللاحقة.
2. التصميم الكهرومغناطيسي - الجزء الأساسي
· تصميم الثقة/التصفيح الدوار:
o اختيار المواد: عادةً ما يستخدم صفائح الصلب السيليكون ذات النفاذية العالية وفقدان الحديد المنخفض (على سبيل المثال ، DW540 ، 50JN400).
هذه مزيج القطب المقلوب: هي روح التصميم. يجب تحديد عدد فتحات الثابت (ZS) وأعمدة دوار البارز (ZR). المزيج الأكثر شيوعًا هو Zr = 2p (عدد أعمدة الدوار يساوي ضعف عدد أزواج القطب) ، و ZS هو مضاعف Zr. على سبيل المثال ، يستخدم حل أحادي القطب (P = 1) ZS = 4 ، Zr = 2 ؛ يستخدم حل ثنائي القطب (P = 2) ZS = 8 ، Zr = 4 أو Zs = 12 ، Zr = 6.
O Slot/Pole Shape: يؤثر شكل الأسنان (بالتوازي ، المدبب) على توزيع المجال المغناطيسي والمحتوى التوافقي. تحتاج الأبعاد مثل عرض الأسنان ، وعرض فتح الفتحة ، وسمك النير إلى تحسين قوة المغنطيسية الأساسية (MMF) إلى الحد الأقصى وتقليل التوافقيات الفتحة.
o فجوة الهواء: حجم فجوة الهواء هو مفاضلة حاسمة. تزيد فجوة الهواء الصغيرة من نسبة التحول وقوة الإشارة ولكنها تزيد من صعوبة التصنيع ، والحساسية للبيور ، وتموج عزم الدوران. فجوة الهواء الكبيرة لها تأثير معاكس. عادة ما تكون مصممة بين 0.05 مم - 0.25 مم.
: تصميم متعرج
o النوع: يتم استخدام اللفات الموزعة أو اللفات المركزة (الأسنان). تنتج اللفات الموزعة (لفائف واحدة تمتد فتحات متعددة) مجالًا مغناطيسيًا أكثر جيبًا ولكنها أكثر تعقيدًا للتصنيع ؛ اللفات المركزة هي أبسط ولكن لديها التوافقيات أعلى.
O CANCULATION: استنادًا إلى نسبة التحول المستهدف ، وجهد الإثارة ، والتردد ، حدد عدد المنعطفات للف الإثارة ولفات الجيب/جيب التمام من خلال الحساب الكهرومغناطيسي. يجب أن يكون عدد المنعطفات للفات الإخراج متطابقة تمامًا.
طريقة الاتصال: تأكد من أن اللفات الجيبية وجيب التمام هي 90 درجة كهربائية بشكل صارم.
3. محاكاة المجال المغناطيسي وتحسينها (محاكاة FEA) - أداة تصميم حديثة أساسية
الحسابات التحليلية البحتة معقدة للغاية وغير دقيقة بما فيه الكفاية. برنامج تحليل العناصر المحدود (FEA) (EG ، JMAG ، Ansys Maxwell ، SimCenter Magnet) ضروري.
· محاكاة المجال الثابت: حساب توزيع المجال المغناطيسي ، مصفوفة الحث ، وإمكانية الإخراج في زوايا دوار مختلفة.
· محاكاة المجال العابر: قم بتطبيق جهد الإثارة الفعلي لمحاكاة شكل موجة جهد الخرج ، مما يعكس بشكل أكثر دقة الأداء.
· تحسين حدودي: قم بإجراء عمليات مسح حدودي وتحسين أبعاد المفتاح مثل شكل الأسنان ، وفجوة الهواء ، وفتح الفتحة لتقليل الخطأ (على سبيل المثال ، THD) وزيادة نسبة التحول.
· تحليل الخطأ: حساب الخطأ الكهربائي من خلال المحاكاة وتحليل مصادر الخطأ (على سبيل المثال ، التوافقيات ، تأثير التسكين ، تأثير التشبع).
4. تصميم الهيكل الميكانيكي
· الإسكان والمحامل: صمم هيكل الدعم وحدد المحامل المناسبة لضمان التركيز بين الدوار والثابت والحد الأدنى من اختلاف فجوة الهواء ، في حين يصادف الاهتزاز والصدمة المحددة.
· اتصال العمود: تصميم المفاتيح ، أو التجويف السلس ، أو واجهة مؤازرة لضمان اتصال موثوق به ونقل خالٍ من ردود الفعل مع عمود المحرك.
· الإدارة الحرارية: فكر في توليد الحرارة من اللفات وفقدان الحديد لمنع ارتفاع درجة الحرارة في بيئات درجات الحرارة العالية. تصميم المسار الحراري ضروري في بعض الأحيان.
· التدريع الكهرومغناطيسي: أضف درعًا إذا لزم الأمر لمنع التداخل من الحقول المغناطيسية الخارجية.
5. اعتبارات دائرة معالجة الإشارات
على الرغم من أنه ليس جزءًا من تصميم الجسم المحلول ، إلا أنه يجب اعتباره بشكل تآزري:
· RDC (المحول إلى الرقم الرقمي): حدد رقاقة RDC (على سبيل المثال ، AD2S1205 ، AU6802) التي تتطابق مع معاودة الحل وتردد الإثارة. مطلوب مطابقة مقاومة المدخلات أثناء التصميم.
· دائرة محرك الإثارة: تتطلب دائرة تشغيل الطاقة القدرة على توفير موجة جيبية نظيفة ومستقرة.
دائرة التصفية: تصفية إشارات الإخراج لقمع الضوضاء عالية التردد والتوافقيات.
ثالثا. تحديات التصميم والتقنيات الرئيسية
1. القمع التوافقي: نظرًا لعدم الخطية لتباين الإحجام ، فإن جهد الخرج لمحلل VR يحتوي على التوافقيات الغنية ، والتي هي السبب الرئيسي للخطأ. طرق مثل تحسين الجمع بين القطب ، المنحرفة (فتحات أو أعمدة) ، وإضافة فتحات مساعدة على أسنان الجزء الثابت يمكن أن تقمع بشكل فعال التوافقيات.
2. موازنة الدقة والتكلفة: تتضمن الدقة العالية الآلات الأكثر دقة (فجوة هواء أصغر ، تركيز أعلى) ، مواد عالية الجودة (فولاذ سيليكون أعلى) ، تصميمات أكثر تعقيدًا (على سبيل المثال ، المزيد من أزواج القطب ، فتحات كسرية) ، وعمليات أكثر صرامة ، مما يؤدي إلى زيادة التكاليف بشكل حاد.
3. انجراف درجة الحرارة: تتغير مقاومة اللفات وخصائص الصلب السيليكون مع درجة الحرارة ، مما يسبب السعة والانجراف الطور. هناك حاجة إلى تعويض في الدائرة أو البرنامج ، أو يجب اختيار مواد ذات استقرار درجة حرارة جيدة أثناء التصميم الكهرومغناطيسي.
ملخص
توصيات التصميم:
1. ابدأ بالمواصفات: أولاً ، فهم بدقة المتطلبات المحددة لسيناريو التطبيق الخاص بك فيما يتعلق بالدقة والحجم والبيئة.
2. الاستفادة من الحلول المؤكدة: ابدأ بمجموعات كلاسيكية من القطب (على سبيل المثال ، 4-2 ، 8-4) ، لأنها نقطة انطلاق محققة وموثوقة.
3. التصميم الذي يحركه المحاكاة: لا تتوقف عند الحسابات النظرية ؛ استخدم برنامج FEM فورًا لإنشاء نموذج حدودي للمحاكاة والتحسين. هذا هو المفتاح لتحسين معدلات نجاح التصميم وتقصير دورات التطوير.
4. التكرار والاختبار: بعد بناء نموذج أولي ، إجراء اختبارات أداء شاملة (الخطأ ، ارتفاع درجة الحرارة ، الاهتزاز ، إلخ) ، مقارنة بنتائج المحاكاة ، وتحليل أسباب الاختلافات ، والمضي قدماً في تكرار التصميم التالي.
5. فكر على مستوى النظام: ضع في اعتبارك وتصحيحه مستشعر الحلول ودائرة RDC المصب كنظام متكامل.
يعد تصميم حلول التردد المتغير تقنية عملية للغاية تتطلب دورات متكررة من النظرية والمحاكاة والتجريب.
