I. Základní principy rozlišovačů proměnné reluktance
Abychom porozuměli konstrukci, musíme nejprve porozumět jejím základním rozdílům od tradičních rozkladačů vinutých rotorů:
· Tradiční Resolver:
Stator i rotor mají vinutí. Budicí signál a výstupní signál jsou elektromagneticky indukovány přes vzduchovou mezeru.
· Resolver s proměnnou reluctancí (VR):
Pouze stator má vinutí . Rotor je
nenavinutý feromagnetický komponent vyrobený z vyčnívajících pólů nebo ozubené konstrukce. Jeho pracovní princip je založen na
variaci odporu.
o Statorová vinutí:
Obvykle obsahují jedno budicí vinutí (primární) a dvě výstupní vinutí (sinusové a kosinusové vinutí, sekundární), které jsou prostorově ortogonální (od sebe 90 elektrických stupňů).
o Rotace rotoru:
Když se rotor s vyčnívajícími póly otáčí, mění se délka vzduchové mezery a reluktance magnetického obvodu.
o Modulace signálu:
Změna reluktance vzduchové mezery moduluje (amplitudová modulace) amplitudu napětí indukovanou ve výstupních vinutích budícím magnetickým polem. Amplitudové obálky dvou výstupních vinutí jsou sinusové a kosinusové funkce úhlu rotoru.
Jeho výhody jsou: jednoduchá konstrukce, robustní a odolný (bezkartáčový), nízká cena, vysoká spolehlivost, schopnost odolat vysokorychlostnímu a vysokoteplotnímu prostředí . Nevýhodou je, že přesnost a linearita jsou obvykle o něco nižší než u vysoce přesných rozkladačů vinutých rotorů.
II. Proces návrhu a klíčové aspekty
Proces návrhu je iterativní a obvykle se řídí těmito kroky:
1. Definujte specifikace návrhu
Toto je výchozí bod pro všechny návrhy a musí být nejprve objasněn:
· Počet pólových párů (P):
Určuje vztah mezi elektrickými a mechanickými úhly (θ_electric = P * θ_mechanical). Běžné konfigurace jsou 1 pólový pár (unipolární) a 2 pólový pár (bipolární). Počet párů pólů ovlivňuje přesnost a maximální rychlost.
· Požadavky na přesnost:
Obvykle se vyjadřuje v úhlových minutách (′) nebo miliradiánech (mrad). Vysoce přesné konstrukce vyžadují extrémně vysoké nároky na výrobu, materiály a harmonické potlačení magnetického pole.
· Vstupní budící signál:
Amplituda budícího napětí, frekvence (běžné jsou 4kHz, 10kHz atd.), průběh (obvykle sinusový).
· Transformační poměr (TR):
Poměr výstupního napětí ke vstupnímu napětí (v poloze maximální vazby).
· Elektrická chyba:
Zahrnuje funkční chybu, chybu nulového napětí, chybu fáze atd.
· Provozní prostředí:
Rozsah teplot, vibrace, nárazy, vlhkost, stupeň ochrany proti vniknutí (IP).
· Omezení velikosti:
Vnější průměr, vnitřní otvor, tloušťka (délka).
· Parametry impedance:
Vstupní/výstupní impedance, ovlivňující přizpůsobení s následnými obvody.
2. Elektromagnetická konstrukce – základní část
· Konstrukce laminování statoru/rotoru:
o Výběr materiálu:
Obvykle se používají plechy z křemíkové oceli s vysokou propustností a nízkou ztrátou železa (např. DW540, 50JN400).
o Kombinace pól-slot:
Toto je duší designu. Musí být určen počet statorových drážek (Zs) a vyčnívajících pólů rotoru (Zr). Nejběžnější kombinace je
Zr = 2P (počet pólů rotoru se rovná dvojnásobku počtu pólových párů) a Zs je násobek Zr. Například unipolární resolver (P=1) často používá
Zs=4, Zr=2 ; bipolární resolver (P=2) často používá
Zs=8, Zr=4 nebo
Zs=12, Zr=6.
o Tvar štěrbiny/pólu:
Tvar zubů (paralelní, zkosený) ovlivňuje rozložení magnetického pole a harmonický obsah. Rozměry, jako je šířka zubu, šířka otvoru štěrbiny a tloušťka třmenu, vyžadují optimalizaci, aby se maximalizovala základní magneto-motorická síla (MMF) a minimalizovaly harmonické štěrbiny.
o Vzduchová mezera:
Velikost vzduchové mezery je kritickým kompromisem. Malá vzduchová mezera zvyšuje transformační poměr a sílu signálu, ale zvyšuje obtížnost výroby, citlivost na excentricitu a zvlnění točivého momentu. Velká vzduchová mezera má opačný efekt. Typicky navrženo mezi 0,05 mm - 0,25 mm.
· Konstrukce vinutí:
o Typ:
Typicky se používají distribuovaná vinutí nebo soustředěná (zubová) vinutí. Distribuovaná vinutí (jedna cívka zahrnující více štěrbin) vytváří více sinusové magnetické pole, ale je složitější na výrobu; koncentrovaná vinutí jsou jednodušší, ale mají vyšší harmonické.
o Výpočet závitu:
Na základě cílového transformačního poměru, budícího napětí a frekvence určete počet závitů pro budicí vinutí a sinusové/kosinusové vinutí pomocí elektromagnetického výpočtu. Počet závitů pro dvě výstupní vinutí musí být přesně identický.
o Způsob připojení:
Zajistěte, aby sinusové a kosinusové vinutí byly prostorově od sebe přesně 90 elektrických stupňů.
3. Simulace a optimalizace magnetického pole (simulace FEA) - Essential Modern Design Tool
Čistě analytické výpočty jsou velmi složité a nedostatečně přesné. Software analýzy konečných prvků (např. JMAG, ANSYS MAXWELL, SIMCENTER MAGNET) je nezbytný.
· Simulace statického pole:
Vypočítejte rozložení magnetického pole, matici indukčnosti a výstupní potenciál při různých úhlech rotoru.
· Simulace přechodového pole:
Použijte skutečné budicí napětí pro simulaci průběhu výstupního napětí, přesněji odrážející výkon.
· Parametrická optimalizace:
Provádějte parametrické rozmítání a optimalizaci klíčových rozměrů, jako je tvar zubu, vzduchová mezera a otvor štěrbiny, abyste minimalizovali chyby (např. THD) a maximalizovali transformační poměr.
· Analýza chyb:
Vypočítejte elektrickou chybu pomocí simulace a analyzujte zdroje chyb (např. harmonické, kogging, saturační efekt).
4. Design mechanické struktury
· Skříň a ložiska:
Navrhněte nosnou konstrukci a vyberte vhodná ložiska, aby byla zajištěna soustřednost mezi rotorem a statorem a minimální odchylky vzduchové mezery a zároveň odolávaly specifikovaným vibracím a rázům.
· Spojení hřídele:
Navrhněte drážky pro pero, hladké vrtání nebo servo rozhraní, abyste zajistili spolehlivé spojení a převod bez vůle s hřídelí motoru.
· Tepelné řízení:
Zvažte tvorbu tepla z vinutí a ztráty železa, abyste zabránili přehřátí v prostředí s vysokou teplotou. Někdy je nutný návrh tepelné cesty.
· Elektromagnetické stínění:
V případě potřeby přidejte stínění, abyste zabránili rušení vnějšími magnetickými poli.
5. Úvahy o obvodu zpracování signálu
Ačkoli není součástí designu těla resolveru, musí být považováno za synergicky:
· RDC (Resolver-to-Digital Converter):
Vyberte RDC čip (např. AD2S1205, AU6802), který odpovídá impedanci a budicí frekvenci resolveru. Při návrhu je vyžadováno přizpůsobení vstupní impedance.
· Budící obvod:
Vyžaduje výkonový operační zesilovač schopný zajistit čistou a stabilní sinusovku.
· Filtrační obvod:
Filtrování výstupních signálů pro potlačení vysokofrekvenčního šumu a harmonických.
III. Návrhové výzvy a klíčové technologie
1. Potlačení harmonických kmitočtů:
Vzhledem k nelinearitě jeho reluktančních změn obsahuje výstupní napětí VR resolveru bohaté harmonické, které jsou hlavní příčinou chyb. Metody jako
optimalizace kombinace pól-slot, zešikmení (drážek nebo pólů) a přidání pomocných drážek na zuby statoru mohou účinně potlačit harmonické.
2. Vyvážení přesnosti a ceny:
Vysoká přesnost znamená přesnější obrábění (menší vzduchová mezera, vyšší soustřednost), kvalitnější materiály (vyšší kvalita křemíkové oceli), složitější konstrukce (např. více párů pólů, zlomkové drážky) a přísnější procesy, což vede k prudce rostoucím nákladům.
3. Teplotní drift:
Odpor vinutí a vlastnosti křemíkové oceli se mění s teplotou, což způsobuje amplitudu a fázový drift. Je nutná kompenzace v obvodu nebo softwaru, nebo by měly být během elektromagnetického návrhu vybrány materiály s dobrou teplotní stabilitou.
Shrnutí
Návrhová doporučení:
1. Začněte se specifikacemi:
Nejprve důkladně pochopte specifické požadavky scénáře vaší aplikace týkající se přesnosti, velikosti a prostředí.
2. Využijte osvědčená řešení:
Začněte s klasickými kombinacemi tyčí a slotů (např. 4-2, 8-4), protože jsou ověřeným a spolehlivým výchozím bodem.
3. Návrh řízený simulací:
Nezastavujte se u teoretických výpočtů; okamžitě použijte FEM software k vytvoření parametrického modelu pro simulaci a optimalizaci. To je klíčem ke zlepšení úspěšnosti návrhu a zkrácení vývojových cyklů.
4. Opakujte a otestujte:
Po sestavení prototypu proveďte komplexní výkonnostní testy (chyby, nárůst teploty, vibrace atd.), porovnejte s výsledky simulace, analyzujte příčiny rozdílů a přejděte k další iteraci návrhu.
5. Myslete na systémové úrovni:
Zvažte a odlaďte snímač resolveru a výstupní obvod RDC jako integrovaný systém.
Návrh rozkladačů s proměnnou reluktancí je vysoce praktická technologie, která vyžaduje opakované cykly teorie, simulace a experimentování.
