Wie die elektromagnetische Kopplung von Stator-rotor

A Resolver , auch Synchronresolver genannt, ist ein elektromagnetischer Sensor zur hochpräzisen Messung von Drehwinkeln. Seine Funktionsweise basiert auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion, bei der durch die Wechselwirkung zwischen einem Stator (feststehende Komponente) und einem Rotor (rotierende Komponente) positionsabhängige elektrische Signale erzeugt werden. Nachfolgend finden Sie eine detaillierte Erläuterung, wie diese elektromagnetische Kopplung mechanische Rotation in messbare elektrische Ausgänge umwandelt.

1. Kernstruktur und Erregung
Der Resolver besteht aus zwei Hauptteilen: dem Stator und dem Rotor. Der Stator enthält Primärwicklungen, die durch eine Wechselstrom-Erregerspannung (AC) gespeist werden, typischerweise bei Frequenzen wie 400 Hz, 3 kHz oder 5 kHz. Diese Erregung erzeugt ein rotierendes Magnetfeld im Stator. Der Rotor ist mechanisch mit der Welle verbunden, deren Position gemessen werden soll, und verfügt über Sekundärwicklungen, die in diesem Magnetfeld rotieren.

2. Elektromagnetischer Kopplungsmechanismus
Wenn sich der Rotor dreht, ändert sich die relative Position zwischen dem rotierenden Magnetfeld des Stators und den Wicklungen des Rotors. Die oft orthogonal angeordneten Rotorwicklungen (z. B. Sinus- und Cosinuswicklungen) erfahren unterschiedliche magnetische Flüsse. Nach dem Faradayschen Induktionsgesetz induzieren diese wechselnden Flüsse sinusförmige Spannungen in den Rotorwicklungen. Die Amplituden dieser induzierten Spannungen hängen von der Winkelverschiebung zwischen Stator und Rotor ab und folgen typischerweise Sinus- und Cosinusfunktionen des Rotorwinkels.

3. Signaleigenschaften
Die Ausgangssignale der Rotorwicklungen sind analoge Spannungen. Für einen Single-Speed-Resolver sind die Ausgänge:

• Sinusausgang (E_sin): Proportional zu sinθ, wobei θ der Rotorwinkel ist.

• Kosinusausgang (E_cos): Proportional zu cosθ.

In Resolvern mit mehreren Geschwindigkeiten (z. B. Zweikanalsystemen) erzeugen zusätzliche Polpaare höherfrequente Signale, wodurch die Auflösung verbessert und eine feinere Winkelerkennung ermöglicht wird.

4. Signalverarbeitung und Positionsextraktion
Um die Sinus-/Cosinus-Ausgänge in nutzbare Positionsdaten umzuwandeln, sind externe Schaltkreise oder Algorithmen erforderlich. Zu den gängigen Methoden gehören:

• Analoge Division: Verwendung von tan−1(Esin/Ecos) zur Berechnung von θ, obwohl dies rauschempfindlich ist.

• Resolver-zu-Digital-Wandler (RDCs): Integrierte Schaltkreise, die Tracking-Schleifen (z. B. Servoschleifen vom Typ II) verwenden, um die Resolversignale zu dekodieren. Diese Geräte vergleichen die Resolverausgänge mit intern generierten Referenzen und passen sie an, bis der Phasenfehler minimiert ist, wodurch der Rotorwinkel wiederhergestellt wird.

5. Designvorteile und Anwendungen
Resolver zeichnen sich aufgrund ihrer robusten Konstruktion (keine optischen Komponenten oder Kontakte) und ihrer Immunität gegenüber elektromagnetischen Störungen in rauen Umgebungen aus. Sie werden häufig verwendet in:

• Motorsteuerungssysteme: Bereitstellung von Echtzeit-Feedback für Servomotoren in der Robotik, Luft- und Raumfahrt und Automatisierung.

• Luft- und Raumfahrt und Verteidigung: Entscheidend für Anwendungen, die eine hohe Zuverlässigkeit und Toleranz gegenüber extremen Vibrationen/Temperaturen erfordern.

• Industrieausrüstung: In Präzisionsbearbeitungswerkzeugen, wo Resolver-basierte Systeme eine Auflösung im Subbogenminutenbereich ermöglichen.

6. Schlüsselparameter, die die Leistung beeinflussen

• Anregungsfrequenz: Beeinflusst das Signal-Rausch-Verhältnis und die Systembandbreite.

• Anzahl der Polpaare: Bestimmt Auflösung und Messbereich.

• Wicklungskonfiguration: Optimiert für lineare oder nichtlineare (z. B. sinusförmige) Ausgangsbeziehungen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Fähigkeit des Resolvers, mechanische Rotation über elektromagnetische Kopplung in elektrische Signale umzuwandeln, ihn zu einer wichtigen Komponente in Systemen macht, die eine präzise Winkelmessung erfordern. Sein ausgewogenes Design zwischen Einfachheit, Robustheit und Genauigkeit gewährleistet seine anhaltende Relevanz in modernen technischen Anwendungen.