Die „feurigen Augen“ der Hauptantriebsmotoren von Elektrofahrzeugen – Anpassung von Resolvern mit variabler Reluktanz

Einleitung: Ein unverzichtbares „Auge“ für die Motorsteuerung

Im Antriebsmotor von New-Energy-Fahrzeugen gibt es eine unauffällige, aber dennoch äußerst wichtige Komponente – den Resolver mit variabler Reluktanz  (oft abgekürzt als „Resolver“). Es fungiert als „Auge“ des Motors und teilt der Motorsteuerung ständig mit: „Wo ist der Rotor jetzt positioniert? Wie hoch ist die Drehzahl?“

Ohne dieses „Auge“ können Permanentmagnet-Synchronmotoren keine präzise Kommutierungssteuerung erreichen, was zu einer rauen, ruckartigen Leistungsabgabe oder sogar zu einem völligen Betriebsausfall führt. Daten zeigen, dass die Verbreitungsrate von Resolvern in den Hauptantriebsmotoren von New-Energy-Pkw bis zu  78,6 % beträgt  – was bedeutet, dass fast jeder Hauptantriebsmotor von New-Energy-Fahrzeugen mit einem Resolver ausgestattet ist.

Wie funktioniert dieser winzige Sensor eigentlich? Warum muss es „angepasst“ werden? Und auf welche wichtigen Parameter sollten Sie bei der Individualisierung achten?

1. Was ist ein Reluktanz-Resolver?

1.1 Vom Transformator zum Resolver

Jeder kennt den „Transformator“ – er erhöht oder verringert die Spannung. Ein Resolver kann als eine Weiterentwicklung eines Transformators betrachtet werden: Während ein herkömmlicher Transformator eine feste Spannung ausgibt, gibt ein Resolver eine Spannung aus, die mit dem Drehwinkel des Rotors variiert.

Der Resolver mit variabler Reluktanz ist der am weitesten verbreitete Typ. Seine Kernstruktur ist bemerkenswert einfach:

·  Stator : Fest montiert, mit einer Erregerwicklung (Eingang) und Sinus-/Cosinus-Ausgangswicklungen bewickelt.

·  Rotor : Hergestellt aus gestapelten Siliziumstahllamellen mit Zähnen,  enthält überhaupt keine Wicklungen und dreht sich mit der Motorwelle.

1.2 Funktionsprinzip: Luftspaltänderungen bestimmen Signaländerungen

Wenn an die Erregerwicklung des Stators eine Wechselstrom-Erregerspannung angelegt wird, entsteht im Luftspalt zwischen Stator und Rotor ein magnetisches Wechselfeld. Während sich der Rotor dreht, ändert sich der magnetische Widerstand des Luftspalts periodisch, da die Rotorzähne (Vorsprünge und Vertiefungen) abwechselnd an den Statorzähnen vorbeigehen.

Diese Variation führt dazu, dass sich die Amplitude der induzierten Spannungen in den beiden Ausgangswicklungen (Sinus und Kosinus) ändert – eine folgt einem Sinusmuster, die andere einem Kosinusmuster.

Durch die Interpretation dieser beiden Signale kann die Motorsteuerung jederzeit die absolute Winkelposition des Rotors genau berechnen.

1.3 Warum ist es zur ersten Wahl für Hauptantriebsmotoren von Elektrofahrzeugen geworden?

Dank der folgenden Stärken „dominiert“ der Reluktanz-Resolver den Sektor der neuen Energiefahrzeuge:

·  Äußerst einfache und zuverlässige Konstruktion : Keine Rotorwicklungen, keine Bürsten – keine Verschleißprobleme, und die theoretische Lebensdauer kann der des Geräts selbst entsprechen.

·  Außergewöhnliche Umweltbeständigkeit : Betriebstemperaturbereich von -50 °C bis +155 °C, beständig gegen hohe Temperaturen, Vibrationen und Ölverschmutzung.

·  Starke Immunität gegen elektromagnetische Störungen : Basierend auf den Prinzipien der elektromagnetischen Induktion ist es von Natur aus immun gegen die raue elektromagnetische Umgebung im Motor.

·  Absolute Positionsausgabe : Liefert den aktuellen Winkel sofort beim Einschalten, ohne dass eine „Referenzfahrt“-Prozedur erforderlich ist.

2. Warum erfordert der Hauptantriebsmotor einen „kundenspezifischen“ Resolver?

Manche fragen sich vielleicht: Sind Resolver nicht Standardkomponenten von der Stange? Warum nicht einfach ein fertiges kaufen?

Die Realität ist alles andere als so einfach.  Jeder Hauptantriebsmotor eines neuen Energiefahrzeugs ist auf unterschiedliche Leistung, Geschwindigkeit, Montageraum und Betriebsbedingungen ausgelegt – und diese Unterschiede bestimmen direkt, dass der Resolver „maßgeschneidert“ sein muss.

2.1 Die Montageabmessungen variieren stark

Verschiedene Motoren gibt es in unterschiedlichen Baugrößen von 25 bis 300, für die jeweils ein Resolver mit passenden Abmessungen erforderlich ist. Auch die Montagemethoden unterscheiden sich – Durchgangsmontage, Oberflächenmontage, Flanschmontage – und entsprechen jeweils einem anderen mechanischen Schnittstellendesign.

2.2 Elektrische Parameter unterscheiden sich

Erregerspannung, Erregerfrequenz, Polpaarzahl, Übersetzungsverhältnis – all diese elektrischen Parameter müssen perfekt zur Motorsteuerung passen. Die Verwendung eines Resolvers mit nicht übereinstimmenden Parametern kann im besten Fall die Messgenauigkeit verringern und im schlimmsten Fall dazu führen, dass das gesamte Motorsteuerungssystem nicht mehr funktioniert.

2.3 Genauigkeitsanforderungen variieren erheblich

Die für den Antriebsmotor eines herkömmlichen Personenkraftwagens erforderliche Positionsgenauigkeit unterscheidet sich völlig von der eines Hochleistungsfahrzeugs. Je mehr Polpaare, desto höher die Genauigkeit – sie reicht von 2, 4 bis 6 oder mehr Polpaaren, wobei sich die Genauigkeit von 25 Bogenminuten auf 10 Bogenminuten oder sogar höher verbessert.

2.4 Die Betriebsbedingungen sind nicht einheitlich

Einige Motoren werden in ölgekühlten Umgebungen betrieben, sodass der Resolver ölkompatibel sein muss. andere streben nach extrem hohen Geschwindigkeiten, die eine Unterstützung von 20.000 U/min oder sogar mehr erfordern; Wieder andere erfordern eine AEC-Q-Zertifizierung nach Automobilstandard – jede Bedingung stellt unterschiedliche Designanforderungen an den Resolver.

3. Resolver-Anpassung: Was genau kann angepasst werden?

3.1 Mechanische Anpassung

·  Außenmaße : Außendurchmesser, Länge, Montagelochpositionen usw.

·  Montagemethode : Durchgangsloch, Oberflächenmontage oder Flanschtyp.

·  Rotorwellenöffnung : muss genau zum Motorwellendurchmesser passen.

·  Technische Daten des Anschlusskabels : Kabellänge, Stärke und Steckertyp.

3.2 Elektrische Anpassung

·  Anzahl der Polpaare : ein Schlüsselparameter, der die Messauflösung bestimmt; können auf die Anforderungen zugeschnitten werden.

·  Erregerspannung : typischerweise AC 7 Vrms, aber je nach Systembedarf einstellbar.

·  Anregungsfrequenz : üblicherweise 10 kHz, es können jedoch auch andere Frequenzen angegeben werden.

·  Transformationsverhältnis : Bestimmt die Amplitude des Ausgangssignals und beeinflusst die Signalverarbeitung des nachgeschalteten Decodierungschips.

·  Eingangs-/Ausgangsimpedanz : muss mit der Antriebsschaltung übereinstimmen.

3.3 Leistungsanpassung

·  Genauigkeitsklasse : von Standardpräzision bis hoher Präzision (z. B. ±4 Bogenminuten) verfügbar.

·  Maximale Drehzahl : Standard 20.000 U/min; Höhere Geschwindigkeiten können individuell angepasst werden.

·  Betriebstemperaturbereich : auf die tatsächlichen Arbeitsbedingungen zugeschnitten.

·  Schutzklasse : zB IP69 oder höher.

3.4 Spezielle Anpassungen

·  Ölkompatibilität : Spezielle Materialien und Dichtungsdesigns für ölgekühlte Motoren.

·  Exzentrizitätstoleranz : Patentierte Wickelsysteme zum Ausgleich von Montageexzentrizitätsfehlern.

·  Integrierte Temperaturmessung : optionaler NTC-Thermistor für kombinierte Positions- und Temperaturerkennung.

4. Anpassungsprozess: Von den Anforderungen bis zur Lieferung

Ein typischer Resolver-Anpassungsprozess umfasst im Allgemeinen die folgenden Phasen:

Schritt 1: Anforderungskommunikation  – Der Kunde stellt Motorparameter, verfügbaren Platz, Leistungsziele usw. bereit.

Schritt 2: Lösungsdesign  – Der Lieferant entwickelt die elektromagnetischen und mechanischen Designs basierend auf den Anforderungen.

Schritt 3: Simulationsverifizierung –  Die Finite-Elemente-Analyse (FEA) wird zur Optimierung der elektromagnetischen Leistung verwendet.

Schritt 4: Prototypenherstellung  – Prototypen werden hergestellt und auf Prüfständen getestet.

Schritt 5: Massenproduktion  – Nach der Validierung geht das Produkt in die Massenproduktion über.

Derzeit haben führende inländische Resolver-Anbieter den kundenspezifischen Lieferzyklus auf nur 4 bis 6 Wochen verkürzt. Einige haben bereits vollautomatische Produktionslinien mit einer Jahreskapazität von über 1 Million Einheiten gebaut.

5. Branchentrend: Inländische Substitution gewinnt an Dynamik

Lange Zeit wurde der Markt für High-End-Resolver von ausländischen Marken wie Tamagawa und MinebeaMitsumi aus Japan dominiert. In den letzten Jahren hat die chinesische Resolver-Technologie jedoch bedeutende Durchbrüche erzielt. Gleichzeitig machen auch inländische Resolver-zu-Digital-Wandler-Chips (RDC) schnelle Fortschritte. Der SC2121 und andere Produkte von Xinchi Semiconductor haben funktionale Parität mit international bekannten Modellen erreicht, und Fengchao Technology hat auch leistungsstarke RDC-Chips auf den Markt gebracht.  Die inländische Substitution der gesamten Kette – vom Sensor bis zum Decodierungschip – beschleunigt sich.

Abschluss

Obwohl er klein ist, ist der Reluktanzresolver ein unverzichtbarer Kernsensor im Steuerungssystem der Hauptantriebsmotoren von New-Energy-Fahrzeugen. Seine Anpassung wirkt sich direkt auf die Regelgenauigkeit, Betriebseffizienz und Zuverlässigkeit des Motors aus.

Mit dem anhaltenden Wachstum der New-Energy-Fahrzeugindustrie und der Vertiefung der inländischen Substitution werden die Resolver-Anpassungsdienste noch ausgereifter und effizienter. Für Motoreningenieure ist das Verständnis der Funktionsprinzipien und Anpassungsgrundlagen von Resolvern bereits zu einem Pflichtkurs geworden.

Denn  nur wenn der Motor mit den richtigen „Augen“ ausgestattet ist, kann er klar sehen und stabil laufen.