I. Βασικές αρχές των μεταβλητών διαλυτών απροθυμίας
Πρώτον, για να κατανοήσουμε το σχέδιο, πρέπει να κατανοήσουμε τις θεμελιώδεις διαφορές του από τους παραδοσιακούς διαλυτές:
· Παραδοσιακός διαλυτής: Τόσο ο στάτορας όσο και ο ρότορας έχουν περιελίξεις. Το σήμα διέγερσης και το σήμα εξόδου προκαλούνται ηλεκτρομαγνητικά σε όλο το κενό αέρα.
· Διαλυτή μεταβλητής (VR): Μόνο ο στάτορας έχει περιελίξεις . Ο ρότορας είναι ένα μη τζάμι σιδηρομαγνητικό συστατικό κατασκευασμένο από σημαντικούς πόλους ή οδοντωτή δομή. Η αρχή λειτουργίας του βασίζεται σε διακύμανση της απροθυμίας.
Οι περιελίξεις του στάτη: συνήθως περιλαμβάνουν μία περιέλιξη διέγερσης (πρωτεύουσα) και δύο περιελίξεις εξόδου (ημιτονοειδή και συνημιτονικά περιελίγματα, δευτερογενή) που είναι χωρικά ορθογώνια (90 ηλεκτρικοί βαθμοί μεταξύ τους).
o περιστροφή του ρότορα: Όταν περιστρέφεται ο ρότορας με σημαντικούς πόλους, αλλάζει το μήκος του χάσματος του αέρα και την απροθυμία του μαγνητικού κυκλώματος.
o Διαμόρφωση σήματος: Η μεταβολή της καθοδήγησης του κενού αέρα ρυθμίζει (διαμόρφωση πλάτους) το εύρος τάσης που προκαλείται στις περιελίξεις εξόδου από το μαγνητικό πεδίο διέγερσης. Οι φάκελοι πλάτους των δύο περιελίξεων εξόδου είναι ημιτονοειδείς και συνημινοί λειτουργίες της γωνίας του ρότορα, αντίστοιχα.
Τα πλεονεκτήματά του είναι: απλή δομή, ανθεκτική και ανθεκτική (χωρίς ψήκτρες), χαμηλού κόστους, υψηλή αξιοπιστία, ικανότητα να αντέχει περιβάλλοντα υψηλής ταχύτητας και υψηλής θερμοκρασίας . Το μειονέκτημα είναι ότι η ακρίβεια και η γραμμικότητα είναι συνήθως ελαφρώς χαμηλότερες από αυτές των διαλυτών περιστροφής τραύματος υψηλής ακρίβειας.
Ii. Διαδικασία σχεδιασμού και βασικές εκτιμήσεις
Η διαδικασία σχεδιασμού είναι επαναληπτική και συνήθως ακολουθεί αυτά τα βήματα:
1. Καθορίστε τις προδιαγραφές σχεδιασμού
Αυτό είναι το σημείο εκκίνησης για όλα τα σχέδια και πρέπει πρώτα να διευκρινιστεί:
· Αριθμός ζεύγους πόλων (P): καθορίζει τη σχέση μεταξύ ηλεκτρικών και μηχανικών γωνιών (θ_electric = p * θ_mechanical). Οι συνήθεις διαμορφώσεις είναι 1 ζεύγος πόλων (μονοπολικό) και 2 ζεύγη πόλων (διπολικός). Ο αριθμός των ζευγών πόλο επηρεάζει την ακρίβεια και τη μέγιστη ταχύτητα.
· Απαιτήσεις ακρίβειας: συνήθως εκφράζονται σε Arcminutes (') ή Milliradians (MRAD). Τα σχέδια υψηλής ακρίβειας απαιτούν εξαιρετικά υψηλές απαιτήσεις για την καταστολή της παραγωγής, των υλικών και του μαγνητικού πεδίου.
· Σήμα διέγερσης εισόδου: πλάτος τάσης διέγερσης, συχνότητα (κοινά είναι 4kHz, 10kHz κ.λπ.), κυματομορφή (συνήθως ημιτονοειδές).
· Αναλογία μετασχηματισμού (TR): ο λόγος της τάσης εξόδου προς την τάση εισόδου (στη θέση της μέγιστης σύζευξης).
· Ηλεκτρικό σφάλμα: Περιλαμβάνει σφάλμα λειτουργίας, σφάλμα τάσης μηδέν, σφάλμα φάσης κ.λπ.
· Λειτουργικό περιβάλλον: Εύρος θερμοκρασίας, δόνηση, σοκ, υγρασία, προστασία εισόδου (IP).
· Περιορισμοί μεγέθους: εξωτερική διάμετρο, εσωτερική οπή, πάχος (μήκος).
· Παράμετροι σύνθετης αντίστασης: σύνθετη αντίσταση εισόδου/εξόδου, επηρεάζοντας την αντιστοίχιση με το επόμενο κύκλωμα.
2. Electromagnetic Design - Core Part
· Σχέδιο Lamination Stator/Rotor:
o Επιλογή υλικού: Συνήθως χρησιμοποιεί φύλλα χάλυβα πυριτίου με υψηλή διαπερατότητα και χαμηλή απώλεια σιδήρου (π.χ. DW540, 50JN400).
o συνδυασμός πόλης: Αυτή είναι η ψυχή του σχεδίου. Πρέπει να προσδιοριστούν ο αριθμός των υποδοχών στάτορα (ZS) και των πόλων ρότορα (ZR). Ο πιο συνηθισμένος συνδυασμός είναι το ZR = 2p (ο αριθμός των πόλων του ρότορα ισούται με το διπλάσιο αριθμό των ζευγών πόλων) και το ZS είναι ένα πολλαπλάσιο του ZR. Για παράδειγμα, ένας μονοπολικός διαλυτής (p = 1) χρησιμοποιεί συχνά ZS = 4, Zr = 2 . Ένας διπολικός διαλυτής (P = 2) χρησιμοποιεί συχνά ZS = 8, ZR = 4 ή ZS = 12, ZR = 6.
o σχήμα σχισμών/πόλων: Το σχήμα των δοντιών (παράλληλα, κωνικά) επηρεάζει τη διανομή μαγνητικού πεδίου και το αρμονικό περιεχόμενο. Οι διαστάσεις όπως το πλάτος των δοντιών, το πλάτος ανοίγματος υποδοχής και το πάχος του ζυγού χρειάζονται βελτιστοποίηση για να μεγιστοποιήσουν τη θεμελιώδη δύναμη μαγνητικής μηχανής (MMF) και να ελαχιστοποιήσουν τις αρμονικές υποδοχής.
O GAP AIR: Το μέγεθος του κενού αέρα είναι ένα κρίσιμο συμβιβασμό. Ένα μικρό κενό αέρα αυξάνει την αναλογία μετασχηματισμού και την ισχύ του σήματος, αλλά αυξάνει τη δυσκολία κατασκευής, την ευαισθησία στην εκκεντρότητα και τη στρέψη της ροπής. Ένα μεγάλο κενό αέρα έχει το αντίθετο αποτέλεσμα. Τυπικά σχεδιασμένο μεταξύ 0,05mm - 0,25mm.
· Σχεδιασμός περιέλιξης:
O Τύπος: Χρησιμοποιούνται τυπικά κατανεμημένες περιελίξεις ή συμπυκνωμένες (δοντίες). Οι κατανεμημένες περιελίξεις (ένα πηνίο που εκτείνεται σε πολλαπλές σχισμές) παράγουν ένα πιο ημιτονοειδές μαγνητικό πεδίο, αλλά είναι πιο περίπλοκες για την κατασκευή. Οι συγκεντρωμένες περιελίξεις είναι απλούστερες αλλά έχουν υψηλότερες αρμονικές.
o Υπολογισμός στροφής: Με βάση τον λόγο μετασχηματισμού στόχου, την τάση διέγερσης και τη συχνότητα, καθορίστε τον αριθμό των στροφών για την περιέλιξη διέγερσης και τις περιελίξεις ημιτονοειδούς/συνημιού μέσω ηλεκτρομαγνητικού υπολογισμού. Ο αριθμός των στροφών για τις δύο περιελίξεις εξόδου πρέπει να είναι αυστηρά πανομοιότυπος.
o Μέθοδος σύνδεσης: Βεβαιωθείτε ότι τα ημιτονοειδή και οι περιελίξεις συνημίβου είναι αυστηρά 90 ηλεκτρικοί βαθμοί χωρικά.
3. Προσομοίωση και βελτιστοποίηση μαγνητικού πεδίου (προσομοίωση FEA) - Essential Modern Design Tool
Οι καθαρά αναλυτικοί υπολογισμοί είναι πολύ περίπλοκες και ανεπαρκώς ακριβείς. Το λογισμικό ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων (FEA) (π.χ. JMAG, Ansys Maxwell, SimCenter Magnet) είναι απαραίτητο.
· Προσομοίωση στατικού πεδίου: Υπολογίστε τη διανομή μαγνητικού πεδίου, τη μήτρα επαγωγής και το δυναμικό εξόδου σε διαφορετικές γωνίες ρότορα.
· Προσομοίωση παροδικού πεδίου: Εφαρμόστε την πραγματική τάση διέγερσης για να προσομοιώσετε την κυματομορφή τάσης εξόδου, αντανακλώντας με μεγαλύτερη ακρίβεια την απόδοση.
· Παραμετρική βελτιστοποίηση: Εκτελέστε παραμετρικές σαρώσεις και βελτιστοποίηση των διαστάσεων κλειδιών όπως το σχήμα των δοντιών, το κενό αέρα και το άνοιγμα της υποδοχής για να ελαχιστοποιήσετε το σφάλμα (π.χ. THD) και να μεγιστοποιήσετε τον λόγο μετασχηματισμού.
· Ανάλυση σφαλμάτων: Υπολογίστε το ηλεκτρικό σφάλμα μέσω προσομοίωσης και ανάλυσης πηγών σφαλμάτων (π.χ. αρμονικές, φαινόμενο γέφυρας, αποτέλεσμα κορεσμού).
4. Σχεδιασμός μηχανικής δομής
· Στέγαση και ρουλεμάν: Σχεδιάστε τη δομή υποστήριξης και επιλέξτε τα κατάλληλα ρουλεμάν για να εξασφαλίσετε την ομόκεντρη μεταξύ του ρότορα και του στάτορα και της ελάχιστης διακύμανσης του κενού αέρα, ενώ αντέκναν σε καθορισμένες δόνηση και σοκ.
· Σύνδεση άξονα: Σχεδιασμός Keyways, Smooth Bore ή σερβο διεπαφή για να εξασφαλίσετε αξιόπιστη μετάδοση σύνδεσης και χωρίς αντίδραση με τον άξονα του κινητήρα.
· Θερμική διαχείριση: Εξετάστε την παραγωγή θερμότητας από τις περιελίξεις και τις απώλειες σιδήρου για να αποτρέψετε την υπερθέρμανση σε περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας. Ο σχεδιασμός θερμικής διαδρομής είναι μερικές φορές απαραίτητη.
· Ηλεκτρομαγνητική θωράκιση: Προσθέστε μια ασπίδα εάν είναι απαραίτητο για να αποφευχθεί η παρεμβολή από εξωτερικά μαγνητικά πεδία.
5. Σημειώσεις κυκλώματος επεξεργασίας σήματος
Παρόλο που δεν είναι μέρος του σχεδιασμού του σώματος του διαλυτή, πρέπει να θεωρείται συνεργικά:
· RDC (μετατροπέας διαλυτή προς ψηφιακό): Επιλέξτε ένα τσιπ RDC (π.χ. AD2S1205, AU6802) που ταιριάζει με τη συχνότητα σύνθετης αντίστασης και διέγερσης του διαλυτή. Η αντιστοίχιση της αντίστασης εισόδου απαιτείται κατά τη διάρκεια του σχεδιασμού.
· Κύκλωμα κίνησης διέγερσης: Απαιτεί ένα κύκλωμα OP-AMP που μπορεί να παρέχει ένα καθαρό, σταθερό ημιτονοειδές κύμα.
· Κύκλωμα φίλτρου: Φιλτράρετε τα σήματα εξόδου για την καταστολή του θορύβου και των αρμονικών υψηλής συχνότητας.
Iii. Προκλήσεις σχεδιασμού και βασικές τεχνολογίες
1. Αρμονική καταστολή: Λόγω της μη γραμμικότητας της διακύμανσης της απροθυμίας του, η τάση εξόδου ενός διαλυτή VR περιέχει πλούσιες αρμονικές, οι οποίες αποτελούν την κύρια αιτία σφάλματος. Οι μέθοδοι όπως η βελτιστοποίηση συνδυασμού πόλων, η λοξή (σχισμές ή οι πόλοι) και η προσθήκη βοηθητικών υποδοχών στα δόντια του στάτορα μπορούν να καταστείλουν αποτελεσματικά τις αρμονικές.
2. Η ακρίβεια και το κόστος εξισορρόπησης: Η υψηλή ακρίβεια συνεπάγεται πιο ακριβή κατεργασία (μικρότερο κενό αέρα, υψηλότερη ομόκεντρη), υλικά υψηλότερης ποιότητας (χάλυβα πυριτίου υψηλότερου βαθμού), πιο πολύπλοκα σχέδια (π.χ. περισσότερα ζεύγη πόλων, κλασματικές υποδοχές) και αυστηρότερες διεργασίες, οδηγώντας σε έντονα αυξανόμενο κόστος.
3. Μετατόπιση θερμοκρασίας: Η αντίσταση των περιελίξεων και οι ιδιότητες της μεταβολής του χάλυβα πυριτίου με θερμοκρασία, προκαλώντας πλάτος και μετατόπιση φάσης. Απαιτείται αντιστάθμιση στο κύκλωμα ή το λογισμικό ή τα υλικά με καλή σταθερότητα θερμοκρασίας πρέπει να επιλέγονται κατά τη διάρκεια του ηλεκτρομαγνητικού σχεδιασμού.
Περίληψη
Συστάσεις σχεδίασης:
1. Ξεκινήστε με τις προδιαγραφές: Πρώτον, κατανοήστε διεξοδικά τις συγκεκριμένες απαιτήσεις του σεναρίου εφαρμογής σας σχετικά με την ακρίβεια, το μέγεθος και το περιβάλλον.
2. Αξιοποιημένες λύσεις: Ξεκινήστε με κλασικούς συνδυασμούς πόλων (π.χ. 4-2, 8-4), καθώς είναι ένα επαληθευμένο και αξιόπιστο σημείο εκκίνησης.
3. Σχεδιασμός προσομοίωσης: Μην σταματήσετε τους θεωρητικούς υπολογισμούς. Χρησιμοποιήστε αμέσως το λογισμικό FEM για να δημιουργήσετε ένα παραμετρικό μοντέλο για προσομοίωση και βελτιστοποίηση. Αυτό είναι το κλειδί για τη βελτίωση των ποσοστών επιτυχίας σχεδιασμού και τη συντόμευση των κύκλων ανάπτυξης.
4. Επαναλάβετε και δοκιμάστε: Μετά την οικοδόμηση ενός πρωτότυπου, διεξάγετε περιεκτικές δοκιμές απόδοσης (σφάλμα, αύξηση της θερμοκρασίας, δόνηση κ.λπ.), συγκρίνετε με τα αποτελέσματα προσομοίωσης, αναλύστε τις αιτίες των διαφορών και προχωρήστε στην επόμενη επανάληψη του σχεδιασμού.
5. Σκεφτείτε στο επίπεδο του συστήματος: Εξετάστε και σπαταλήστε τον αισθητήρα διαλυτή και το κατάντη κύκλωμα RDC ως ολοκληρωμένο σύστημα.
Ο σχεδιασμός των μεταβλητών διαλυτών απροθυμίας είναι μια εξαιρετικά πρακτική τεχνολογία που απαιτεί επαναλαμβανόμενους κύκλους θεωρίας, προσομοίωσης και πειραματισμού.
