I. Principios básicos de los solucionadores de renuencia variable
Primero, para comprender el diseño, es necesario comprender sus diferencias fundamentales con respecto a los resolucionadores tradicionales de rotor bobinado:
· Resolver Tradicional:
Tanto el estator como el rotor tienen devanados. La señal de excitación y la señal de salida se inducen electromagnéticamente a través del entrehierro.
· Resolver de Reluctancia Variable (VR):
Sólo el estator tiene devanados . El rotor es un componente ferromagnético
no enrollado formado por polos salientes o una estructura dentada. Su principio de funcionamiento se basa en la
variación de la renuencia..
o Devanados del estator:
normalmente incluyen un devanado de excitación (primario) y dos devanados de salida (devanados seno y coseno, secundario) que son espacialmente ortogonales (a 90 grados eléctricos de distancia).
o Rotación del rotor:
cuando el rotor con polos salientes gira, cambia la longitud del entrehierro y la reluctancia del circuito magnético.
o Modulación de la señal:
La variación de la reluctancia del entrehierro modula (modulación de amplitud) la amplitud del voltaje inducido en los devanados de salida por el campo magnético de excitación. Las envolventes de amplitud de los dos devanados de salida son funciones sinusoidales y coseno del ángulo del rotor, respectivamente.
Sus ventajas son: estructura simple, robusta y duradera (sin escobillas), bajo costo, alta confiabilidad, capacidad para soportar ambientes de alta velocidad y alta temperatura . La desventaja es que la precisión y la linealidad suelen ser ligeramente inferiores a las de los resolutores de rotor bobinado de alta precisión.
II. Proceso de diseño y consideraciones clave
El proceso de diseño es iterativo y normalmente sigue estos pasos:
1. Definir las especificaciones de diseño
Este es el punto de partida para todos los diseños y primero debe aclararse:
· Número de Pares de Polos (P):
Determina la relación entre los ángulos eléctricos y mecánicos (θ_eléctrico = P * θ_mecánico). Las configuraciones comunes son 1 par de polos (unipolar) y 2 pares de polos (bipolar). El número de pares de polos afecta la precisión y la velocidad máxima.
· Requisitos de Precisión:
Generalmente se expresa en minutos de arco (′) o miliradianes (mrad). Los diseños de alta precisión requieren exigencias extremadamente altas en cuanto a fabricación, materiales y supresión de armónicos del campo magnético.
· Señal de excitación de entrada:
Amplitud del voltaje de excitación, frecuencia (las más comunes son 4kHz, 10kHz, etc.), forma de onda (generalmente sinusoidal).
· Relación de transformación (TR):
La relación entre el voltaje de salida y el voltaje de entrada (en la posición de máximo acoplamiento).
· Error Eléctrico:
Incluye error de función, error de tensión nula, error de fase, etc.
· Entorno operativo:
rango de temperatura, vibración, golpes, humedad, clasificación de protección de ingreso (IP).
· Restricciones de tamaño:
diámetro exterior, orificio interior, espesor (longitud).
· Parámetros de Impedancia:
Impedancia de entrada/salida, que afecta la coincidencia con los circuitos posteriores.
2. Diseño electromagnético: parte central
· Diseño de Laminación Estator/Rotor:
o Selección de materiales:
normalmente utiliza láminas de acero al silicio con alta permeabilidad y baja pérdida de hierro (por ejemplo, DW540, 50JN400).
o Combinación Polo-Slot:
Esta es el alma del diseño. Es necesario determinar el número de ranuras del estator (Zs) y de los polos salientes del rotor (Zr). La combinación más común es
Zr = 2P (el número de polos del rotor es igual al doble del número de pares de polos) y Zs es un múltiplo de Zr. Por ejemplo, un solucionador unipolar (P=1) suele utilizar
Zs=4, Zr=2 ; un resolver bipolar (P=2) suele utilizar
Zs=8, Zr=4 o
Zs=12, Zr=6.
o Forma de ranura/polo:
La forma de los dientes (paralelos, cónicos) afecta la distribución del campo magnético y el contenido armónico. Dimensiones como el ancho del diente, el ancho de la abertura de la ranura y el espesor del yugo necesitan optimización para maximizar la fuerza magnetomotriz fundamental (MMF) y minimizar los armónicos de la ranura.
o Espacio de aire:
el tamaño del espacio de aire es una compensación crítica. Un pequeño espacio de aire aumenta la relación de transformación y la intensidad de la señal, pero aumenta la dificultad de fabricación, la sensibilidad a la excentricidad y la ondulación del par. Un gran espacio de aire tiene el efecto contrario. Normalmente diseñado entre 0,05 mm y 0,25 mm.
· Diseño de bobinado:
o Tipo:
Normalmente se utilizan devanados distribuidos o devanados concentrados (dientes). Los devanados distribuidos (una bobina que abarca múltiples ranuras) producen un campo magnético más sinusoidal pero son más complejos de fabricar; Los devanados concentrados son más simples pero tienen armónicos más altos.
o Cálculo de vueltas:
según la relación de transformación objetivo, el voltaje de excitación y la frecuencia, determine el número de vueltas para el devanado de excitación y los devanados seno/coseno mediante cálculo electromagnético. El número de vueltas de los dos devanados de salida debe ser estrictamente idéntico.
o Método de conexión:
Asegúrese de que los devanados seno y coseno estén estrictamente separados espacialmente por 90 grados eléctricos.
3. Simulación y optimización del campo magnético (simulación FEA): herramienta esencial de diseño moderno
Los cálculos puramente analíticos son muy complejos e insuficientemente precisos. El software de análisis de elementos finitos (FEA) (p. ej., JMAG, ANSYS Maxwell, Simcenter Magnet) es esencial.
· Simulación de campo estático:
calcula la distribución del campo magnético, la matriz de inductancia y el potencial de salida en diferentes ángulos del rotor.
· Simulación de campo transitorio:
aplique el voltaje de excitación real para simular la forma de onda del voltaje de salida, reflejando con mayor precisión el rendimiento.
· Optimización paramétrica:
realice barridos paramétricos y optimización de dimensiones clave como la forma del diente, el espacio de aire y la apertura de la ranura para minimizar el error (por ejemplo, THD) y maximizar la relación de transformación.
· Análisis de errores:
Calcule el error eléctrico mediante simulación y analice las fuentes de error (por ejemplo, armónicos, efecto de engranaje, efecto de saturación).
4. Diseño de estructuras mecánicas
· Carcasa y cojinetes:
Diseñe la estructura de soporte y seleccione los cojinetes apropiados para garantizar la concentricidad entre el rotor y el estator y una variación mínima del entrehierro, mientras resiste las vibraciones y los golpes especificados.
· Conexión del eje:
Diseñe chaveteros, orificio liso o interfaz servo para garantizar una conexión confiable y una transmisión sin juego con el eje del motor.
· Gestión térmica:
considere la generación de calor a partir de los devanados y las pérdidas del hierro para evitar el sobrecalentamiento en ambientes de alta temperatura. A veces es necesario el diseño de la ruta térmica.
· Blindaje electromagnético:
Agregue un blindaje si es necesario para evitar interferencias de campos magnéticos externos.
5. Consideraciones sobre el circuito de procesamiento de señales
Aunque no forma parte del diseño del cuerpo del resolutor, debe considerarse sinérgicamente:
· RDC (Convertidor de resolución a digital):
seleccione un chip RDC (por ejemplo, AD2S1205, AU6802) que coincida con la impedancia y la frecuencia de excitación del resolver. Durante el diseño se requiere la adaptación de la impedancia de entrada.
· Circuito de excitación:
Requiere un circuito de amplificador operacional de potencia capaz de proporcionar una onda sinusoidal limpia y estable.
· Circuito de filtro:
Filtra las señales de salida para suprimir el ruido de alta frecuencia y los armónicos.
III. Desafíos de diseño y tecnologías clave
1. Supresión de armónicos:
debido a la no linealidad de su variación de reluctancia, el voltaje de salida de un resolver VR contiene ricos armónicos, que son la principal causa de error. Métodos como
la optimización de la combinación polo-ranura, la inclinación (ranuras o polos) y la adición de ranuras auxiliares en los dientes del estator pueden suprimir eficazmente los armónicos.
2. Equilibrio entre precisión y costo:
una alta precisión implica un mecanizado más preciso (entrehierro más pequeño, mayor concentricidad), materiales de mayor calidad (acero al silicio de mayor calidad), diseños más complejos (por ejemplo, más pares de polos, ranuras fraccionarias) y procesos más estrictos, lo que lleva a costos cada vez mayores.
3. Deriva de temperatura:
la resistencia de los devanados y las propiedades del acero al silicio cambian con la temperatura, provocando una deriva de amplitud y fase. Se necesita compensación en el circuito o software, o se deben seleccionar materiales con buena estabilidad de temperatura durante el diseño electromagnético.
Resumen
Recomendaciones de diseño:
1. Comience con las especificaciones:
primero, comprenda a fondo los requisitos específicos de su escenario de aplicación en cuanto a precisión, tamaño y entorno.
2. Aproveche las soluciones comprobadas:
comience con combinaciones clásicas de pértiga y ranura (por ejemplo, 4-2, 8-4), ya que son un punto de partida verificado y confiable.
3. Diseño basado en simulación:
no se limite a cálculos teóricos; Utilice inmediatamente el software FEM para crear un modelo paramétrico para simulación y optimización. Esto es clave para mejorar las tasas de éxito del diseño y acortar los ciclos de desarrollo.
4. Iterar y probar:
después de construir un prototipo, realice pruebas de rendimiento integrales (error, aumento de temperatura, vibración, etc.), compárelo con los resultados de la simulación, analice las causas de las diferencias y continúe con la siguiente iteración del diseño.
5. Piense a nivel del sistema:
considere y depure el sensor de resolución y el circuito RDC aguas abajo como un sistema integrado.
El diseño de resolutores de reluctancia variable es una tecnología muy práctica que requiere ciclos repetidos de teoría, simulación y experimentación.
