I. Principios centrales de resolución de reticencias variables
Primero, para comprender el diseño, uno debe comprender sus diferencias fundamentales con respecto a los resolver tradicionales de los rotores de heridas:
· Resolvente tradicional: tanto el estator como el rotor tienen devanados. La señal de excitación y la señal de salida se inducen electromagnéticamente a través del espacio de aire.
· Resolución de reticencia variable (VR): solo el estator tiene devanados . El rotor es un componente ferromagnético no herido hecho de polos sobresalientes o una estructura dentada. Su principio de trabajo se basa en la variación de renuencia.
o devanados del estator: típicamente incluyen un devanado de excitación (primario) y dos devanados de salida (devanados sine y coseno, secundarios) que están espacialmente ortogonales (90 grados eléctricos de distancia).
o Rotación del rotor: cuando el rotor con postes sobresalientes gira, cambia la longitud del espacio de aire y la renuencia del circuito magnético.
o Modulación de señal: la variación en la reticencia del espacio de aire modula (modulación de amplitud) la amplitud de voltaje inducida en los devanados de salida por el campo magnético de excitación. Los sobres de amplitud de los dos devanados de salida son las funciones sinusoidales y coseno del ángulo del rotor, respectivamente.
Sus ventajas son: estructura simple, resistente y duradera (sin escobillas), bajo costo, alto confiabilidad, capacidad de soportar entornos de alta velocidad y alta temperatura . La desventaja es que la precisión y la linealidad suelen ser ligeramente más bajas que las de los resolutores de rotores de heridas de alta precisión.
II. Proceso de diseño y consideraciones clave
El proceso de diseño es iterativo y generalmente sigue estos pasos:
1. Definir especificaciones de diseño
Este es el punto de partida para todos los diseños y debe aclararse primero:
· Número de pares de polos (P): determina la relación entre los ángulos eléctricos y mecánicos (θ_Electric = P * θ_Mechanical). Las configuraciones comunes son pares de 1 polo (unipolar) y 2 pares de polos (bipolar). El número de pares de polos afecta la precisión y la velocidad máxima.
· Requisitos de precisión: generalmente expresados en Arcminte (') o miliradios (MRAD). Los diseños de alta precisión requieren demandas extremadamente altas sobre la fabricación, los materiales y la supresión armónica del campo magnético.
· Señal de excitación de entrada: amplitud de voltaje de excitación, frecuencia (las comunes son 4kHz, 10 kHz, etc.), forma de onda (generalmente sinusoidal).
· Relación de transformación (TR): la relación de voltaje de salida al voltaje de entrada (en la posición del acoplamiento máximo).
· Error eléctrico: incluye error de función, error de voltaje nulo, error de fase, etc.
· Entorno operativo: rango de temperatura, vibración, choque, humedad, clasificación de protección de ingreso (IP).
· Restricciones de tamaño: diámetro exterior, agujero interno, espesor (longitud).
· Parámetros de impedancia: impedancia de entrada/salida, que afecta la coincidencia con circuitos posteriores.
2. Diseño electromagnético - parte del núcleo
· Diseño de laminación del estator/rotor:
o Selección de material: típicamente usa láminas de acero de silicio con alta permeabilidad y baja pérdida de hierro (por ejemplo, DW540, 50JN400).
o Combinación de lotes de pole: este es el alma del diseño. Se debe determinar el número de ranuras del estator (ZS) y los postes sobresalientes del rotor (ZR). La combinación más común es Zr = 2p (el número de polos de rotor es igual al doble del número de pares de polos), y ZS es un múltiplo de Zr. Por ejemplo, un resolución unipolar (p = 1) a menudo usa Zs = 4, Zr = 2 ; Un resolución bipolar (P = 2) a menudo usa 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. Las dimensiones como el ancho del diente, el ancho de apertura de la ranura y el grosor del yugo necesitan optimización para maximizar la fuerza magneto-motiva fundamental (MMF) y minimizar los armónicos de la ranura.
o Gap 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 de torque. Un gran espacio de aire tiene el efecto opuesto. Típicamente diseñado entre 0.05 mm - 0.25 mm.
· Diseño de devanado:
o Tipo: se utilizan devanados o devanados concentrados (dientes) típicamente distribuidos. 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 giro: según la relación de transformación objetivo, el voltaje de excitación y la frecuencia, determine el número de giros para el devanado de excitación y los devanados de seno/coseno a través del cálculo electromagnético. El número de giros para los dos devanados de salida debe ser estrictamente idéntico.
o Método de conexión: asegúrese de que los devanados sine y coseno estén estrictamente a 90 grados eléctricos separados espacialmente.
3. Simulación y optimización del campo magnético (simulación FEA) - Herramienta de diseño moderno esencial
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: calcule la distribución del campo magnético, la matriz de inductancia y el potencial de salida en diferentes ángulos de 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: realizar 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 (p. Ej., THD) y maximizar la relación de transformación.
· Análisis de errores: calcule el error eléctrico a través de la simulación y analice las fuentes de error (por ejemplo, armónicos, efecto de engranaje, efecto de saturación).
4. Diseño de estructura mecánica
· Alcanzamiento y rodamientos: diseñe la estructura de soporte y seleccione los rodamientos apropiados para garantizar la concentricidad entre el rotor y el estator y la variación mínima del espacio de aire, mientras resisten la vibración y el choque especificados.
· Conexión del eje: Keyways de diseño, orificio suave o interfaz de servo para garantizar una conexión confiable y transmisión sin reacción con el eje del motor.
· Manejo térmico: considere la generación de calor a partir de los devanados y las pérdidas de hierro para evitar el sobrecalentamiento en entornos de alta temperatura. El diseño de la ruta térmica a veces es necesario.
· Brochado electromagnético: agregue un escudo si es necesario para evitar la interferencia de los campos magnéticos externos.
5. Consideraciones de circuito de procesamiento de señales
Aunque no es parte del diseño del cuerpo del resolución, debe considerarse sinérgicamente:
· RDC (convertidor de resolución a digital): seleccione un chip RDC (p. Ej., AD2S1205, AU6802) que coincide con la frecuencia de impedancia y excitación del resolución. Se requiere coincidencia de impedancia de entrada durante el diseño.
· Circuito de transmisión de excitación: requiere un circuito de amplificador operacional de alimentación capaz de proporcionar una onda sinusoidal limpia y estable.
· Circuito de filtro: filtre las señales de salida para suprimir el ruido y los armónicos de alta frecuencia.
Iii. Desafíos de diseño y tecnologías clave
1. Supresión armónica: debido a la no linealidad de su variación de reticencia, el voltaje de salida de un resolutor de VR contiene armónicos ricos, que son la principal causa de error. Métodos como la optimización de la combinación de lotes de polos, el sesgo (ranuras o polos) y agregar ranuras auxiliares en los dientes del estator pueden suprimir efectivamente los armónicos.
2. Equilibrio de precisión y costo: la alta precisión implica un mecanizado más preciso (espacio de aire más pequeño, mayor concentricidad), materiales de mayor calidad (acero de silicio de mayor grado), diseños más complejos (por ejemplo, más pares de postes, ranuras fraccionales) y procesos más estrictos, lo que lleva a costos aumentados.
3. Drift de temperatura: la resistencia de los devanados y las propiedades del acero de silicio cambian con la temperatura, causando amplitud y deriva de fase. Se necesita compensación en el circuito o software, o los materiales con buena estabilidad de temperatura deben seleccionarse 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 con respecto a la precisión, el tamaño y el entorno.
2. Aproveche las soluciones probadas: comience con combinaciones clásicas de lotes de polos (por ejemplo, 4-2, 8-4), ya que son un punto de partida verificado y confiable.
3. Diseño basado en simulación: no se detenga en los cálculos teóricos; Use inmediatamente el software FEM para crear un modelo paramétrico para la simulación y la optimización. Esto es clave para mejorar las tasas de éxito del diseño y acortar los ciclos de desarrollo.
4. Itera y prueba: después de construir un prototipo, realizar pruebas de rendimiento integrales (error, aumento de temperatura, vibración, etc.), comparar con los resultados de la simulación, analizar las causas de las diferencias y proceder a la siguiente iteración de diseño.
5. Piense a nivel del sistema: considere y depire el sensor de resolución y el circuito RDC aguas abajo como un sistema integrado.
El diseño de los resolutores de reticencia variable es una tecnología altamente práctica que requiere ciclos repetidos de teoría, simulación y experimentación.
