Los 'ojos ardientes' de los motores de accionamiento principal de los vehículos eléctricos: personalización de los solucionadores de reluctancia variable

Introducción: un 'ojo' indispensable para el control de motores

En el motor de los vehículos de nueva energía hay un componente discreto pero de importancia crítica: el solucionador de reluctancia variable  (a menudo abreviado como 'resolver'). Actúa como el 'ojo' del motor y le dice constantemente al controlador del motor: '¿Dónde está posicionado el rotor ahora? ¿Cuál es la velocidad de rotación?'

Sin este 'ojo', los motores síncronos de imanes permanentes no pueden lograr un control de conmutación preciso, lo que da como resultado una salida de potencia irregular y entrecortada, o incluso una falla total en el funcionamiento. Los datos muestran que la tasa de penetración de los resolutores en los motores de propulsión principal de los vehículos de pasajeros de nueva energía llega al  78,6%  , lo que significa que casi todos los motores de propulsión principal de los vehículos de nueva energía están equipados con uno.

Entonces, ¿cómo funciona realmente este pequeño sensor? ¿Por qué es necesario 'personalizarlo'? ¿Y a qué parámetros clave debería prestar atención durante la personalización?

1. ¿Qué es un solucionador de reluctancia variable?

1.1 Del transformador al solucionador

Todo el mundo está familiarizado con el 'transformador': aumenta o reduce el voltaje. Se puede considerar un resolutor como una versión avanzada de un transformador: mientras que un transformador convencional genera un voltaje fijo, un resolutor genera un voltaje que varía con el ángulo de rotación del rotor.

El solucionador de reluctancia variable es el tipo más utilizado. Su estructura central es notablemente simple:

·  Estator : Fijado en su lugar, enrollado con un devanado de excitación (entrada) y devanados de salida seno/coseno.

·  Rotor : Está formado por láminas apiladas de acero al silicio con dientes,  no contiene ningún devanado y gira con el eje del motor.

1.2 Principio de funcionamiento: los cambios en el espacio de aire determinan los cambios de señal

Cuando se aplica un voltaje de excitación de CA al devanado de excitación del estator, se genera un campo magnético alterno en el entrehierro entre el estator y el rotor. A medida que el rotor gira, la reluctancia magnética del entrehierro cambia periódicamente porque los dientes del rotor (protuberancias y huecos) pasan alternativamente por los dientes del estator.

Esta variación hace que los voltajes inducidos en los dos devanados de salida (seno y coseno) cambien de amplitud: uno sigue un patrón sinusoidal y el otro un patrón coseno..

Al interpretar estas dos señales, el controlador del motor puede calcular con precisión la posición angular absoluta del rotor en cualquier momento.

1.3 ¿Por qué se ha convertido en la mejor opción para los motores de propulsión principal de vehículos eléctricos?

El resolver de reluctancia variable ha llegado a 'dominar' el sector de los vehículos de nueva energía gracias a las siguientes fortalezas:

·  Construcción extremadamente sencilla y fiable : sin devanados del rotor, sin escobillas, sin problemas de desgaste, y su vida útil teórica puede igualar a la del propio equipo.

·  Resiliencia ambiental excepcional : rango de temperatura de funcionamiento de -50 °C a +155 °C, resistente a altas temperaturas, vibraciones y contaminación por aceite.

·  Fuerte inmunidad a la interferencia electromagnética : basado en principios de inducción electromagnética, es naturalmente inmune al duro entorno electromagnético dentro del motor.

·  Salida de posición absoluta : proporciona el ángulo actual inmediatamente después del encendido, sin necesidad de un procedimiento de 'homing'.

2. ¿Por qué el motor de accionamiento principal requiere un solucionador 'personalizado'?

Algunos podrían preguntarse: ¿no son los resolutores componentes estándar disponibles en el mercado? ¿Por qué no comprar uno ya hecho?

La realidad está lejos de ser tan simple.  Cada motor de accionamiento principal de un vehículo de nueva energía está diseñado con diferente potencia, velocidad, espacio de montaje y condiciones de funcionamiento, y estas diferencias determinan directamente que el resolutor debe estar 'hecho a medida'.

2.1 Las dimensiones de montaje varían ampliamente

Los diferentes motores vienen en diferentes tamaños de bastidor, de 25 a 300, y cada uno requiere un resolutor con dimensiones coincidentes. Los métodos de montaje también difieren: montaje mediante orificio pasante, montaje en superficie, montaje con brida, cada uno de los cuales corresponde a un diseño de interfaz mecánica diferente.

2.2 Los parámetros eléctricos difieren

Tensión de excitación, frecuencia de excitación, número de pares de polos, relación de transformación: todos estos parámetros eléctricos deben coincidir perfectamente con el sistema de control del motor. El uso de un resolutor con parámetros no coincidentes puede, en el mejor de los casos, reducir la precisión de la medición y, en el peor, dejar inoperable todo el sistema de control del motor.

2.3 Los requisitos de precisión varían significativamente

La precisión de posición requerida por el motor de accionamiento de un vehículo de pasajeros convencional es completamente diferente a la de un vehículo de alto rendimiento. Cuantos más pares de polos, mayor será la precisión, que varía de 2, 4 a 6 o más pares de polos, y la precisión mejora de 25 minutos de arco a 10 minutos de arco o incluso más.

2.4 Las condiciones de funcionamiento no son uniformes

Algunos motores funcionan en entornos enfriados por aceite, lo que requiere que el resolutor sea compatible con el aceite; otros alcanzan velocidades extremadamente altas, necesitando soporte para 20.000 rpm o incluso más; Otros requieren certificación AEC-Q de grado automotriz; cada condición impone distintos requisitos de diseño en el resolutor.

3. Personalización del solucionador: ¿qué se puede personalizar exactamente?

3.1 Personalización mecánica

·  Dimensiones externas : diámetro exterior, longitud, posiciones de los orificios de montaje, etc.

·  Método de montaje : tipo orificio pasante, montaje en superficie o brida.

·  Apertura del eje del rotor : debe coincidir exactamente con el diámetro del eje del motor.

·  Especificaciones del cable conductor : longitud del cable, calibre y tipo de conector.

3.2 Personalización eléctrica

·  Número de pares de polos : parámetro clave que determina la resolución de la medición; se puede adaptar a las necesidades.

·  Tensión de excitación : normalmente CA 7 Vrms, pero ajustable según las necesidades del sistema.

·  Frecuencia de excitación : normalmente 10 kHz, pero se pueden especificar otras frecuencias.

·  Relación de transformación : determina la amplitud de la señal de salida, afectando el procesamiento de la señal del chip decodificador descendente.

·  Impedancia de entrada/salida : debe coincidir con el circuito de accionamiento.

3.3 Personalización del rendimiento

·  Grado de precisión : desde precisión estándar hasta alta precisión (por ejemplo, ±4 minutos de arco) disponible.

·  Velocidad máxima de rotación : estándar 20.000 rpm; Se pueden personalizar velocidades más altas.

·  Rango de temperatura de funcionamiento : adaptado a las condiciones reales de trabajo.

·  Clase de protección : por ejemplo, IP69 o superior.

3.4 Personalizaciones especiales

·  Compatibilidad con aceites : materiales especiales y diseños de sellado para motores refrigerados por aceite.

·  Tolerancia de excentricidad : esquemas de bobinado patentados para compensar los errores de excentricidad de montaje.

·  Detección de temperatura integrada : termistor NTC opcional para detección combinada de posición y temperatura.

4. Proceso de personalización: desde los requisitos hasta la entrega

Un proceso típico de personalización del solucionador generalmente incluye las siguientes etapas:

Paso 1: Comunicación de requisitos  : el cliente proporciona los parámetros del motor, el espacio disponible, los objetivos de rendimiento, etc.

Paso 2: Diseño de la solución  : el proveedor desarrolla los diseños electromagnéticos y mecánicos en función de los requisitos.

Paso 3: Verificación de la simulación:  se utiliza el análisis de elementos finitos (FEA) para optimizar el rendimiento electromagnético.

Paso 4: Fabricación de prototipos:  las muestras de prototipos se producen y prueban en bancos de pruebas.

Paso 5: Producción en masa  : después de la validación, el producto pasa a la producción en volumen.

Actualmente, los principales proveedores nacionales de resolución han acortado el ciclo de entrega de personalización a tan solo 4 a 6 semanas. Algunos ya han construido líneas de producción totalmente automatizadas con capacidades anuales que superan el millón de unidades.

5. Tendencia de la industria: la sustitución interna está ganando impulso

Durante mucho tiempo, el mercado de resolutores de alta gama estuvo dominado por marcas extranjeras como las japonesas Tamagawa y MinebeaMitsumi. Sin embargo, en los últimos años, la tecnología de resolución china ha logrado avances significativos; al mismo tiempo, los chips nacionales de resolución a convertidor digital (RDC) también están avanzando rápidamente. El SC2121 de Xinchi Semiconductor y otros productos han logrado paridad funcional con modelos de renombre internacional, y Fengchao Technology también ha lanzado chips RDC de alto rendimiento.  La sustitución interna de toda la cadena, desde el sensor hasta el chip decodificador, se está acelerando.

Conclusión

Aunque de tamaño pequeño, el resolver de reluctancia variable es un sensor central indispensable en el sistema de control de los motores de accionamiento principal de vehículos de nueva energía. Su personalización afecta directamente la precisión del control, la eficiencia operativa y la confiabilidad del motor.

Con el crecimiento continuo de la industria de vehículos de nueva energía y la profundización de la sustitución nacional, los servicios de personalización de resolutores serán aún más maduros y eficientes. Para los ingenieros de motores, comprender los principios de funcionamiento y los aspectos básicos de personalización de los resolutores ya se ha convertido en un curso obligatorio.

Después de todo,  sólo cuando el motor está equipado con los 'ojos' adecuados puede ver claramente y funcionar de manera constante..