I. Muutuva vastumeelsusega lahendajate põhiprintsiibid
Esiteks, konstruktsiooni mõistmiseks tuleb mõista selle põhimõttelisi erinevusi traditsioonilistest haavarootori lahendajatest:
· Traditsiooniline lahendaja:
nii staatoril kui ka rootoril on mähised. Ergastussignaal ja väljundsignaal indutseeritakse elektromagnetiliselt üle õhupilu.
· Variable Reluktance (VR) lahendaja:
ainult staatoril on mähised . Rootor on
kerimata ferromagnetiline komponent, mis on valmistatud väljapaistvatest poolustest või hammastatud struktuurist. Selle tööpõhimõte põhineb
vastumeelsuse varieerumisel.
o Staatori mähised:
sisaldavad tavaliselt ühte ergutusmähist (primaarmähis) ja kahte väljundmähist (siinus- ja koosinusmähised, sekundaarmähised), mis on ruumiliselt ortogonaalsed (vahega 90 elektrikraadi).
o Rootori pöörlemine:
kui väljaulatuvate poolustega rootor pöörleb, muudab see õhupilu pikkust ja magnetahela reluktantsust.
o Signaali modulatsioon:
Õhupilu reluktantsi kõikumine moduleerib (amplituudmodulatsioon) ergastava magnetvälja poolt väljundmähistes indutseeritud pinge amplituudi. Kahe väljundmähise amplituudi mähisjooned on vastavalt rootori nurga siinus- ja koosinusfunktsioonid.
Selle eelised on: lihtne struktuur, vastupidav ja vastupidav (harjadeta), madal hind, kõrge töökindlus, võime taluda kiiret ja kõrge temperatuuriga keskkonda . Puuduseks on see, et täpsus ja lineaarsus on tavaliselt veidi madalamad kui ülitäpse rootori lahendajatel.
II. Disainiprotsess ja peamised kaalutlused
Disainiprotsess on iteratiivne ja järgib tavaliselt järgmisi samme:
1. Määratlege disaini spetsifikatsioonid
See on kõigi disainilahenduste lähtepunkt ja seda tuleb kõigepealt selgitada:
· Pooluste paaride arv (P):
määrab elektriliste ja mehaaniliste nurkade vahelise suhte (θ_electric = P * θ_mechanical). Levinud konfiguratsioonid on 1 pooluste paar (unipolaarne) ja 2 pooluste paari (bipolaarne). Pooluste paaride arv mõjutab täpsust ja maksimaalset kiirust.
· Täpsusnõuded:
Tavaliselt väljendatakse kaareminutites (′) või milliradiaanides (mrad). Kõrge täpsusega konstruktsioonid nõuavad väga kõrgeid nõudmisi tootmisele, materjalidele ja magnetvälja harmooniliste summutamisele.
· Sisendergutussignaal:
ergastuspinge amplituud, sagedus (levinud on 4kHz, 10kHz jne), lainekuju (tavaliselt sinusoidne).
· Transformatsioonisuhe (TR):
väljundpinge ja sisendpinge suhe (maksimaalse sidestuse asendis).
· Elektriline viga:
sisaldab funktsiooniviga, nullpinge viga, faasiviga jne.
· Kasutuskeskkond:
temperatuurivahemik, vibratsioon, löök, niiskus, sissepääsukaitse (IP) reiting.
· Suuruse piirangud:
välisläbimõõt, sisemine läbimõõt, paksus (pikkus).
· Impedantsi parameetrid:
sisend/väljundtakistus, mis mõjutab sobitamist järgnevate vooluahelatega.
2. Elektromagnetiline disain – põhiosa
· Staatori/rootori lamineerimise disain:
o Materjali valik:
Tavaliselt kasutatakse suure läbilaskvusega ja madala rauakaoga räniteraslehti (nt DW540, 50JN400).
o Pole-pesa kombinatsioon:
see on disaini hing. Määrata tuleb staatori pilude (Zs) ja rootori väljaulatuvate pooluste (Zr) arv. Kõige tavalisem kombinatsioon on
Zr = 2P (rootori pooluste arv võrdub pooluste paaride kahekordse arvuga) ja Zs on Zr kordne. Näiteks unipolaarne lahendaja (P=1) kasutab sageli
Zs=4, Zr=2 ; bipolaarne lahendaja (P=2) kasutab sageli
Zs=8, Zr=4 või
Zs=12, Zr=6.
o Pilu/pooluse kuju:
hammaste kuju (paralleelne, kitsenev) mõjutab magnetvälja jaotust ja harmoonilist sisu. Mõõtmed, nagu hamba laius, pilu avanemise laius ja ikke paksus, vajavad optimeerimist, et maksimeerida põhilist magnetmotiivijõudu (MMF) ja minimeerida pilu harmoonilisi.
o Õhupilu:
õhupilu suurus on kriitiline kompromiss. Väike õhuvahe suurendab teisendussuhet ja signaali tugevust, kuid suurendab valmistamise raskusi, tundlikkust ekstsentrilisuse suhtes ja pöördemomendi pulsatsiooni. Suurel õhuvahel on vastupidine mõju. Tavaliselt konstrueeritud vahemikus 0,05–0,25 mm.
· Mähise disain:
o Tüüp:
kasutatakse tavaliselt hajutatud mähiseid või kontsentreeritud (hammas) mähiseid. Jaotatud mähised (üks mähis, mis hõlmab mitut pilu) tekitavad sinusoidsema magnetvälja, kuid neid on keerulisem valmistada; kontsentreeritud mähised on lihtsamad, kuid suurema harmoonilisega.
o Pöörete arvutamine:
määrake ergutusmähise ja siinus/koosinusmähiste keerdude arv elektromagnetilise arvutuse abil sihttransformatsiooni suhte, ergutuspinge ja sageduse põhjal. Kahe väljundmähise pöörete arv peab olema rangelt identne.
o Ühendusmeetod:
veenduge, et siinus- ja koosinusmähised oleksid ruumiliselt rangelt 90 elektrikraadi kaugusel.
3. Magnetvälja simulatsioon ja optimeerimine (FEA simulatsioon) – oluline kaasaegne disainitööriist
Puhtalt analüütilised arvutused on väga keerulised ja ebapiisavalt täpsed. Lõplike elementide analüüsi (FEA) tarkvara (nt JMAG, ANSYS Maxwell, Simcenter Magnet) on hädavajalik.
· Staatilise välja simulatsioon:
arvutage magnetvälja jaotus, induktiivmaatriks ja väljundpotentsiaal erinevate rootori nurkade korral.
· Siirdevälja simulatsioon:
rakendage tegelikku ergutuspinget, et simuleerida väljundpinge lainekuju, peegeldades täpsemalt jõudlust.
· Parameetriline optimeerimine:
tehke parameetrilisi pühkimisi ja võtmemõõtmete optimeerimist, nagu hamba kuju, õhupilu ja pilu avamine, et minimeerida viga (nt THD) ja maksimeerida teisendussuhet.
· Veaanalüüs:
arvutage simulatsiooni abil elektrilised vead ja analüüsige veaallikaid (nt harmoonilised, kogetav efekt, küllastusefekt).
4. Mehaanilise konstruktsiooni projekteerimine
· Korpus ja laagrid:
projekteerige tugistruktuur ja valige sobivad laagrid, et tagada rootori ja staatori vaheline kontsentrilisus ning minimaalne õhuvahe kõikumine, taludes samal ajal kindlaksmääratud vibratsiooni ja lööke.
· Võlli ühendus:
projekteerige võtmeavad, sile ava või servo liides, et tagada usaldusväärne ühendus ja lõtkuvaba ülekanne mootori võlliga.
· Soojusjuhtimine.
Kõrge temperatuuriga keskkondades ülekuumenemise vältimiseks võtke arvesse mähiste soojuse teket ja rauakadusid. Mõnikord on vajalik soojustee projekteerimine.
· Elektromagnetiline varjestus:
vajadusel lisage varjestus, et vältida välistest magnetväljadest tulenevaid häireid.
5. Signaalitöötlusahela kaalutlused
Kuigi see ei kuulu lahendaja korpuse kujundusse, tuleb seda käsitleda sünergiliselt:
· RDC (Resolver-to-Digital Converter):
valige RDC-kiip (nt AD2S1205, AU6802), mis sobib lahendaja impedantsi ja ergastussagedusega. Projekteerimise ajal on vajalik sisendtakistuse sobitamine.
· Ergastusajami vooluahel:
nõuab toitevõimendit, mis on võimeline tagama puhta ja stabiilse siinuslaine.
· Filtriahel:
filtreerige väljundsignaale kõrgsagedusliku müra ja harmooniliste summutamiseks.
III. Disaini väljakutsed ja võtmetehnoloogiad
1. Harmooniline summutamine:
VR-lahuti väljundpinge reluktantsi varieerumise mittelineaarsuse tõttu sisaldab rikkalikke harmoonilisi, mis on vigade peamine põhjus. Sellised meetodid nagu
pooluste-pilude kombinatsiooni optimeerimine, kallutamine (pilud või poolused) ja abipilude lisamine staatori hammastele võivad harmoonilisi tõhusalt maha suruda.
2. Tasakaalustamise täpsus ja maksumus:
suur täpsus eeldab täpsemat töötlemist (väiksem õhuvahe, suurem kontsentrilisus), kvaliteetsemaid materjale (kõrgema kvaliteediga räniteras), keerukamat konstruktsiooni (nt rohkem pooluste paare, murdosa pilusid) ja rangemaid protsesse, mis toob kaasa järsu kulude suurenemise.
3. Temperatuuri triiv:
mähiste takistus ja räniterase omadused muutuvad koos temperatuuriga, põhjustades amplituudi ja faasi triivi. Vaja on kompenseerimist vooluringis või tarkvaras või tuleks elektromagnetilise projekteerimise käigus valida hea temperatuuristabiilsusega materjalid.
Kokkuvõte
Disaini soovitused:
1. Alustage spetsifikatsioonidest.
Esiteks mõistke põhjalikult oma rakenduse stsenaariumi spetsiifilisi nõudeid täpsuse, suuruse ja keskkonna kohta.
2. Kasutage tõestatud lahendusi:
alustage klassikaliste pole-pesa kombinatsioonidega (nt 4-2, 8-4), kuna need on kontrollitud ja usaldusväärne lähtepunkt.
3. Simulatsioonipõhine disain:
ärge piirduge teoreetiliste arvutustega; kasutage kohe FEM-tarkvara, et luua simulatsiooniks ja optimeerimiseks parameetriline mudel. See on võtmetähtsusega disaini edukuse määrade parandamiseks ja arendustsüklite lühendamiseks.
4. Korda ja testi:
pärast prototüübi ehitamist viige läbi põhjalikud jõudluskatsed (viga, temperatuuri tõus, vibratsioon jne), võrrelge simulatsiooni tulemustega, analüüsige erinevuste põhjuseid ja jätkake järgmise projekteerimise iteratsiooniga.
5. Mõelge süsteemi tasemel:
kaaluge ja siluge lahendaja andurit ja allavoolu RDC-ahelat kui integreeritud süsteemi.
Muutuva vastumeelsuse lahendajate disain on väga praktiline tehnoloogia, mis nõuab korduvaid teooria-, simulatsiooni- ja katsetsükleid.
