I. اصول اصلی حل کننده های عدم تمایل متغیر
اول ، برای درک طرح ، باید تفاوت های اساسی آن را از حل کننده های سنتی زخم زخم درک کرد:
· حل کننده سنتی: هر دو استاتور و روتور سیم پیچ دارند. سیگنال تحریک و سیگنال خروجی از نظر الکترومغناطیسی در شکاف هوا ایجاد می شود.
· حل کننده عدم تمایل متغیر (VR): فقط استاتور سیم پیچ دارد . روتور یک جزء فرومغناطیسی غیر زخم است که از قطب های برجسته یا یک ساختار دندانه دار ساخته شده است. اصل کار آن مبتنی بر تنوع عدم تمایل است.
W Windings Stator: به طور معمول شامل یک سیم پیچ تحریک (اولیه) و دو سیم پیچ خروجی (سیم پیچ سینوسی و کاسین ، ثانویه) است که از نظر مکانی ارتوگونی هستند (90 درجه الکتریکی از هم جدا).
o چرخش روتور: هنگامی که روتور با قطب های برجسته می چرخد ، طول شکاف هوا و عدم تمایل مدار مغناطیسی را تغییر می دهد.
o مدولاسیون سیگنال: تغییر در تعدیل شکاف هوا (مدولاسیون دامنه) دامنه ولتاژ ناشی از سیم پیچ خروجی توسط میدان مغناطیسی تحریک. پاکت های دامنه دو سیم پیچ خروجی به ترتیب عملکرد سینوسی و کازین زاویه روتور است.
مزایای آن عبارتند از: ساختار ساده ، ناهموار و بادوام (بدون برس) ، کم هزینه ، قابلیت اطمینان بالا ، توانایی مقاومت در برابر محیط های پر سرعت و با دمای بالا . نقطه ضعف این است که دقت و خطی معمولاً کمی پایین تر از روشهای حل کننده های روتور با دقت بالا است.
ii. فرآیند طراحی و ملاحظات کلیدی
فرایند طراحی تکراری است و به طور معمول این مراحل را دنبال می کند:
1. مشخصات طراحی را تعریف کنید
این نقطه شروع برای همه طرح ها است و ابتدا باید روشن شود:
· تعداد جفت قطب (P): رابطه بین زاویه های الکتریکی و مکانیکی (θ_electric = P * θ_mechanical) را تعیین می کند. تنظیمات مشترک 1 جفت قطب (تک قطبی) و 2 جفت قطب (دو قطبی) هستند. تعداد جفت قطب بر دقت و حداکثر سرعت تأثیر می گذارد.
· الزامات صحت: معمولاً در قوسهای (′) یا میلیدرادی ها (MRAD) بیان می شود. طرح های با دقت بالا نیاز به تقاضای بسیار بالایی برای تولید ، مواد و سرکوب هارمونیک میدان مغناطیسی دارند.
· سیگنال تحریک ورودی: دامنه ولتاژ تحریک ، فرکانس (موارد مشترک 4kHz ، 10kHz و غیره) ، شکل موج (معمولاً سینوسی).
· نسبت تحول (TR): نسبت ولتاژ خروجی به ولتاژ ورودی (در موقعیت حداکثر اتصال).
· خطای الکتریکی: شامل خطای عملکرد ، خطای ولتاژ تهی ، خطای فاز و غیره است.
· محیط عملیاتی: دامنه دما ، لرزش ، شوک ، رطوبت ، حفاظت از ورود (IP).
· محدودیت های اندازه: قطر بیرونی ، سوراخ داخلی ، ضخامت (طول).
· پارامترهای امپدانس: امپدانس ورودی/خروجی ، بر تطبیق با مدار بعدی تأثیر می گذارد.
2. طراحی الکترومغناطیسی - قسمت اصلی
· طراحی لمینیت استاتور/روتور:
o انتخاب مواد: به طور معمول از ورق های فولادی سیلیکون با نفوذپذیری بالا و از بین رفتن آهن کم استفاده می کند (به عنوان مثال ، DW540 ، 50JN400).
o ترکیب Slot Pole: این روح طراحی است. تعداد شکافهای استاتور (ZS) و قطب های برجسته روتور (ZR) باید تعیین شود. متداول ترین ترکیب Zr = 2p است (تعداد قطب های روتور برابر با تعداد جفت های قطب برابر است) ، و ZS چند مورد از Zr است. به عنوان مثال ، یک حل کننده تک قطبی (P = 1) اغلب از ZS = 4 ، Zr = 2 استفاده می کند . یک حل کننده دو قطبی (P = 2) اغلب از ZS = 8 ، Zr = 4 یا ZS = 12 ، Zr = 6 استفاده می کند.
o شکل شکاف/قطب: شکل دندان ها (موازی ، مخروط) بر توزیع میدان مغناطیسی و محتوای هارمونیک تأثیر می گذارد. ابعادی مانند عرض دندان ، عرض باز شدن شکاف و ضخامت یوغ برای به حداکثر رساندن نیروی مغناطیسی اساسی (MMF) و به حداقل رساندن هارمونیک های شکاف نیاز به بهینه سازی دارد.
o شکاف هوا: اندازه شکاف هوا یک تجارت مهم است. شکاف هوای کوچک باعث افزایش نسبت تحول و استحکام سیگنال می شود اما باعث افزایش دشواری تولید ، حساسیت به خارج از مرکز و موج موج گشتاور می شود. شکاف هوایی بزرگ اثر متضاد دارد. به طور معمول بین 0.05 میلی متر - 0.25 میلی متر طراحی شده است.
· طراحی سیم پیچ:
o نوع: از سیم پیچ های توزیع شده یا سیم پیچ های غلیظ (دندان) استفاده می شود. سیم پیچ های توزیع شده (یک سیم پیچ که چندین شکاف در آن وجود دارد) یک میدان مغناطیسی سینوسی تر تولید می کند اما برای تولید پیچیده تر است. سیم پیچ های متمرکز ساده تر هستند اما هارمونیک بالاتری دارند.
o محاسبه چرخش: بر اساس نسبت تحول هدف ، ولتاژ تحریک و فرکانس ، تعداد چرخش ها را برای سیم پیچ تحریک و سیم پیچ سینوسی/کسین از طریق محاسبه الکترومغناطیسی تعیین کنید. تعداد چرخش برای دو سیم پیچ خروجی باید کاملاً یکسان باشد.
o روش اتصال: اطمینان حاصل کنید که سیم پیچ های سینوسی و کاسین به طور دقیق 90 درجه الکتریکی از هم جدا هستند.
3. شبیه سازی و بهینه سازی میدان مغناطیسی (شبیه سازی FEA) - ابزار طراحی مدرن مدرن
محاسبات کاملاً تحلیلی بسیار پیچیده و به اندازه کافی دقیق است. نرم افزار تجزیه و تحلیل عناصر محدود (FEA) (به عنوان مثال ، JMAG ، ANSYS MAXWELL ، SimCenter Magnet) ضروری است.
· شبیه سازی میدان استاتیک: توزیع میدان مغناطیسی ، ماتریس القایی و پتانسیل خروجی را در زاویه های روتور مختلف محاسبه کنید.
· شبیه سازی میدان گذرا: ولتاژ تحریک واقعی را برای شبیه سازی شکل موج ولتاژ خروجی ، با دقت بیشتری منعکس کننده عملکرد اعمال کنید.
· بهینه سازی پارامتری: رفت و برگشت پارامتری و بهینه سازی ابعاد کلیدی مانند شکل دندان ، شکاف هوا و باز کردن شکاف را برای به حداقل رساندن خطا (به عنوان مثال ، THD) انجام دهید و نسبت تحول را به حداکثر برسانید.
· تجزیه و تحلیل خطا: خطای الکتریکی را از طریق شبیه سازی و تجزیه و تحلیل منابع خطا محاسبه کنید (به عنوان مثال ، هارمونیک ، اثر cogging ، اثر اشباع).
4. طراحی ساختار مکانیکی
· مسکن و یاتاقان ها: ساختار پشتیبانی را طراحی کرده و یاتاقان های مناسب را انتخاب کنید تا از غلظت بین روتور و استاتور و تغییر حداقل شکاف هوا اطمینان حاصل کنید ، در حالی که تحمل لرزش و شوک مشخص شده است.
· اتصال شافت: کلید راه های طراحی ، مته صاف یا رابط سروو برای اطمینان از اتصال قابل اعتماد و انتقال عاری از عاری از حالت با شافت موتور.
· مدیریت حرارتی: برای جلوگیری از گرمای بیش از حد در محیط های درجه حرارت بالا ، تولید گرما را از سیم پیچ و ضرر آهن در نظر بگیرید. طراحی مسیر حرارتی گاهی اوقات لازم است.
· محافظ الکترومغناطیسی: در صورت لزوم یک سپر اضافه کنید تا از تداخل میدان های مغناطیسی خارجی جلوگیری شود.
5. ملاحظات مدار پردازش سیگنال
اگرچه بخشی از طراحی بدن حل کننده نیست ، اما باید به صورت هم افزایی در نظر گرفته شود:
· RDC (مبدل حل کننده به دیجیتال): یک تراشه RDC (به عنوان مثال ، AD2S1205 ، AU6802) را انتخاب کنید که مطابق با امپدانس و فرکانس تحریک حل کننده باشد. تطبیق امپدانس ورودی در طول طراحی مورد نیاز است.
· مدار درایو تحریک: به یک مدار AMP قدرت نیاز دارد که بتواند موج سینوسی تمیز و پایدار را فراهم کند.
· مدار فیلتر: سیگنال های خروجی را برای سرکوب نویز و هارمونیک با فرکانس بالا فیلتر کنید.
iii طراحی چالش ها و فن آوری های کلیدی
1. سرکوب هارمونیک: به دلیل عدم خطی بودن تنوع عدم تمایل آن ، ولتاژ خروجی یک حل کننده VR حاوی هارمونیک های غنی است که عامل اصلی خطا است. روش هایی مانند بهینه سازی ترکیبی ترکیبی از قطب ، چاشنی (شکاف یا قطب) و اضافه کردن شکافهای کمکی بر روی دندانهای استاتور می تواند هارمونیک ها را به طور مؤثر سرکوب کند.
2. تعادل و هزینه: دقت بالا دلالت بر ماشینکاری دقیق تر (شکاف هوای کوچکتر ، غلظت بالاتر) ، مواد با کیفیت بالاتر (فولاد سیلیکون درجه بالاتر) ، طرح های پیچیده تر (به عنوان مثال ، جفت های قطبی بیشتر ، اسلات های کسری) و فرآیندهای سختگیرانه است که منجر به افزایش شدید هزینه ها می شود.
3. رانش دما: مقاومت سیم پیچ ها و خصوصیات فولاد سیلیکون با دما تغییر می کند و باعث دامنه و رانش فاز می شود. جبران خسارت در مدار یا نرم افزار مورد نیاز است ، یا موادی با ثبات دمای خوب باید در طول طراحی الکترومغناطیسی انتخاب شوند.
خلاصه
توصیه های طراحی:
1. با مشخصات شروع کنید: ابتدا نیازهای خاص سناریوی برنامه خود را در مورد صحت ، اندازه و محیط زیست کاملاً درک کنید.
2. راه حل های اثبات شده اهرم: با ترکیب های کلاسیک-شکاف قطب (به عنوان مثال ، 4-2 ، 8-4) شروع کنید ، زیرا آنها یک نقطه شروع تأیید شده و قابل اعتماد هستند.
3. طراحی شبیه سازی محور: در محاسبات نظری متوقف نشوید. بلافاصله از نرم افزار FEM برای ایجاد یک مدل پارامتری برای شبیه سازی و بهینه سازی استفاده کنید. این مهم برای بهبود نرخ موفقیت طراحی و کوتاه کردن چرخه های توسعه است.
4. تکرار و آزمایش: پس از ساختن یک نمونه اولیه ، تست های جامع عملکرد (خطا ، افزایش دما ، لرزش و غیره) را انجام دهید ، با نتایج شبیه سازی مقایسه کنید ، علل اختلافات را تجزیه و تحلیل کرده و به تکرار طراحی بعدی بروید.
5. در سطح سیستم فکر کنید: سنسور حل کننده و مدار پایین دست RDC را به عنوان یک سیستم یکپارچه در نظر بگیرید.
طراحی حل کننده های عدم تمایل متغیر یک فناوری بسیار کاربردی است که به چرخه های مکرر نظریه ، شبیه سازی و آزمایش نیاز دارد.
