I. Principes fondamentaux des résolveurs à réluctance variable
Tout d’abord, pour comprendre la conception, il faut comprendre ses différences fondamentales par rapport aux résolveurs à rotor bobiné traditionnels :
· Résolveur traditionnel :
le stator et le rotor ont des enroulements. Le signal d'excitation et le signal de sortie sont induits électromagnétiquement à travers l'entrefer.
· Résolveur à réluctance variable (VR) :
seul le stator a des enroulements . Le rotor est un composant ferromagnétique
non enroulé constitué de pôles saillants ou d'une structure dentée. Son principe de fonctionnement est basé sur
la variation de réticence.
o Enroulements du stator :
comprennent généralement un enroulement d'excitation (primaire) et deux enroulements de sortie (enroulements sinus et cosinus, secondaire) qui sont spatialement orthogonaux (espacés de 90 degrés électriques).
o Rotation du rotor :
lorsque le rotor à pôles saillants tourne, cela modifie la longueur de l'entrefer et la réluctance du circuit magnétique.
o Modulation du signal :
La variation de la réluctance de l'entrefer module (modulation d'amplitude) l'amplitude de la tension induite dans les enroulements de sortie par le champ magnétique d'excitation. Les enveloppes d'amplitude des deux enroulements de sortie sont respectivement des fonctions sinusoïdales et cosinusoïdales de l'angle du rotor.
Ses avantages sont : une structure simple, robuste et durable (sans balais), un faible coût, une fiabilité élevée, une capacité à résister à des environnements à grande vitesse et à haute température . L'inconvénient est que la précision et la linéarité sont généralement légèrement inférieures à celles des résolveurs à rotor bobiné de haute précision.
II. Processus de conception et considérations clés
Le processus de conception est itératif et suit généralement ces étapes :
1. Définir les spécifications de conception
C’est le point de départ de toutes les conceptions et doit d’abord être clarifié :
· Nombre de paires de pôles (P) :
Détermine la relation entre les angles électriques et mécaniques (θ_électrique = P * θ_mécanique). Les configurations courantes sont 1 paire de pôles (unipolaire) et 2 paires de pôles (bipolaire). Le nombre de paires de pôles affecte la précision et la vitesse maximale.
· Exigences de précision :
généralement exprimées en minutes d'arc (′) ou en milliradians (mrad). Les conceptions de haute précision nécessitent des exigences extrêmement élevées en matière de fabrication, de matériaux et de suppression des harmoniques du champ magnétique.
· Signal d'excitation d'entrée :
amplitude de tension d'excitation, fréquence (les plus courantes sont 4 kHz, 10 kHz, etc.), forme d'onde (généralement sinusoïdale).
· Rapport de transformation (TR) :
Le rapport entre la tension de sortie et la tension d'entrée (à la position de couplage maximum).
· Erreur électrique :
comprend une erreur de fonction, une erreur de tension nulle, une erreur de phase, etc.
· Environnement d'exploitation :
plage de température, vibrations, chocs, humidité, indice de protection (IP).
· Contraintes de taille :
diamètre extérieur, alésage intérieur, épaisseur (longueur).
· Paramètres d'impédance :
impédance d'entrée/sortie, affectant la correspondance avec les circuits suivants.
2. Conception électromagnétique – Partie centrale
· Conception de stratification de stator/rotor :
o Sélection des matériaux :
utilise généralement des tôles d'acier au silicium à haute perméabilité et à faible perte de fer (par exemple, DW540, 50JN400).
o Combinaison Pole-Slot :
C'est l'âme de la conception. Le nombre d'encoches du stator (Zs) et de pôles saillants du rotor (Zr) doit être déterminé. La combinaison la plus courante est
Zr = 2P (le nombre de pôles du rotor est égal à deux fois le nombre de paires de pôles) et Zs est un multiple de Zr. Par exemple, un résolveur unipolaire (P=1) utilise souvent
Zs=4, Zr=2 ; un résolveur bipolaire (P=2) utilise souvent
Zs=8, Zr=4 ou
Zs=12, Zr=6.
o Forme de la fente/du pôle :
La forme des dents (parallèles, coniques) affecte la distribution du champ magnétique et le contenu harmonique. Les dimensions telles que la largeur des dents, la largeur d'ouverture de la fente et l'épaisseur de la culasse doivent être optimisées pour maximiser la force magnétomotrice fondamentale (MMF) et minimiser les harmoniques de la fente.
o Entrefer :
La taille de l’entrefer est un compromis critique. Un petit entrefer augmente le rapport de transformation et la force du signal, mais augmente les difficultés de fabrication, la sensibilité à l'excentricité et l'ondulation du couple. Un grand entrefer a l’effet inverse. Généralement conçu entre 0,05 mm et 0,25 mm.
· Conception d'enroulement :
o Type :
Des enroulements généralement distribués ou des enroulements concentrés (dents) sont utilisés. Les enroulements distribués (une bobine couvrant plusieurs emplacements) produisent un champ magnétique plus sinusoïdal mais sont plus complexes à fabriquer ; les enroulements concentrés sont plus simples mais ont des harmoniques plus élevées.
o Calcul de tour :
en fonction du rapport de transformation cible, de la tension d'excitation et de la fréquence, déterminez le nombre de tours pour l'enroulement d'excitation et les enroulements sinus/cosinus grâce au calcul électromagnétique. Le nombre de tours des deux bobinages de sortie doit être strictement identique.
o Méthode de connexion :
assurez-vous que les enroulements sinus et cosinus sont strictement espacés de 90 degrés électriques dans l'espace.
3. Simulation et optimisation du champ magnétique (simulation FEA) - Outil de conception moderne essentiel
Les calculs purement analytiques sont très complexes et insuffisamment précis. Un logiciel d'analyse par éléments finis (FEA) (par exemple, JMAG, ANSYS Maxwell, Simcenter Magnet) est essentiel.
· Simulation de champ statique :
calculez la distribution du champ magnétique, la matrice d'inductance et le potentiel de sortie à différents angles de rotor.
· Simulation de champ transitoire :
appliquez la tension d'excitation réelle pour simuler la forme d'onde de la tension de sortie, reflétant ainsi plus précisément les performances.
· Optimisation paramétrique :
effectuez des balayages paramétriques et une optimisation des dimensions clés telles que la forme de la dent, l'entrefer et l'ouverture de la fente pour minimiser les erreurs (par exemple, THD) et maximiser le rapport de transformation.
· Analyse des erreurs :
calculez l'erreur électrique grâce à la simulation et analysez les sources d'erreur (par exemple, les harmoniques, l'effet d'engrenage, l'effet de saturation).
4. Conception de structures mécaniques
· Boîtier et roulements :
Concevez la structure de support et sélectionnez les roulements appropriés pour garantir la concentricité entre le rotor et le stator et une variation minimale de l'entrefer, tout en résistant aux vibrations et aux chocs spécifiés.
· Connexion d'arbre :
Concevez des rainures de clavette, un alésage lisse ou une interface servo pour garantir une connexion fiable et une transmission sans jeu avec l'arbre du moteur.
· Gestion thermique :
Tenez compte de la génération de chaleur provenant des enroulements et des pertes de fer pour éviter la surchauffe dans les environnements à haute température. La conception du chemin thermique est parfois nécessaire.
· Blindage électromagnétique :
ajoutez un blindage si nécessaire pour éviter les interférences des champs magnétiques externes.
5. Considérations sur le circuit de traitement du signal
Bien qu’il ne fasse pas partie de la conception du corps du résolveur, il doit être considéré de manière synergique :
· RDC (Convertisseur Résolveur-Digital) :
Sélectionnez une puce RDC (par exemple, AD2S1205, AU6802) qui correspond à l'impédance et à la fréquence d'excitation du résolveur. L'adaptation de l'impédance d'entrée est requise lors de la conception.
· Circuit de commande d'excitation :
nécessite un circuit amplificateur opérationnel de puissance capable de fournir une onde sinusoïdale propre et stable.
· Circuit de filtre :
filtrez les signaux de sortie pour supprimer le bruit et les harmoniques haute fréquence.
III. Défis de conception et technologies clés
1. Suppression des harmoniques :
en raison de la non-linéarité de sa variation de réluctance, la tension de sortie d'un résolveur VR contient de riches harmoniques, qui sont la principale cause d'erreur. Des méthodes telles que
l'optimisation de la combinaison pôle-emplacement, l'inclinaison (emplacements ou pôles) et l'ajout d'emplacements auxiliaires sur les dents du stator peuvent supprimer efficacement les harmoniques.
2. Équilibrer précision et coût :
une précision élevée implique un usinage plus précis (entrefer plus petit, concentricité plus élevée), des matériaux de meilleure qualité (acier au silicium de qualité supérieure), des conceptions plus complexes (par exemple, plus de paires de pôles, fentes fractionnées) et des processus plus stricts, entraînant une forte augmentation des coûts.
3. Dérive de température :
La résistance des enroulements et les propriétés de l’acier au silicium changent avec la température, provoquant une dérive d’amplitude et de phase. Une compensation dans le circuit ou le logiciel est nécessaire, ou des matériaux présentant une bonne stabilité en température doivent être sélectionnés lors de la conception électromagnétique.
Résumé
Recommandations de conception :
1. Commencez par les spécifications :
tout d'abord, comprenez parfaitement les exigences spécifiques de votre scénario d'application en termes de précision, de taille et d'environnement.
2. Tirez parti de solutions éprouvées :
commencez par des combinaisons classiques de poteaux et d'emplacements (par exemple, 4-2, 8-4), car elles constituent un point de départ vérifié et fiable.
3. Conception basée sur la simulation :
ne vous arrêtez pas aux calculs théoriques ; utilisez immédiatement le logiciel FEM pour créer un modèle paramétrique pour la simulation et l'optimisation. Ceci est essentiel pour améliorer les taux de réussite de la conception et raccourcir les cycles de développement.
4. Itérer et tester :
après avoir construit un prototype, effectuez des tests de performances complets (erreur, augmentation de température, vibration, etc.), comparez-le avec les résultats de simulation, analysez les causes des différences et passez à l'itération de conception suivante.
5. Pensez au niveau du système :
considérez et déboguez le capteur du résolveur et le circuit RDC en aval comme un système intégré.
La conception de résolveurs à réluctance variable est une technologie très pratique qui nécessite des cycles répétés de théorie, de simulation et d’expérimentation.
