Az EV Main Drive Motors 'Fiery Eyes' – Változó reluktancia-feloldók testreszabása

Bevezetés: Nélkülözhetetlen 'szem' a motorvezérléshez

Az új energetikai járművek hajtómotorjában van egy nem feltűnő, mégis kritikus fontosságú alkatrész - az változó reluktancia-feloldó  (gyakran 'resolver'-re rövidítve). A motor 'szeme' szerepét tölti be, és folyamatosan közli a motorvezérlővel: 'Hol van most a rotor? Mekkora a forgási sebesség?'

E 'szem' nélkül az állandó mágneses szinkronmotorok nem tudnak precíz kommutáció-szabályozást elérni, ami durva, szaggatott teljesítményt vagy akár teljes működési kudarcot eredményez. Az adatok azt mutatják, hogy az új energiafelhasználású személygépjárművek fő hajtású motorjaiban a rezolverek penetrációs aránya eléri  a 78,6%-ot  , vagyis szinte minden új energetikai jármű főhajtású motorja fel van szerelve ilyennel.

Szóval, hogyan működik valójában ez az apró szenzor? Miért kell 'testreszabni'? És milyen kulcsfontosságú paraméterekre kell figyelni a testreszabás során?

1. Mi az a Variable Reluktance Resolver?

1.1 Transzformátorból Resolverbe

Mindenki ismeri a 'transzformátort' - felfelé vagy lefelé lépteti a feszültséget. A rezolver a transzformátor továbbfejlesztett változataként fogható fel: míg a hagyományos transzformátor fix feszültséget ad ki, a rezolver a forgórész forgási szögétől függően változó feszültséget ad ki.

A változó reluktancia-feloldó a legszélesebb körben használt típus. Alapszerkezete rendkívül egyszerű:

·  Állórész : Rögzített, gerjesztőtekerccsel (bemenettel) és szinusz/koszinusz kimeneti tekercsekkel.

·  Rotor : Egymásra rakott szilíciumacél rétegelt fogazattal,  egyáltalán nem tartalmaz tekercselést , és a motor tengelyével együtt forog.

1.2 Működési elv: A légrés változásai határozzák meg a jel változásait

Ha az állórész gerjesztő tekercsére váltakozó feszültségű gerjesztőfeszültséget kapcsolunk, az állórész és a forgórész közötti légrésben váltakozó mágneses mező keletkezik. A forgórész forgásakor a légrés mágneses reluktanciája periodikusan változik, mivel a forgórész fogai (kiemelkedések és mélyedések) felváltva haladnak el az állórész fogain.

Ez a változás a két kimeneti tekercsben (szinuszos és koszinuszos) indukált feszültségek amplitúdójának változását okozza – az egyik szinuszos, a másik koszinuszos mintát követ..

E két jel értelmezésével a motorvezérlő bármely pillanatban pontosan ki tudja számítani a forgórész abszolút szöghelyzetét.

1.3 Miért vált az elektromos autók főhajtású motorjainak legjobb választásává?

A változó reluktancia-feloldó a következő erősségeknek köszönhetően 'uralja' az új energetikai járművek szektorát:

·  Rendkívül egyszerű és megbízható konstrukció : Nincs forgórész tekercs, nincsenek kefék – nincs kopási probléma, és elméleti élettartama megegyezik magának a berendezésnek az élettartamával.

·  Kivételes környezeti ellenálló képesség : -50°C és +155°C közötti üzemi hőmérséklet-tartomány, ellenáll a magas hőmérsékletnek, rezgésnek és olajszennyeződésnek.

·  Erős elektromágneses zavartűrés : Az elektromágneses indukció elvei alapján természetesen immunis a motoron belüli durva elektromágneses környezettel szemben.

·  Abszolút pozíció kimenet : Bekapcsoláskor azonnal megadja az aktuális szöget, 'homing' eljárás nélkül.

2. Miért kell a főhajtómotorhoz 'testreszabott' feloldó?

Néhányan feltehetik a kérdést: vajon a megoldók nem szabványos, készen kapható alkatrészek? Miért nem vesz egy készet?

A valóság messze nem ilyen egyszerű.  Minden új energetikai jármű fő hajtómotorját különböző teljesítménnyel, sebességgel, szerelési hellyel és működési feltételekkel tervezték – és ezek a különbségek közvetlenül meghatározzák, hogy a rezolvernek 'testreszabottnak' kell lennie.

2.1 A szerelési méretek nagyon eltérőek

A különböző motorok különböző vázméretekben kaphatók, 25-től 300-ig, mindegyikhez megfelelő méretű rezolverre van szükség. A szerelési módok is különböznek - átmenő furatos szerelés, felületi szerelés, karimás szerelés - mindegyik más-más mechanikai interfész kialakításnak megfelelően.

2.2 Az elektromos paraméterek eltérőek

Gerjesztési feszültség, gerjesztési frekvencia, póluspárok száma, transzformációs arány – mindezen elektromos paramétereknek tökéletesen meg kell felelniük a motorvezérlő rendszernek. Az össze nem illő paraméterekkel rendelkező rezolver használata a legjobb esetben csökkentheti a mérési pontosságot, legrosszabb esetben pedig működésképtelenné teheti a teljes motorvezérlő rendszert.

2.3 A pontossági követelmények jelentősen eltérőek

Az általános személygépjárművek hajtómotorjához szükséges pozíciópontosság teljesen eltér a nagy teljesítményű járművekétől. Minél több póluspár van, annál nagyobb a pontosság – 2, 4 és 6 vagy több póluspár között, a pontosság pedig 25 ívpercről 10 ívpercre vagy még nagyobbra javul.

2.4 A működési feltételek nem egységesek

Egyes motorok olajhűtéses környezetben működnek, ezért a rezolvernek olajkompatibilisnek kell lennie; mások extrém nagy fordulatszámot követnek, ezért 20 000 ford./perc vagy még magasabb támogatást igényelnek; megint mások autóipari minőségű AEC-Q tanúsítványt igényelnek – minden feltétel külön tervezési követelményeket támaszt a feloldóval szemben.

3. Resolver testreszabása: mit lehet pontosan testreszabni?

3.1 Mechanikai testreszabás

·  Külső méretek : külső átmérő, hossz, rögzítési furatok helyzete stb.

·  Rögzítési mód : átmenő furat, felületre szerelhető vagy karimás.

·  A forgórész tengelyének nyílása : pontosan meg kell egyeznie a motor tengelyének átmérőjével.

·  Az ólomhuzal specifikációi : vezeték hossza, átmérője és csatlakozó típusa.

3.2 Elektromos testreszabás

·  Póluspárok száma : a mérési felbontást meghatározó kulcsparaméter; igényekre szabható.

·  Gerjesztési feszültség : jellemzően AC 7 Vrms, de rendszerigényenként állítható.

·  Gerjesztési frekvencia : általában 10 kHz, de más frekvenciák is megadhatók.

·  Transzformációs arány : meghatározza a kimeneti jel amplitúdóját, ami befolyásolja a downstream dekódoló chip jelfeldolgozását.

·  Bemeneti/kimeneti impedancia : meg kell egyeznie a meghajtó áramkörrel.

3.3 Teljesítmény testreszabása

·  Pontossági fokozat : a standard pontosságtól a nagy pontosságig (pl. ±4 ívperc) elérhető.

·  Maximális fordulatszám : normál 20 000 ford./perc; nagyobb sebesség testreszabható.

·  Működési hőmérséklet tartomány : a tényleges munkakörülményekhez szabva.

·  Védettség : pl. IP69 vagy magasabb.

3.4 Speciális testreszabások

·  Olajkompatibilitás : speciális anyagok és tömítések olajhűtéses motorokhoz.

·  Excentricitástűrés : szabadalmaztatott tekercselési sémák a szerelési excentricitási hibák kompenzálására.

·  Beépített hőmérsékletérzékelés : opcionális NTC termisztor a kombinált helyzet- és hőmérsékletérzékeléshez.

4. Testreszabási folyamat: a követelményektől a szállításig

Egy tipikus feloldó testreszabási folyamat általában a következő szakaszokat tartalmazza:

1. lépés: Követelmények kommunikációja  – Az ügyfél megadja a motorparamétereket, a rendelkezésre álló helyet, a teljesítménycélokat stb.

2. lépés: Megoldástervezés  – A beszállító a követelmények alapján kidolgozza az elektromágneses és mechanikai terveket.

3. lépés: Szimulációs ellenőrzés  – A végeselem-elemzést (FEA) az elektromágneses teljesítmény optimalizálására használják.

4. lépés: Prototípus gyártás  - Prototípus mintákat gyártanak és tesztelnek próbapadon.

5. lépés: Tömeggyártás  – Az érvényesítés után a termék mennyiségi gyártásba kerül.

Jelenleg a vezető hazai megoldó beszállítók már 4-6 hétre is lerövidítették a testreszabás szállítási ciklusát. Néhányan már építettek teljesen automatizált gyártósorokat, amelyek éves kapacitása meghaladja az 1 millió egységet.

5. Ipari trend: A hazai helyettesítés egyre nagyobb lendületet kap

A csúcsminőségű rezolverek piacát sokáig olyan külföldi márkák uralták, mint a japán Tamagawa és a MinebeaMitsumi. Az elmúlt években azonban a kínai rezolver technológia jelentős áttörést ért el ； Ugyanakkor a hazai rezolver-digital converter (RDC) chipek is gyorsan fejlődnek. A Xinchi Semiconductor SC2121 és más termékei funkcionális paritást értek el a nemzetközileg elismert modellekkel, és a Fengchao Technology nagy teljesítményű RDC chipeket is piacra dobott.  A teljes láncú hazai helyettesítés - az érzékelőtől a dekódoló chipig - felgyorsul.

Következtetés

Bár kis méretű, a változó reluktancia-feloldó nélkülözhetetlen központi érzékelő az új energiájú járművek fő hajtómotorjainak vezérlőrendszerében. Testreszabása közvetlenül befolyásolja a motor vezérlési pontosságát, működési hatékonyságát és megbízhatóságát.

Az új energetikai járműipar folyamatos növekedésével és a hazai helyettesítés elmélyülésével a rezolver testreszabási szolgáltatások még érettebbé és hatékonyabbá válnak. A motormérnökök számára már kötelező kurzussá vált a resolverek működési elveinek és testreszabási alapjainak megismerése.

Végül is  csak ha a motor megfelelő 'szemmel' van felszerelve, akkor tud tisztán látni és egyenletesen működni.