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 kommutációvezérlést elérni, ami durva, szaggatott teljesítményt vagy akár teljes működési kudarcot eredményez. Az adatok azt mutatják, hogy az új energiafelhasználású személygépjárművek fő hajtómotorjaiban a rezolverek penetrációs aránya eléri  a 78,6%-ot  , vagyis szinte minden új energiájú jármű fő hajtómotorja 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 szilikon acél 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 lett ez a legjobb választás az elektromos járművek főhajtású motorjai között?

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 4-6 hétre rövidítették le 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.