I. Prinsip Inti Penyelesai Keengganan Variabel
Pertama, untuk memahami desainnya, kita harus memahami perbedaan mendasarnya dari penyelesai rotor luka tradisional:
· Resolver Tradisional:
Stator dan rotor memiliki belitan. Sinyal eksitasi dan sinyal keluaran diinduksi secara elektromagnetik melintasi celah udara.
· Variable Reluctance (VR) Resolver:
Hanya stator yang mempunyai belitan . Rotor adalah komponen feromagnetik
tak-tergulung yang terbuat dari kutub menonjol atau struktur bergigi. Prinsip kerjanya didasarkan pada
variasi keengganan.
o Belitan Stator:
Biasanya mencakup satu belitan eksitasi (primer) dan dua belitan keluaran (belitan sinus dan kosinus, sekunder) yang ortogonal secara spasial (terpisah 90 derajat listrik).
o Rotasi Rotor:
Ketika rotor dengan kutub menonjol berputar, hal itu mengubah panjang celah udara dan keengganan rangkaian magnet.
o Modulasi Sinyal:
Variasi keengganan celah udara memodulasi (modulasi amplitudo) amplitudo tegangan yang diinduksi dalam belitan keluaran oleh medan magnet eksitasi. Selubung amplitudo dari dua belitan keluaran masing-masing merupakan fungsi sinusoidal dan kosinus dari sudut rotor.
Keunggulannya adalah: struktur sederhana, kokoh dan tahan lama (tanpa sikat), biaya rendah, keandalan tinggi, kemampuan menahan lingkungan berkecepatan tinggi dan suhu tinggi . Kerugiannya adalah akurasi dan linearitas biasanya sedikit lebih rendah dibandingkan dengan penyelesai rotor luka dengan presisi tinggi.
II. Proses Desain dan Pertimbangan Utama
Proses desain bersifat berulang dan biasanya mengikuti langkah-langkah berikut:
1. Tentukan Spesifikasi Desain
Ini adalah titik awal untuk semua desain dan harus diperjelas terlebih dahulu:
· Jumlah Pasangan Kutub (P):
Menentukan hubungan sudut listrik dan mekanik (θ_listrik = P * θ_mekanis). Konfigurasi yang umum adalah 1 pasang kutub (unipolar) dan 2 pasang kutub (bipolar). Banyaknya pasangan tiang mempengaruhi akurasi dan kecepatan maksimal.
· Persyaratan Akurasi:
Biasanya dinyatakan dalam menit busur (′) atau miliradian (mrad). Desain presisi tinggi memerlukan tuntutan yang sangat tinggi pada manufaktur, material, dan penekanan harmonik medan magnet.
· Sinyal Eksitasi Masukan:
Amplitudo tegangan eksitasi, frekuensi (yang umum adalah 4kHz, 10kHz, dll.), bentuk gelombang (biasanya sinusoidal).
· Transformation Ratio (TR):
Rasio tegangan keluaran terhadap tegangan masukan (pada posisi kopling maksimum).
· Kesalahan Listrik:
Termasuk kesalahan fungsi, kesalahan tegangan nol, kesalahan fasa, dll.
· Lingkungan Pengoperasian:
Kisaran suhu, getaran, guncangan, kelembapan, peringkat perlindungan masuknya (IP).
· Batasan Ukuran:
Diameter luar, lubang dalam, ketebalan (panjang).
· Parameter Impedansi:
Impedansi input/output, mempengaruhi pencocokan dengan sirkuit berikutnya.
2. Desain Elektromagnetik - Bagian Inti
· Desain Laminasi Stator/Rotor:
o Pemilihan Bahan:
Biasanya menggunakan lembaran baja silikon dengan permeabilitas tinggi dan kehilangan besi rendah (misalnya DW540, 50JN400).
o Kombinasi Tiang-Slot:
Inilah jiwa desainnya. Jumlah slot stator (Zs) dan kutub menonjol rotor (Zr) harus ditentukan. Kombinasi yang paling umum adalah
Zr = 2P (jumlah kutub rotor sama dengan dua kali jumlah pasangan kutub), dan Zs adalah kelipatan Zr. Misalnya, penyelesai unipolar (P=1) sering menggunakan
Zs=4, Zr=2 ; penyelesai bipolar (P=2) sering menggunakan
Zs=8, Zr=4 atau
Zs=12, Zr=6.
o Bentuk Slot/Tiang:
Bentuk gigi (sejajar, meruncing) mempengaruhi distribusi medan magnet dan kandungan harmonik. Dimensi seperti lebar gigi, lebar bukaan slot, dan ketebalan yoke perlu dioptimalkan untuk memaksimalkan gaya gerak magnet fundamental (MMF) dan meminimalkan harmonik slot.
o Celah Udara:
Besarnya celah udara merupakan trade-off yang penting. Celah udara yang kecil meningkatkan rasio transformasi dan kekuatan sinyal tetapi meningkatkan kesulitan produksi, sensitivitas terhadap eksentrisitas, dan riak torsi. Celah udara yang besar mempunyai efek sebaliknya. Biasanya dirancang antara 0,05 mm - 0,25 mm.
· Desain Berliku:
o Jenis:
Biasanya digunakan belitan terdistribusi atau belitan terkonsentrasi (gigi). Gulungan terdistribusi (satu kumparan yang mencakup beberapa slot) menghasilkan medan magnet yang lebih sinusoidal tetapi lebih rumit untuk diproduksi; belitan terkonsentrasi lebih sederhana tetapi memiliki harmonik yang lebih tinggi.
o Perhitungan Putaran:
Berdasarkan rasio transformasi target, tegangan eksitasi, dan frekuensi, tentukan jumlah belitan untuk belitan eksitasi dan belitan sinus/kosinus melalui perhitungan elektromagnetik. Jumlah belitan untuk kedua belitan keluaran harus benar-benar sama.
o Metode Penyambungan:
Pastikan belitan sinus dan kosinus berjarak 90 derajat listrik secara spasial.
3. Simulasi dan Optimasi Medan Magnet (Simulasi FEA) - Alat Desain Modern yang Penting
Perhitungan analitis murni sangat rumit dan kurang akurat. Perangkat lunak Analisis Elemen Hingga (FEA) (misalnya, JMAG, ANSYS Maxwell, Simcenter Magnet) sangat penting.
· Simulasi Medan Statis:
Hitung distribusi medan magnet, matriks induktansi, dan potensial keluaran pada sudut rotor yang berbeda.
· Simulasi Medan Sementara:
Terapkan tegangan eksitasi aktual untuk mensimulasikan bentuk gelombang tegangan keluaran, yang mencerminkan kinerja dengan lebih akurat.
· Optimasi Parametrik:
Lakukan sapuan parametrik dan optimalisasi dimensi utama seperti bentuk gigi, celah udara, dan bukaan slot untuk meminimalkan kesalahan (misalnya THD) dan memaksimalkan rasio transformasi.
· Analisis Kesalahan:
Menghitung kesalahan kelistrikan melalui simulasi dan menganalisis sumber kesalahan (misalnya harmonik, efek cogging, efek saturasi).
4. Desain Struktur Mekanik
· Perumahan dan Bantalan:
Rancang struktur pendukung dan pilih bantalan yang sesuai untuk memastikan konsentrisitas antara rotor dan stator dan variasi celah udara minimal, sekaligus menahan getaran dan guncangan tertentu.
· Sambungan Poros:
Rancang alur pasak, lubang halus, atau antarmuka servo untuk memastikan sambungan yang andal dan transmisi bebas serangan balik dengan poros motor.
· Manajemen Termal:
Pertimbangkan pembangkitan panas dari belitan dan kehilangan besi untuk mencegah panas berlebih di lingkungan bersuhu tinggi. Desain jalur termal terkadang diperlukan.
· Pelindung Elektromagnetik:
Tambahkan pelindung jika perlu untuk mencegah interferensi dari medan magnet eksternal.
5. Pertimbangan Rangkaian Pemrosesan Sinyal
Meski bukan bagian dari desain bodi penyelesai, namun harus diperhatikan secara sinergis:
· RDC (Resolver-to-Digital Converter):
Pilih chip RDC (misalnya, AD2S1205, AU6802) yang cocok dengan impedansi dan frekuensi eksitasi penyelesai. Pencocokan impedansi masukan diperlukan selama desain.
· Rangkaian Penggerak Eksitasi:
Membutuhkan rangkaian op-amp daya yang mampu menghasilkan gelombang sinus yang bersih dan stabil.
· Sirkuit Filter:
Menyaring sinyal keluaran untuk menekan kebisingan dan harmonik frekuensi tinggi.
AKU AKU AKU. Tantangan Desain dan Teknologi Utama
1. Penekanan Harmonik:
Karena variasi keengganannya yang non-linearitas, tegangan output dari penyelesai VR mengandung harmonik yang kaya, yang merupakan penyebab utama kesalahan. Metode seperti
optimasi kombinasi tiang-slot, kemiringan (slot atau tiang), dan penambahan slot tambahan pada gigi stator dapat secara efektif menekan harmonisa.
2. Menyeimbangkan Akurasi dan Biaya:
Akurasi tinggi berarti pemesinan lebih presisi (celah udara lebih kecil, konsentrisitas lebih tinggi), material berkualitas lebih tinggi (baja silikon kualitas lebih tinggi), desain lebih kompleks (misalnya, lebih banyak pasangan kutub, slot fraksional), dan proses lebih ketat, yang menyebabkan peningkatan biaya secara tajam.
3. Penyimpangan Suhu:
Resistansi belitan dan sifat baja silikon berubah seiring suhu, menyebabkan penyimpangan amplitudo dan fasa. Kompensasi di sirkuit atau perangkat lunak diperlukan, atau bahan dengan stabilitas suhu yang baik harus dipilih selama desain elektromagnetik.
Ringkasan
Rekomendasi Desain:
1. Mulailah dengan Spesifikasi:
Pertama, pahami secara menyeluruh persyaratan spesifik skenario aplikasi Anda terkait akurasi, ukuran, dan lingkungan.
2. Memanfaatkan Solusi yang Terbukti:
Mulailah dengan kombinasi slot tiang klasik (misalnya, 4-2, 8-4), karena kombinasi tersebut merupakan titik awal yang terverifikasi dan dapat diandalkan.
3. Desain Berbasis Simulasi:
Jangan berhenti pada perhitungan teoretis; segera gunakan perangkat lunak FEM untuk membuat model parametrik untuk simulasi dan optimasi. Ini adalah kunci untuk meningkatkan tingkat keberhasilan desain dan memperpendek siklus pengembangan.
4. Iterasi dan Uji:
Setelah membuat prototipe, lakukan uji kinerja komprehensif (kesalahan, kenaikan suhu, getaran, dll.), bandingkan dengan hasil simulasi, analisis penyebab perbedaan, dan lanjutkan ke iterasi desain berikutnya.
5. Berpikir di Tingkat Sistem:
Pertimbangkan dan debug sensor penyelesai dan sirkuit RDC hilir sebagai sistem terintegrasi.
Desain penyelesai keengganan variabel adalah teknologi yang sangat praktis yang memerlukan siklus teori, simulasi, dan eksperimen yang berulang.
