I. Principi fondamentali dei risolutori a riluttanza variabile
Innanzitutto, per comprendere il design, è necessario comprenderne le differenze fondamentali rispetto ai tradizionali risolutori a rotore avvolto:
· Resolver tradizionale:
sia lo statore che il rotore hanno avvolgimenti. Il segnale di eccitazione e il segnale di uscita sono indotti elettromagneticamente attraverso il traferro.
· Resolver a riluttanza variabile (VR):
solo lo statore è dotato di avvolgimenti . Il rotore è un componente ferromagnetico
non avvolto costituito da poli salienti o da una struttura dentata. Il suo principio di funzionamento si basa sulla
variazione di riluttanza.
o Avvolgimenti statorici:
in genere includono un avvolgimento di eccitazione (primario) e due avvolgimenti di uscita (avvolgimenti seno e coseno, secondari) che sono spazialmente ortogonali (90 gradi elettrici di distanza).
o Rotazione del rotore:
quando il rotore con i poli salienti ruota, cambia la lunghezza del traferro e la riluttanza del circuito magnetico.
o Modulazione del segnale:
la variazione della riluttanza del traferro modula (modulazione di ampiezza) l'ampiezza della tensione indotta negli avvolgimenti di uscita dal campo magnetico di eccitazione. Gli inviluppi di ampiezza dei due avvolgimenti di uscita sono rispettivamente funzioni sinusoidali e coseno dell'angolo del rotore.
I suoi vantaggi sono: struttura semplice, robusta e durevole (senza spazzole), basso costo, alta affidabilità, capacità di resistere ad ambienti ad alta velocità e ad alta temperatura . Lo svantaggio è che l'accuratezza e la linearità sono generalmente leggermente inferiori a quelle dei risolutori a rotore avvolto ad alta precisione.
II. Processo di progettazione e considerazioni chiave
Il processo di progettazione è iterativo e in genere segue questi passaggi:
1. Definire le specifiche di progettazione
Questo è il punto di partenza di tutti i progetti e deve essere chiarito prima:
· Numero di coppie polari (P):
Determina la relazione tra gli angoli elettrici e meccanici (θ_elettrico = P * θ_meccanico). Le configurazioni comuni sono 1 coppia di poli (unipolare) e 2 coppie di poli (bipolare). Il numero di coppie polari influisce sulla precisione e sulla velocità massima.
· Requisiti di precisione:
generalmente espressi in minuti d'arco (′) o milliradianti (mrad). I progetti ad alta precisione richiedono requisiti estremamente elevati in termini di produzione, materiali e soppressione delle armoniche del campo magnetico.
· Segnale di eccitazione in ingresso:
ampiezza della tensione di eccitazione, frequenza (quelli comuni sono 4kHz, 10kHz, ecc.), forma d'onda (solitamente sinusoidale).
· Rapporto di trasformazione (TR):
il rapporto tra la tensione di uscita e la tensione di ingresso (nella posizione di massimo accoppiamento).
· Errore elettrico:
include errore di funzione, errore di tensione nulla, errore di fase, ecc.
· Ambiente operativo:
intervallo di temperatura, vibrazioni, urti, umidità, grado di protezione dall'ingresso (IP).
· Vincoli dimensionali:
diametro esterno, foro interno, spessore (lunghezza).
· Parametri di impedenza:
impedenza di ingresso/uscita, che influenza l'adattamento con i circuiti successivi.
2. Progettazione elettromagnetica - Parte centrale
· Design della laminazione statore/rotore:
o Selezione del materiale:
in genere utilizza lamiere di acciaio al silicio con elevata permeabilità e bassa perdita di ferro (ad esempio, DW540, 50JN400).
o Combinazione Polo-Slot:
questa è l'anima del design. È necessario determinare il numero di cave dello statore (Zs) e dei poli salienti del rotore (Zr). La combinazione più comune è
Zr = 2P (il numero di poli del rotore è pari al doppio del numero di coppie di poli) e Zs è un multiplo di Zr. Ad esempio, un risolutore unipolare (P=1) utilizza spesso
Zs=4, Zr=2 ; un risolutore bipolare (P=2) utilizza spesso
Zs=8, Zr=4 o
Zs=12, Zr=6.
o Forma della fessura/polo:
la forma dei denti (paralleli, rastremati) influisce sulla distribuzione del campo magnetico e sul contenuto armonico. Dimensioni come la larghezza dei denti, l'ampiezza dell'apertura della cava e lo spessore del giogo necessitano di ottimizzazione per massimizzare la forza magnetomotrice fondamentale (MMF) e ridurre al minimo le armoniche della cava.
o Air Gap:
la dimensione del traferro è un compromesso fondamentale. Un piccolo traferro aumenta il rapporto di trasformazione e l'intensità del segnale, ma aumenta la difficoltà di produzione, la sensibilità all'eccentricità e l'ondulazione della coppia. Un ampio traferro ha l’effetto opposto. Tipicamente progettato tra 0,05 mm e 0,25 mm.
· Design dell'avvolgimento:
o Tipo:
vengono generalmente utilizzati avvolgimenti distribuiti o avvolgimenti concentrati (a denti). Gli avvolgimenti distribuiti (una bobina che si estende su più slot) producono un campo magnetico più sinusoidale ma sono più complessi da produrre; gli avvolgimenti concentrati sono più semplici ma hanno armoniche più elevate.
o Calcolo delle spire:
in base al rapporto di trasformazione target, alla tensione di eccitazione e alla frequenza, determinare il numero di spire per l'avvolgimento di eccitazione e gli avvolgimenti seno/coseno tramite il calcolo elettromagnetico. Il numero di spire dei due avvolgimenti di uscita deve essere rigorosamente identico.
o Metodo di connessione:
assicurarsi che gli avvolgimenti seno e coseno siano rigorosamente distanti 90 gradi elettrici nello spazio.
3. Simulazione e ottimizzazione del campo magnetico (simulazione FEA) - Strumento essenziale di progettazione moderna
I calcoli puramente analitici sono molto complessi e non sufficientemente accurati. Il software di analisi degli elementi finiti (FEA) (ad esempio JMAG, ANSYS Maxwell, Simcenter Magnet) è essenziale.
· Simulazione del campo statico:
calcola la distribuzione del campo magnetico, la matrice di induttanza e il potenziale di uscita a diversi angoli del rotore.
· Simulazione del campo transitorio:
applicare la tensione di eccitazione effettiva per simulare la forma d'onda della tensione di uscita, riflettendo in modo più accurato le prestazioni.
· Ottimizzazione parametrica:
esecuzione di scansioni parametriche e ottimizzazione di dimensioni chiave come la forma del dente, il traferro e l'apertura della fessura per ridurre al minimo l'errore (ad esempio, THD) e massimizzare il rapporto di trasformazione.
· Analisi degli errori:
calcola l'errore elettrico attraverso la simulazione e analizza le fonti di errore (ad esempio, armoniche, effetto di cogging, effetto di saturazione).
4. Progettazione della struttura meccanica
· Alloggiamento e cuscinetti:
progettare la struttura di supporto e selezionare i cuscinetti appropriati per garantire la concentricità tra rotore e statore e una variazione minima del traferro, resistendo allo stesso tempo alle vibrazioni e agli urti specificati.
· Collegamento dell'albero:
progettazione di sedi per chiavetta, foro liscio o interfaccia servo per garantire un collegamento affidabile e una trasmissione senza gioco con l'albero motore.
· Gestione termica:
considerare la generazione di calore dagli avvolgimenti e le perdite di ferro per prevenire il surriscaldamento in ambienti ad alta temperatura. Talvolta è necessaria la progettazione del percorso termico.
· Schermatura elettromagnetica:
aggiungere una schermatura, se necessario, per evitare interferenze provenienti da campi magnetici esterni.
5. Considerazioni sul circuito di elaborazione del segnale
Sebbene non faccia parte del progetto del corpo del risolutore, deve essere considerato sinergicamente:
· RDC (convertitore da risolutore a digitale):
selezionare un chip RDC (ad esempio, AD2S1205, AU6802) che corrisponda all'impedenza e alla frequenza di eccitazione del risolutore. L'adattamento dell'impedenza di ingresso è richiesto durante la progettazione.
· Circuito di azionamento dell'eccitazione:
richiede un circuito di potenza operazionale in grado di fornire un'onda sinusoidale pulita e stabile.
· Circuito filtro:
filtra i segnali di uscita per sopprimere il rumore e le armoniche ad alta frequenza.
III. Sfide progettuali e tecnologie chiave
1. Soppressione armonica:
a causa della non linearità della variazione di riluttanza, la tensione di uscita di un risolutore VR contiene ricche armoniche, che sono la principale causa di errore. Metodi come
l'ottimizzazione della combinazione polo-slot, l'inclinazione (slot o poli) e l'aggiunta di slot ausiliari sui denti dello statore possono sopprimere efficacemente le armoniche.
2. Bilanciamento di accuratezza e costi:
un'elevata precisione implica una lavorazione più precisa (traferro più piccolo, maggiore concentricità), materiali di qualità superiore (acciaio al silicio di qualità superiore), progetti più complessi (ad esempio, più coppie polari, fessure frazionarie) e processi più rigorosi, che portano a costi in forte aumento.
3. Deriva della temperatura:
la resistenza degli avvolgimenti e le proprietà dell'acciaio al silicio cambiano con la temperatura, causando deriva di ampiezza e fase. È necessaria una compensazione nel circuito o nel software oppure durante la progettazione elettromagnetica devono essere selezionati materiali con una buona stabilità della temperatura.
Riepilogo
Raccomandazioni per la progettazione:
1. Inizia con le specifiche:
innanzitutto, comprendi a fondo i requisiti specifici del tuo scenario applicativo in termini di precisione, dimensioni e ambiente.
2. Sfruttare soluzioni collaudate:
iniziare con le classiche combinazioni asta-slot (ad es. 4-2, 8-4), poiché rappresentano un punto di partenza verificato e affidabile.
3. Progettazione basata sulla simulazione:
non fermarsi ai calcoli teorici; utilizzare immediatamente il software FEM per creare un modello parametrico per la simulazione e l'ottimizzazione. Questa è la chiave per migliorare le percentuali di successo della progettazione e abbreviare i cicli di sviluppo.
4. Iterazione e test:
dopo aver costruito un prototipo, condurre test prestazionali completi (errori, aumento di temperatura, vibrazioni, ecc.), confrontare con i risultati della simulazione, analizzare le cause delle differenze e procedere alla successiva iterazione del progetto.
5. Pensare a livello di sistema:
considerare ed eseguire il debug del sensore del risolutore e del circuito RDC a valle come un sistema integrato.
La progettazione di risolutori a riluttanza variabile è una tecnologia altamente pratica che richiede cicli ripetuti di teoria, simulazione e sperimentazione.
