I. Principi fondamentali dei risolutori di riluttanza variabile
Innanzitutto, per comprendere il design, bisogna capire le sue differenze fondamentali rispetto ai tradizionali risolutori del rotore della ferita:
· Risolver tradizionale: sia lo statore che il rotore hanno avvolgimenti. Il segnale di eccitazione e il segnale di uscita sono indotti elettromagneticamente attraverso il gap d'aria.
· Risolvo di riluttanza variabile (VR): solo lo statore ha avvolgimenti . Il rotore è un componente ferromagnetico non ferito fatto di poli salienti o una struttura dentata. Il suo principio di lavoro si basa sulla variazione di riluttanza.
o Avvolgimenti dello statore: 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 a parte).
o Rotazione del rotore: quando il rotore con poli salienti ruota, cambia la lunghezza del gap d'aria e la riluttanza del circuito magnetico.
O Modulazione del segnale: la variazione della riluttanza del gap d'aria modula (modulazione di ampiezza) L'ampiezza di tensione indotta negli avvolgimenti di uscita dal campo magnetico di eccitazione. Le buste 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 resistente (senza spazzole), a basso costo, alta affidabilità, capacità di resistere agli 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 del rotore della ferita 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 del design
Questo è il punto di partenza per tutti i progetti e deve essere chiarito per primo:
· Numero di coppie di pole (P): determina la relazione tra angoli elettrici e meccanici (θ_electric = p * θ_mechanical). Le configurazioni comuni sono 1 coppia polo (unipolare) e 2 coppie polo (bipolare). Il numero di coppie di palo influisce sulla precisione e la velocità massima.
· Requisiti di precisione: di solito espressi in arcminuti (′) o milliradiani (MRAD). I progetti ad alta precisione richiedono richieste estremamente elevate per la produzione di produzione, materiali e armonici magnetici.
· Segnale di eccitazione di ingresso: ampiezza della tensione di eccitazione, frequenza (quelli comuni sono 4kHz, 10kHz, ecc.), Forma d'onda (di solito sinusoidale).
· Rapporto di trasformazione (TR): il rapporto della tensione di uscita e della tensione di ingresso (nella posizione dell'accoppiamento massimo).
· Errore elettrico: include errori di funzione, errore di tensione nullo, errore di fase, ecc.
· Ambiente operativo: intervallo di temperatura, vibrazione, shock, umidità, valutazione della protezione dell'ingresso (IP).
· Vincoli di dimensioni: diametro esterno, foro interno, spessore (lunghezza).
· Parametri di impedenza: impedenza di ingresso/output, che influenza la corrispondenza con i circuiti successivi.
2. Design elettromagnetico - Parte centrale
· Design di laminazione statore/rotore:
o Selezione del materiale: in genere utilizza fogli di acciaio al silicio con elevata permeabilità e bassa perdita di ferro (EG, DW540, 50JN400).
O Combinazione slot polare: questa è l'anima del design. Deve essere determinato il numero di slot di statore (ZS) e i poli salienti del rotore (ZR). La combinazione più comune è Zr = 2p (il numero di poli del rotore è uguale al doppio del numero di coppie di pole) e ZS è un multiplo di ZR. Ad esempio, un resolver unipolare (p = 1) utilizza spesso zs = 4, zr = 2 ; Un resolver bipolare (p = 2) utilizza spesso zs = 8, zr = 4 o zs = 12, zr = 6.
o Forma slot/polo: la forma dei denti (parallela, rastremata) influenza la distribuzione del campo magnetico e il contenuto armonico. Dimensioni come la larghezza dei denti, la larghezza di apertura delle fessure e lo spessore del giogo richiedono un'ottimizzazione per massimizzare la forza magneto-motiva fondamentale (MMF) e minimizzare le armoniche delle slot.
o Air Gap: la dimensione del gap d'aria è un compromesso critico. Un piccolo gap d'aria aumenta il rapporto di trasformazione e la resistenza al segnale ma aumenta la difficoltà di produzione, la sensibilità all'eccentricità e la ondulazione della coppia. Un grande gap d'aria ha l'effetto opposto. Tipicamente progettato tra 0,05 mm - 0,25 mm.
· Design di avvolgimento:
o Tipo: vengono utilizzati avvolgimenti tipicamente distribuiti o avvolgimenti concentrati (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 della svolta: in base al rapporto di trasformazione target, alla tensione di eccitazione e alla frequenza, determinare il numero di curve per l'avvolgimento di eccitazione e gli avvolgimenti sinusoidali/coseno attraverso il calcolo elettromagnetico. Il numero di giri per i due avvolgimenti di uscita deve essere strettamente identico.
o Metodo di connessione: assicurarsi che gli avvolgimenti sinusoidali e coseno siano rigorosamente a 90 gradi elettrici a parte spazialmente.
3. Simulazione e ottimizzazione del campo magnetico (simulazione FEA) - Strumento di progettazione moderna essenziale
I calcoli puramente analitici sono molto complessi e insufficienti. Il software di analisi degli elementi finiti (FEA) (EG, Jmag, Ansys Maxwell, Simcenter Magnet) è essenziale.
· Simulazione del campo statico: calcolare 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 di tensione di uscita, per le prestazioni più accurate.
· Ottimizzazione parametrica: eseguire sweep parametrici e ottimizzazione di dimensioni chiave come forma del dente, gap d'aria e apertura di slot per ridurre al minimo l'errore (ad esempio, THD) e massimizzare il rapporto di trasformazione.
· Analisi degli errori: calcolare l'errore elettrico attraverso la simulazione e analizzare le fonti di errore (ad esempio, armoniche, effetto di cogging, effetto di saturazione).
4. Design della struttura meccanica
· Alloggiamento e cuscinetti: progettare la struttura di supporto e selezionare cuscinetti appropriati per garantire la concentricità tra rotore e statore e variazione minima del gap dell'aria, mentre si tratta di vibrazioni e shock specificati.
· Collegamento dell'albero: chiave di progettazione, foro liscio o interfaccia servo per garantire una connessione affidabile e una trasmissione senza backlash con l'albero del motore.
· Gestione termica: considerare la generazione di calore da avvolgimenti e perdite di ferro per evitare il surriscaldamento in ambienti ad alta temperatura. La progettazione del percorso termico è talvolta necessaria.
· Proiezione elettromagnetica: aggiungi uno scudo se necessario per prevenire l'interferenza da campi magnetici esterni.
5. Considerazioni sul circuito di elaborazione del segnale
Sebbene non faccia parte del design del corpo del resolver, deve essere considerato sinergicamente:
· RDC (convertitore resolver-digitale): selezionare un chip RDC (EG, AD2S1205, AU6802) che corrisponde all'impedenza e alla frequenza di eccitazione del risolutore. La corrispondenza dell'impedenza di input è richiesta durante la progettazione.
· Circuito dell'unità di eccitazione: richiede un circuito di alimentazione di potenza in grado di fornire un'onda sinusoidale pulita e stabile.
· Circuito di filtro: filtrare i segnali di uscita per sopprimere il rumore e le armoniche ad alta frequenza.
Iii. Progettare sfide e tecnologie chiave
1. Soppressione armonica: a causa della non linearità della sua variazione di riluttanza, la tensione di uscita di un resolver VR contiene armoniche ricche, che sono la principale causa di errore. Metodi come l'ottimizzazione della combinazione di polo slot, l'incendio (slot o i poli) e l'aggiunta di slot ausiliari sui denti dello statore possono sopprimere efficacemente le armoniche.
2. Bilanciamento dell'accuratezza e costi: un'elevata precisione implica una lavorazione più precisa (gap d'aria più piccolo, una maggiore concentricità), materiali di qualità superiore (acciaio di silicio di grado superiore), progetti più complessi (ad es. Più coppie di pole, slot frazionari) e processi più rigorosi, portando a costi in forte aumento.
3. Drift di temperatura: la resistenza degli avvolgimenti e le proprietà dell'acciaio al silicio cambiano con la temperatura, causando ampiezza e deriva di fase. È necessaria una compensazione nel circuito o nel software o durante la progettazione elettromagnetica devono essere selezionati materiali con una buona stabilità della temperatura.
Riepilogo
Raccomandazioni di progettazione:
1. Inizia con le specifiche: in primo luogo, comprendere a fondo i requisiti specifici dello scenario dell'applicazione per quanto riguarda l'accuratezza, le dimensioni e l'ambiente.
2. Sfrutta le soluzioni comprovate: inizia con le classiche combinazioni di slot pole (ad es. 4-2, 8-4), in quanto sono un punto di partenza verificato e affidabile.
3. Design guidato dalla simulazione: non fermarti 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 i tassi di successo del design e l'accorciamento di cicli di sviluppo.
4. Iterazione e test: dopo aver costruito un prototipo, condurre test di prestazioni completi (errore, aumento della temperatura, vibrazione, ecc.), Confrontare con i risultati della simulazione, analizzare le cause delle differenze e procedere alla prossima iterazione di progettazione.
5. Pensa a livello di sistema: considerare e eseguire il debug del sensore di resolver e il circuito RDC a valle come sistema integrato.
La progettazione di risolutori di riluttanza variabile è una tecnologia altamente pratica che richiede ripetuti cicli di teoria, simulazione e sperimentazione.
