Guscio protettivo del risolutore magnetoresistivo: la 'armatura invisibile' dietro il rilevamento di precisione
Quando il motore di un veicolo elettrico gira ad alta velocità, un sensore di posizione misura ogni minuto cambiamento angolare dell'albero rotante con sorprendente precisione. La garanzia di tutto questo è data da un guscio protettivo poco appariscente.
Il risolutore magnetoresistivo, come elemento centrale di rilevamento della posizione nei sistemi di servomotori, può fornire segnali di posizione di precisione al secondo livello d'arco in condizioni operative difficili in campi come la difesa, l'industria e soprattutto i veicoli elettrici di nuova energia. Questo livello di precisione equivale a distinguere un minuscolo cambiamento angolare di 0,0001 gradi all'interno di un cerchio di 360 gradi.
Tuttavia, il filo smaltato utilizzato per gli avvolgimenti del risolver ha nella maggior parte dei casi un diametro inferiore a 0,2 mm, il che lo rende estremamente fragile. Senza un'adeguata protezione, leggeri shock meccanici, variazioni di temperatura o corrosione chimica possono causare distorsioni del segnale o addirittura danni al dispositivo.
01 Sfide tecniche
Il principio di funzionamento del risolutore magnetoresistivo si basa su una progettazione intelligente: la forma speciale del rotore fa sì che il traferro vari in modo sinusoidale. Quando il rotore gira, gli avvolgimenti di uscita bifase generano segnali con una relazione seno-coseno, riflettendo così accuratamente l'angolo di rotazione meccanica. Questo processo pone requisiti estremamente elevati alla stabilità della distribuzione del campo magnetico.
I primi risolutori utilizzavano principalmente strutture di incapsulamento e incapsulamento per proteggere gli avvolgimenti. Questi metodi tradizionali presentavano evidenti limitazioni: in primo luogo, la struttura non era staccabile, il che significava che i danni locali spesso portavano alla completa demolizione dell'unità; in secondo luogo, il coefficiente di dilatazione termica del materiale incapsulante non era coerente con quello degli avvolgimenti, causando spostamento e deformazione dell'avvolgimento durante l'indurimento e sotto shock da alta/bassa temperatura.
Sebbene la deformazione dell'avvolgimento sia appena percettibile a occhio nudo, può portare alla distorsione delle forme d'onda seno e coseno, influenzando direttamente la precisione del risolutore e causando persino circuiti aperti dell'avvolgimento.
02 Evoluzione dei gusci protettivi
Con l'aumento dei requisiti di tolleranza degli encoder alle condizioni operative difficili, anche la tecnologia di protezione degli avvolgimenti si è evoluta continuamente.
La struttura parzialmente invasata un tempo era una soluzione di compromesso: uno strato di invasatura veniva applicato solo sulle superfici esposte degli avvolgimenti. Il materiale selezionato non solo possedeva un'elevata resistenza di isolamento e resistenza meccanica ma garantiva anche un coefficiente di dilatazione termica coerente con il filo di avvolgimento.
Tuttavia, questo metodo di protezione non era ancora sufficientemente completo e non era in grado di isolare completamente gli avvolgimenti dalle potenziali influenze dell'ambiente esterno.
I parametri di progettazione per i moderni risolutori magnetoresistivi sono estremamente severi: l'intervallo di temperatura operativa può raggiungere da -55°C a +155°C, la velocità di rotazione massima può raggiungere 60.000 giri al minuto ed è richiesto un elevato grado di protezione per resistere a forti vibrazioni e urti.
Con tali requisiti prestazionali, le strutture di protezione abitativa rimovibili sono gradualmente diventate la soluzione tradizionale.
03 Design moderni
I gusci protettivi dei risolutori magnetoresistivi hanno sviluppato vari design su misura per le diverse esigenze applicative. La struttura dell'alloggiamento staccabile è uno dei progetti più rappresentativi, costituito da quattro parti principali: il nucleo, la bobina, gli avvolgimenti e l'alloggiamento.
La bobina si aggancia al nucleo, gli avvolgimenti vengono avvolti sulla bobina, gli alloggiamenti sono montati su entrambe le estremità superiore e inferiore della bobina, racchiudendo gli avvolgimenti all'interno. L'alloggiamento e la bobina sono collegati in modo staccabile.
L'ingegnosità di questo design sta nel fatto che l'alloggiamento non entra in contatto diretto con gli avvolgimenti. Ciò fornisce una protezione completa per gli avvolgimenti evitando lo stress meccanico causato dal contatto, che potrebbe influire sulla precisione. Quando si verifica un guasto all'avvolgimento, è necessario smontare solo l'alloggiamento per la manutenzione o la sostituzione, riducendo significativamente i costi e i tempi di riparazione.
04 Considerazioni sulla progettazione
La progettazione di un guscio protettivo non è un semplice imballaggio esterno ma un compito di ingegneria di precisione che richiede una considerazione globale di molteplici fattori.
La corrispondenza dell'espansione termica è la considerazione principale. Il coefficiente di dilatazione termica del materiale protettivo deve essere altamente coerente con quello del filo di avvolgimento. In caso contrario, durante i cambiamenti di temperatura verrà generato stress, con conseguente spostamento dell'avvolgimento e distorsione del segnale.
L’ equilibrio tra resistenza meccanica e leggerezza è altrettanto importante. Il guscio protettivo deve essere sufficientemente robusto da resistere a vibrazioni e urti, ma non eccessivamente ingombrante per evitare di aumentare l'inerzia del sistema.
La garanzia della precisione dell'installazione è direttamente correlata alle prestazioni del risolutore. Molti progetti incorporano spigot di precisione sulla base di montaggio dello statore del risolverer e sul coperchio terminale per garantire un posizionamento radiale accurato.
Producibilità e costi sono anche fattori che non possono essere ignorati. Una progettazione ideale dovrebbe facilitare la produzione automatizzata, ridurre i costi di produzione e garantire prestazioni stabili.
05 Scenari applicativi
I veicoli di nuova energia sono uno dei principali campi di applicazione dei gusci protettivi dei risolutori magnetoresistivi. Qui i risolutori devono resistere a forti variazioni di temperatura, forti vibrazioni e all'influenza di varie sostanze chimiche.
I gusci ad alto grado di protezione consentono ai risolutori di funzionare in modo affidabile nei sistemi di veicoli ibridi e puramente elettrici, monitorando la posizione dei motori di azionamento e dei generatori in tempo reale.
Nei campi aerospaziale e militare, l'affidabilità del guscio protettivo è direttamente correlata alla sicurezza del sistema. I risolutori di tipo sigillato nei sistemi di attuatori idraulici utilizzano strutture di tenuta completamente saldate, garantendo un funzionamento preciso in condizioni ambientali e di pressione estreme.
Anche il settore dell'automazione industriale fa affidamento su gusci protettivi di alta qualità. Nei bracci robotici ad alta velocità e nei centri di lavoro multiasse, i gusci dei risolutori non solo forniscono protezione fisica ma garantiscono anche la stabilità del segnale in ambienti elettromagnetici industriali complessi attraverso design resistenti alle interferenze elettromagnetiche (EMI).
Gli strumenti di precisione e i dispositivi medici privilegiano le strutture protettive rimovibili. I risolutori di tali apparecchiature possono dover affrontare esigenze di manutenzione occasionali e il design rimovibile semplifica notevolmente il processo di manutenzione, riducendo i tempi di inattività e i costi di riparazione.
Con il continuo sviluppo della tecnologia industriale, anche la progettazione dei gusci protettivi dei risolutori magnetoresistivi è in continua evoluzione.
I gusci protettivi intelligenti potrebbero diventare una direzione futura, integrando sensori di temperatura, umidità o vibrazioni all'interno del guscio per monitorare l'ambiente operativo del risolutore in tempo reale e fornire avvisi tempestivi su potenziali rischi.
L’applicazione dei materiali adattivi è qualcosa a cui guardare con ansia, come materiali in grado di regolare automaticamente le loro proprietà fisiche in base alle condizioni ambientali, migliorando la dissipazione del calore alle alte temperature o aumentando lo smorzamento in ambienti vibranti.
È evidente la tendenza verso la progettazione modulare , sviluppando moduli di protezione standardizzati per diversi scenari applicativi. Gli utenti possono combinarli liberamente in base alle effettive esigenze, bilanciando prestazioni di protezione e costi.
Anche i requisiti per la protezione ambientale e la sostenibilità stanno aumentando. I progetti devono ora considerare non solo le prestazioni e i costi di produzione, ma anche la riciclabilità dei materiali e l’impatto ambientale del processo di produzione.
Dalle macchine utensili CNC ad alta precisione ai veicoli a nuova energia, dai robot industriali alle apparecchiature aerospaziali, all'interno di questi sistemi di precisione, il poco appariscente guscio protettivo del risolutore magnetoresistivo salvaguarda silenziosamente la cruciale funzione di rilevamento della posizione.
Con i progressi nella scienza dei materiali e le innovazioni nei processi di produzione, una nuova generazione di gusci protettivi sta diventando più intelligente e più rispettosa dell’ambiente. I futuri progetti dei gusci dei risolutori continueranno senza dubbio a aprire nuovi orizzonti in termini di leggerezza, integrazione e adattabilità.
