Gli 'occhi di fuoco' dei motori principali dei veicoli elettrici: personalizzazione dei risolutori a riluttanza variabile

Introduzione: Un 'occhio' indispensabile per il controllo motorio

Nel motore dei veicoli a nuova energia c'è un componente poco appariscente ma di fondamentale importanza: il risolutore a riluttanza variabile  (spesso abbreviato in 'risolutore'). Funziona come l''occhio' del motore e dice costantemente al controller del motore: 'Dov'è posizionato il rotore adesso? Qual è la velocità di rotazione?'

Senza questo 'occhio', i motori sincroni a magneti permanenti non possono ottenere un controllo preciso della commutazione, con conseguente produzione di potenza irregolare e a scatti o addirittura un completo mancato funzionamento. I dati mostrano che il tasso di penetrazione dei risolutori nei motori principali dei veicoli passeggeri a nuova energia raggiunge il  78,6%  , il che significa che quasi tutti i motori principali dei veicoli a nuova energia ne sono dotati.

Quindi, come funziona effettivamente questo piccolo sensore? Perché deve essere 'personalizzato'? E a quali parametri chiave dovresti prestare attenzione durante la personalizzazione?

1. Che cos'è un risolutore a riluttanza variabile?

1.1 Dal trasformatore al risolutore

Tutti conoscono il 'trasformatore': aumenta o diminuisce la tensione. Un risolutore può essere pensato come una versione avanzata di un trasformatore: mentre un trasformatore convenzionale emette una tensione fissa, un risolutore emette una tensione che varia con l'angolo di rotazione del rotore.

Il risolutore a riluttanza variabile è il tipo più utilizzato. La sua struttura centrale è straordinariamente semplice:

·  Statore : Fisso in posizione, avvolto con un avvolgimento di eccitazione (ingresso) e avvolgimenti seno/coseno in uscita.

·  Rotore : realizzato con lamierini di acciaio al silicio impilati con denti,  non contenente alcun avvolgimento e ruota con l'albero motore.

1.2 Principio di funzionamento: le modifiche del traferro determinano le modifiche del segnale

Quando una tensione di eccitazione CA viene applicata all'avvolgimento di eccitazione dello statore, viene generato un campo magnetico alternato nel traferro tra lo statore e il rotore. Quando il rotore gira, la riluttanza magnetica del traferro cambia periodicamente perché i denti del rotore (sporgenze e rientranze) attraversano alternativamente i denti dello statore.

Questa variazione fa sì che le tensioni indotte nei due avvolgimenti di uscita (seno e coseno) cambino in ampiezza: una segue uno schema sinusoidale, l'altra uno schema coseno.

Interpretando questi due segnali, il controllore del motore può calcolare con precisione in qualsiasi momento la posizione angolare assoluta del rotore.

1.3 Perché è diventata la scelta migliore per i motori principali dei veicoli elettrici?

Il risolutore a riluttanza variabile è arrivato a 'dominare' il settore dei veicoli a nuova energia grazie ai seguenti punti di forza:

·  Costruzione estremamente semplice e affidabile : nessun avvolgimento del rotore, nessuna spazzola, nessun problema di usura e la sua durata teorica può eguagliare quella dell'attrezzatura stessa.

·  Eccezionale resistenza ambientale : intervallo di temperatura operativa da -50°C a +155°C, resistente alle alte temperature, alle vibrazioni e alla contaminazione dell'olio.

·  Forte immunità alle interferenze elettromagnetiche : Basato sui principi dell'induzione elettromagnetica, è naturalmente immune al duro ambiente elettromagnetico all'interno del motore.

·  Uscita della posizione assoluta : fornisce l'angolo corrente immediatamente all'accensione, senza necessità di una procedura di 'homing'.

2. Perché il motore di azionamento principale richiede un risolutore 'personalizzato'?

Qualcuno potrebbe chiedersi: i risolutori non sono componenti standard disponibili in commercio? Perché non comprarne uno già pronto?

La realtà è tutt’altro che semplice.  Ogni motore di azionamento principale del veicolo della nuova energia è progettato con potenza, velocità, spazio di montaggio e condizioni operative diversi e queste differenze determinano direttamente che il risolutore deve essere 'fatto su misura'.

2.1 Le dimensioni di montaggio variano notevolmente

Motori diversi sono disponibili in taglie diverse, da 25 a 300, ciascuno dei quali richiede un risolutore con dimensioni corrispondenti. Anche i metodi di montaggio differiscono: montaggio a foro passante, montaggio su superficie, montaggio su flangia, ciascuno corrispondente a un diverso design dell'interfaccia meccanica.

2.2 I parametri elettrici differiscono

Tensione di eccitazione, frequenza di eccitazione, numero di coppie polari, rapporto di trasformazione: tutti questi parametri elettrici devono corrispondere perfettamente al sistema di controllo del motore. L'utilizzo di un risolutore con parametri non corrispondenti può, nella migliore delle ipotesi, ridurre la precisione della misurazione e, nella peggiore, rendere inutilizzabile l'intero sistema di controllo del motore.

2.3 I requisiti di precisione variano in modo significativo

La precisione della posizione richiesta per il motore di trazione di un veicolo passeggeri tradizionale è completamente diversa da quella di un veicolo ad alte prestazioni. Maggiore è il numero di coppie polari, maggiore è la precisione, che varia da 2, 4, a 6 o più coppie polari, con un miglioramento della precisione da 25 minuti d'arco a 10 minuti d'arco o anche superiore.

2.4 Le condizioni operative non sono uniformi

Alcuni motori funzionano in ambienti raffreddati ad olio, richiedendo che il risolutore sia compatibile con l'olio; altri perseguono velocità estremamente elevate, necessitando di supporto per 20.000 giri al minuto o anche superiori; altri ancora richiedono la certificazione AEC-Q di livello automobilistico: ciascuna condizione impone requisiti di progettazione distinti al risolutore.

3. Personalizzazione del Resolver: cosa può essere personalizzato esattamente?

3.1 Personalizzazione meccanica

·  Dimensioni esterne : diametro esterno, lunghezza, posizioni dei fori di montaggio, ecc.

·  Metodo di montaggio : a foro passante, a montaggio superficiale o con flangia.

·  Apertura dell'albero del rotore : deve corrispondere esattamente al diametro dell'albero del motore.

·  Specifiche del cavo : lunghezza del cavo, diametro e tipo di connettore.

3.2 Personalizzazione elettrica

·  Numero di coppie polari : un parametro chiave che determina la risoluzione della misura; può essere adattato alle esigenze.

·  Tensione di eccitazione : tipicamente AC 7 Vrms, ma regolabile in base alle esigenze del sistema.

·  Frequenza di eccitazione : comunemente 10 kHz, ma è possibile specificare altre frequenze.

·  Rapporto di trasformazione : determina l'ampiezza del segnale di uscita, influenzando l'elaborazione del segnale del chip di decodifica a valle.

·  Impedenza di ingresso/uscita : deve corrispondere al circuito di pilotaggio.

3.3 Personalizzazione delle prestazioni

·  Grado di precisione : disponibile da precisione standard a precisione elevata (ad es. ±4 minuti d'arco).

·  Velocità di rotazione massima : standard 20.000 giri/min; velocità più elevate possono essere personalizzate.

·  Intervallo di temperatura operativa : adattato alle condizioni di lavoro effettive.

·  Classe di protezione : ad esempio IP69 o superiore.

3.4 Personalizzazioni speciali

·  Compatibilità con l'olio : materiali speciali e design delle guarnizioni per motori raffreddati ad olio.

·  Tolleranza all'eccentricità : schemi di avvolgimento brevettati per compensare gli errori di eccentricità di montaggio.

·  Rilevamento della temperatura integrato : termistore NTC opzionale per il rilevamento combinato di posizione e temperatura.

4. Processo di personalizzazione: dai requisiti alla consegna

Un tipico processo di personalizzazione del risolutore comprende generalmente le seguenti fasi:

Fase 1: Comunicazione dei requisiti  : il cliente fornisce i parametri del motore, lo spazio disponibile, gli obiettivi prestazionali, ecc.

Fase 2: Progettazione della soluzione  : il fornitore sviluppa i progetti elettromagnetici e meccanici in base ai requisiti.

Fase 3: Verifica della simulazione:  l'analisi degli elementi finiti (FEA) viene utilizzata per ottimizzare le prestazioni elettromagnetiche.

Fase 4: Produzione del prototipo:  i campioni del prototipo vengono prodotti e testati su banchi di prova.

Passaggio 5: produzione di massa:  dopo la convalida, il prodotto passa alla produzione in serie.

Attualmente, i principali fornitori nazionali di risolutori hanno ridotto il ciclo di consegna della personalizzazione a sole 4-6 settimane. Alcuni hanno già costruito linee di produzione completamente automatizzate con capacità annue superiori a 1 milione di unità.

5. Tendenza del settore: la sostituzione interna sta guadagnando slancio

Per molto tempo, il mercato dei risolutori di fascia alta è stato dominato da marchi stranieri come i giapponesi Tamagawa e MinebeaMitsumi. Tuttavia, negli ultimi anni, la tecnologia cinese dei risolutori ha fatto passi da gigante; allo stesso tempo, anche i chip domestici risolutori-convertitori digitali (RDC) stanno avanzando rapidamente. SC2121 di Xinchi Semiconductor e altri prodotti hanno raggiunto la parità funzionale con modelli di fama internazionale e Fengchao Technology ha anche lanciato chip RDC ad alte prestazioni.  La sostituzione nazionale dell’intera catena, dal sensore al chip di decodificazione, sta accelerando.

Conclusione

Sebbene di piccole dimensioni, il risolutore a riluttanza variabile è un sensore fondamentale indispensabile nel sistema di controllo dei motori di azionamento principali dei veicoli a nuova energia. La sua personalizzazione influisce direttamente sulla precisione di controllo, sull'efficienza operativa e sull'affidabilità del motore.

Con la continua crescita del settore dei nuovi veicoli energetici e l’intensificarsi della sostituzione a livello nazionale, i servizi di personalizzazione dei risolutori diventeranno ancora più maturi ed efficienti. Per gli ingegneri motoristici, comprendere i principi di funzionamento e gli elementi essenziali di personalizzazione dei risolutori è già diventato un corso obbligatorio.

Dopotutto,  solo se il motore è dotato degli 'occhi' giusti può vedere chiaramente e funzionare in modo costante..