Risolutore VR vs. Resolver a rotore avvolto: quale struttura scegliere per i sensori Resolver EV?

Quando un veicolo elettrico ti passa accanto, il motore, il vero 'cuore energetico' dell'auto, gira a migliaia o addirittura decine di migliaia di giri al minuto. All'interno di questo cuore si trova un componente piccolo ma di fondamentale importanza: il sensore Resolver  (o semplicemente 'resolver'). Monitora costantemente la posizione e la velocità del rotore, trasmettendo ogni movimento al controller del veicolo in tempo reale. Questo minuscolo sensore funge da 'occhi' del motore.

Qual è la differenza tra un risolutore a riluttanza variabile (VR) e un risolutore a rotore avvolto? Quale dovresti scegliere per il controllo del motore EV?

I. Cos'è un risolutore e perché è indispensabile per i veicoli elettrici?

Un risolutore è un sensore di posizione angolare basato sul principio dell'induzione elettromagnetica. Viene utilizzato per misurare con precisione lo  spostamento angolare, la velocità di rotazione e la direzione del rotore . Per i motori sincroni a magneti permanenti (PMSM), il sistema di controllo elettronico deve conoscere la posizione precisa del rotore in tempo reale per fornire le forme d'onda di corrente corrette agli avvolgimenti trifase, azionando così il motore in modo fluido ed efficiente. Il segnale angolare catturato dal risolutore viene decodificato e inviato al controller del motore, determinando direttamente la precisione di uscita della coppia del motore e la stabilità operativa.  Senza un risolutore, un veicolo elettrico non può avviarsi o funzionare correttamente.

Tra i sensori risolutori ampiamente utilizzati oggi nei veicoli elettrici, ci sono due approcci tecnici principali:  risolutori a riluttanza variabile (VR)  e  risolutori a rotore avvolto . I loro principi di funzionamento e le loro strutture differiscono in modo significativo.

II. Resolver VR: rotore senza bobina, robusto e durevole

Il principio di funzionamento di un risolutore VR è nettamente diverso da quello di un tradizionale risolutore a rotore avvolto. Un risolutore convenzionale del rotore avvolto ha un traferro uniforme e si basa sulla variazione della posizione relativa tra l'avvolgimento del segnale del rotore e l'avvolgimento di eccitazione dello statore per calcolare l'angolo del rotore. Al contrario, un risolutore VR ha  sia gli avvolgimenti di segnale che quelli di eccitazione fissati sullo statore . Il rotore è costituito esclusivamente da lamierini in acciaio impilati con denti: non ha avvolgimenti né spazzole, ottenendo  un funzionamento completamente senza contatto.

Mentre il rotore ruota, il suo effetto di polo saliente fa variare la permeazione del traferro in modo sinusoidale con l'angolo di rotazione. Ciò induce segnali di tensione seno e coseno nei due avvolgimenti di uscita sullo statore. L'angolo del rotore può essere determinato in modo univoco valutando il rapporto di questi due segnali.

I principali vantaggi dei risolutori VR includono:

• Struttura semplice, costi inferiori:  il rotore non richiede avvolgimento, ha meno parti, utilizza processi maturi ed è meno costoso da produrre.

• Affidabilità estremamente elevata:  il design senza contatto significa assenza di usura e lubrificazione necessaria. Resiste a condizioni difficili come  contaminazione da olio, polvere, alte temperature, umidità e forti vibrazioni  , esattamente l'ambiente tipico in cui un motore EV funziona per tutta la sua vita.

• Facile integrazione:  la sua struttura compatta facilita l'integrazione con il sistema di azionamento del motore.

III. Wound Rotor Resolver: avvolgimenti del rotore, precisione come punta di diamante

Il risolutore a rotore avvolto è la forma tradizionale di risolutore. La sua struttura ricorda quella di una macchina ad induzione a rotore avvolto bifase. Sia lo statore che il rotore hanno avvolgimenti. Il segnale di eccitazione viene applicato all'avvolgimento di eccitazione dello statore e l'avvolgimento del rotore funge da lato secondario, generando tensioni indotte tramite accoppiamento elettromagnetico. Quando l'angolo del rotore cambia, la posizione relativa tra lo statore e gli avvolgimenti del rotore cambia di conseguenza, e l'ampiezza e la fase delle tensioni indotte cambiano, consentendo la misurazione dell'angolo.

I principali vantaggi dei risolutori a rotore avvolto includono:

• Maggiore precisione:  il numero di giri di avvolgimento può essere progettato con precisione in base alle necessità, ottenendo una risoluzione al secondo livello dell'arco.

• Eccellente linearità:  la tensione di uscita mantiene una stretta relazione funzionale con l'angolo di rotazione, fornendo un'elevata qualità del segnale.

• Segnali di uscita ricchi:  possono essere prodotti con tipi di uscita seno-coseno, lineari e altri per adattarsi a varie applicazioni.

Tuttavia, il rotore di un risolutore a rotore avvolto è dotato di avvolgimenti, che rendono la struttura più complessa e richiedono processi di assemblaggio più impegnativi. Quando i motori dei veicoli elettrici funzionano comunemente a 15.000 giri al minuto o anche più, l’equilibrio dinamico e l’affidabilità degli avvolgimenti del rotore devono affrontare sfide maggiori.

IV. Confronto affiancato: quale dovresti scegliere per i veicoli elettrici?

Conclusione: i risolutori VR sono la scelta preferita per i veicoli elettrici.

Il motivo è chiaro: l'ambiente operativo del veicolo richiede un'affidabilità estremamente elevata da parte dei sensori. Il vano motore del veicolo elettrico è caldo, oleoso e vibra fortemente. La  struttura del rotore senza contatto e senza avvolgimenti  dei risolutori VR offre enormi vantaggi in termini di affidabilità in queste condizioni difficili. Grazie a queste caratteristiche, i risolutori VR sono diventati la  scelta principale per i sensori di posizione dei motori elettrici, con un tasso di penetrazione superiore al 95% nel campo dei veicoli elettrici.

Per quanto riguarda i risolutori a rotore avvolto, rimangono insostituibili in applicazioni ad alta precisione come quelle aerospaziali e nei servosistemi di fascia alta. Tuttavia, per le applicazioni di veicoli elettrici ad alto volume che richiedono 'alta affidabilità + elevato rapporto costo-efficacia', l'approccio VR offre un valore complessivo superiore.

V. Quattro punti chiave del processo per risolutori VR di alta qualità

Scegliere il percorso tecnico giusto è solo metà dell’opera. La produzione di un risolutore VR qualificato si basa su  processi di produzione solidi . Prendiamo SDM, un'azienda che ha avviato presto la produzione di risolutori VR. SDM ha creato un sistema completo di controllo del processo che copre quattro fasi critiche: sovrastampaggio dello statore, avvolgimento della bobina, saldatura TIG e ispezione completa della sicurezza e delle prestazioni elettriche.

(1) Sovrastampaggio dello statore

Il sovrastampaggio dello statore utilizza uno stampaggio a iniezione di precisione per rivestire il materiale isolante sulla superficie del nucleo dello statore, fornendo un isolamento elettrico affidabile e una protezione meccanica per gli avvolgimenti. Un buon sovrastampaggio non solo garantisce l'isolamento tra gli avvolgimenti, ma migliora anche la resistenza strutturale dello statore, mantenendolo stabile in caso di vibrazioni ad alta frequenza a lungo termine. SDM controlla rigorosamente la selezione dei materiali isolanti e dei parametri di stampaggio a iniezione in questa fase per garantire che ogni statore soddisfi i requisiti di prestazione di isolamento.

(2) Avvolgimento della bobina

I risolutori VR hanno diametri interni dello statore piccoli e fessure strette, il che rende difficile l'avvolgimento. Gli avvolgimenti di alta qualità richiedono un conteggio preciso delle spire, una disposizione precisa e l'assenza di interferenze incrociate, tutti aspetti fondamentali per la precisione del segnale del risolutore. SDM utilizza processi di avvolgimento di precisione per garantire che gli avvolgimenti seno-coseno siano avvolti con l'esatta distribuzione delle spire sinusoidali, garantendo la qualità del segnale dalla sorgente.

(3) Saldatura TIG

La saldatura con piombo è un passaggio soggetto a problemi di qualità nella produzione di risolutori. Un risolutore VR ha sei conduttori (eccitazione positiva/negativa, segnale sinusoidale su due linee, segnale coseno su due linee). La qualità della saldatura influisce direttamente sull'affidabilità della connessione del sensore. SDM utilizza la saldatura TIG (Tungsten Inert Gas) per ottenere collegamenti elettrici ad alta resistenza e bassa resistenza tra ciascun conduttore dell'avvolgimento e il terminale, eliminando sostanzialmente rischi come giunti freddi o connessioni allentate.

(4) Ispezione completa della sicurezza e delle prestazioni elettriche

L'ultimo passaggio del controllo qualità è l'ispezione al 100%. SDM esegue un test completo di sicurezza e prestazioni elettriche su ogni prodotto risolutore VR, coprendo resistenza di isolamento, rigidità dielettrica, resistenza della bobina, rapporto di trasformazione e coerenza del segnale di uscita seno-coseno. Solo i prodotti che superano tutti gli elementi di ispezione vengono confermati come qualificati e consegnati ai clienti.

Dal sovrastampaggio dello statore all'avvolgimento della bobina, dalla saldatura TIG alla sicurezza completa e all'ispezione elettrica, SDM rispetta standard elevati e requisiti rigorosi in ogni fase di produzione, impegnandosi a fornire prodotti di risoluzione VR di alta qualità e ad alta coerenza per i clienti di veicoli elettrici.

VI. Parole finali

I risolutori VR e i risolutori a rotore avvolto hanno ciascuno i propri punti di forza. Tuttavia, nel campo dei veicoli elettrici, dove affidabilità e costi sono entrambi estremamente impegnativi, i risolutori VR si distinguono per la loro  robustezza, il funzionamento senza contatto e i processi maturi , diventando la scelta principale dei principali OEM. Guardando indietro alle radici della tecnologia, i risolutori VR non sono stati originariamente progettati per le automobili: sono emersi dalla ricerca dell'affidabilità assoluta in condizioni estreme da parte delle industrie aerospaziale e militare. Ora che questa tecnologia è 'discesa' nel campo dei veicoli elettrici, soddisfa perfettamente le esigenze fondamentali del motore: 'vedere con precisione, resistere a condizioni difficili e durare a lungo'.

Scegliere il percorso tecnologico giusto è importante, ma scegliere il fornitore giusto è altrettanto fondamentale. Dalla precisione della produzione al controllo qualità, la solida esecuzione di ogni fase del processo è la garanzia fondamentale che il sensore 'non ti deluderà' nell'uso nel mondo reale.