I. 가변 릴럭턴스 리졸버의 핵심 원리
먼저, 설계를 이해하려면 기존 상처 로터 리졸버와의 근본적인 차이점을 이해해야 합니다.
· 기존 리졸버:
고정자와 회전자 모두 권선이 있습니다. 여기 신호와 출력 신호는 에어 갭을 가로질러 전자기적으로 유도됩니다.
· VR(Variable Reluctance) 리졸버:
고정자에만 권선이 있습니다 . 로터는
권선되지 않은 강자성 구성 요소입니다. 돌출된 극이나 톱니 구조로 만들어진 작동 원리는
자기 저항 변화를 기반으로 합니다..
o 고정자 권선:
일반적으로 공간적으로 직교하는(전기적 90도 간격) 하나의 여자 권선(1차)과 두 개의 출력 권선(사인 및 코사인 권선, 2차)을 포함합니다.
o 회전자 회전:
돌출 극이 있는 회전자가 회전하면 공극 길이와 자기 회로의 저항이 변경됩니다.
o 신호 변조:
에어 갭 자기 저항의 변화는 여기 자기장에 의해 출력 권선에 유도된 전압 진폭을 변조(진폭 변조)합니다. 두 출력 권선의 진폭 포락선은 각각 회전자 각도의 정현파 및 코사인 함수입니다.
장점은 간단한 구조, 견고하고 내구성이 있는(브러시리스), 저렴한 비용, 높은 신뢰성, 고속 및 고온 환경을 견딜 수 있는 능력입니다 . 단점은 정확도와 선형성이 일반적으로 고정밀 상처 로터 리졸버보다 약간 낮다는 것입니다.
II. 설계 프로세스 및 주요 고려 사항
설계 프로세스는 반복적이며 일반적으로 다음 단계를 따릅니다.
1. 설계 사양 정의
이는 모든 설계의 출발점이므로 먼저 명확히 해야 합니다.
· 극 쌍 수(P):
전기 각도와 기계적 각도 사이의 관계를 결정합니다(θ_electric = P * θ_mechanical). 일반적인 구성은 1극 쌍(단극)과 2극 쌍(양극)입니다. 극 쌍의 수는 정확도와 최대 속도에 영향을 미칩니다.
· 정확도 요구사항:
일반적으로 분(′) 또는 밀리라디안(mrad)으로 표시됩니다. 고정밀 설계에는 제조, 재료 및 자기장 고조파 억제에 대한 매우 높은 요구 사항이 필요합니다.
· 입력 여기 신호:
여기 전압 진폭, 주파수(일반적인 것은 4kHz, 10kHz 등), 파형(보통 정현파).
· 변환비(TR):
입력 전압에 대한 출력 전압의 비율(최대 커플링 위치에서).
· 전기적 오류:
기능 오류, 널 전압 오류, 위상 오류 등을 포함합니다.
· 작동 환경:
온도 범위, 진동, 충격, 습도, 침투 보호(IP) 등급.
· 크기 제약:
외부 직경, 내부 보어, 두께(길이).
· 임피던스 매개변수:
후속 회로와의 매칭에 영향을 미치는 입력/출력 임피던스.
2. 전자기 설계 - 핵심 부품
· 고정자/회전자 적층 디자인:
o 재질선택 :
일반적으로 투자율이 높고 철손이 낮은 규소강판(예: DW540, 50JN400)을 사용합니다.
o 폴-슬롯 조합:
이것이 디자인의 핵심입니다. 고정자 슬롯(Zs)과 회전자 돌출 극(Zr)의 수를 결정해야 합니다. 가장 일반적인 조합은
Zr = 2P (회전자 극 수는 극 쌍 수의 두 배임)이고 Zs는 Zr의 배수입니다. 예를 들어 단극 리졸버(P=1)는 종종
Zs=4, Zr=2 를 사용합니다 . 바이폴라 리졸버(P=2)는 종종
Zs=8, Zr=4 또는
Zs=12, Zr=6을 사용합니다..
o 슬롯/폴 모양:
톱니 모양(평행, 테이퍼형)은 자기장 분포와 고조파 함량에 영향을 미칩니다. 기본 자기력(MMF)을 최대화하고 슬롯 고조파를 최소화하려면 톱니 폭, 슬롯 개구부 폭, 요크 두께 등의 치수를 최적화해야 합니다.
o 에어 갭:
에어 갭 크기는 중요한 균형점입니다. 작은 에어 갭은 변환 비율과 신호 강도를 증가시키지만 제조 난이도, 편심에 대한 민감도 및 토크 리플을 증가시킵니다. 큰 에어 갭은 반대 효과를 갖습니다. 일반적으로 0.05mm - 0.25mm 사이로 설계됩니다.
· 와인딩 디자인:
o 유형:
일반적으로 분산 권선 또는 집중(톱니) 권선이 사용됩니다. 분산 권선(여러 슬롯에 걸쳐 있는 하나의 코일)은 보다 정현파 자기장을 생성하지만 제조가 더 복잡합니다. 집중 권선은 더 간단하지만 고조파가 더 높습니다.
o 권선 계산:
목표 변환율, 여자 전압, 주파수를 기준으로 전자기 계산을 통해 여자 권선 및 사인/코사인 권선의 권선 수를 결정합니다. 두 출력 권선의 회전 수는 엄격하게 동일해야 합니다.
o 연결 방법:
사인 권선과 코사인 권선이 공간적으로 전기적으로 정확히 90도 떨어져 있는지 확인하십시오.
3. 자기장 시뮬레이션 및 최적화(FEA 시뮬레이션) - 필수 현대 설계 도구
순수하게 분석적인 계산은 매우 복잡하고 정확도가 충분하지 않습니다. FEA(유한 요소 분석) 소프트웨어(예: JMAG, ANSYS Maxwell, Simcenter Magnet)가 필수적입니다.
· 정적 필드 시뮬레이션:
다양한 회전자 각도에서 자기장 분포, 인덕턴스 매트릭스 및 출력 전위를 계산합니다.
· 과도 필드 시뮬레이션:
실제 여기 전압을 적용하여 출력 전압 파형을 시뮬레이션하여 성능을 보다 정확하게 반영합니다.
· 파라메트릭 최적화:
톱니 모양, 에어 갭, 슬롯 개구부와 같은 주요 치수의 파라메트릭 스윕 및 최적화를 수행하여 오류(예: THD)를 최소화하고 변환 비율을 최대화합니다.
· 오류 분석:
시뮬레이션을 통해 전기적 오류를 계산하고 오류 원인(예: 고조파, 코깅 효과, 포화 효과)을 분석합니다.
4. 기계구조 설계
· 하우징 및 베어링:
지정된 진동과 충격을 견디면서 회전자와 고정자 사이의 동심도를 보장하고 공극 변화를 최소화할 수 있도록 지지 구조를 설계하고 적절한 베어링을 선택합니다.
· 샤프트 연결:
모터 샤프트와의 안정적인 연결 및 백래시 없는 전송을 보장하기 위해 키홈, 매끄러운 보어 또는 서보 인터페이스를 설계합니다.
· 열 관리:
권선의 발열과 철 손실을 고려하여 고온 환경에서 과열을 방지합니다. 열 경로 설계가 필요한 경우도 있습니다.
· 전자기 차폐:
외부 자기장의 간섭을 방지하기 위해 필요한 경우 차폐를 추가합니다.
5. 신호 처리 회로 고려 사항
리졸버 본체 설계의 일부는 아니지만 시너지 효과를 고려해 고려해야 합니다.
· RDC(Resolver-to-Digital Converter):
리졸버의 임피던스와 여기 주파수에 맞는 RDC 칩(예: AD2S1205, AU6802)을 선택합니다. 설계 중에 입력 임피던스 매칭이 필요합니다.
· 여기 구동 회로:
깨끗하고 안정적인 사인파를 제공할 수 있는 전력 연산 증폭기 회로가 필요합니다.
· 필터 회로:
출력 신호를 필터링하여 고주파 잡음 및 고조파를 억제합니다.
III. 설계 과제 및 핵심 기술
1. 고조파 억제:
자기 저항 변화의 비선형성으로 인해 VR 리졸버의 출력 전압에는 오류의 주요 원인인 풍부한 고조파가 포함되어 있습니다. 와 같은 방법을 사용하면
폴-슬롯 조합 최적화, 스큐(슬롯 또는 폴), 고정자 톱니에 보조 슬롯 추가 고조파를 효과적으로 억제할 수 있습니다.
2. 정확도와 비용의 균형:
정확도가 높다는 것은 더 정밀한 가공(더 작은 에어 갭, 더 높은 동심도), 더 높은 품질의 재료(고급 규소강), 더 복잡한 설계(예: 더 많은 폴 쌍, 분수 슬롯) 및 더 엄격한 프로세스를 의미하며 이는 비용의 급격한 증가로 이어집니다.
3. 온도 드리프트:
권선의 저항과 규소강의 특성은 온도에 따라 변하여 진폭과 위상 드리프트가 발생합니다. 회로나 소프트웨어의 보상이 필요하거나 전자기 설계시 온도 안정성이 좋은 재료를 선택해야 합니다.
요약
디자인 권장사항:
1. 사양부터 시작합니다.
먼저 정확도, 크기 및 환경과 관련하여 애플리케이션 시나리오의 특정 요구 사항을 철저하게 이해합니다.
2. 입증된 솔루션 활용:
검증되고 신뢰할 수 있는 시작점이기 때문에 기존 폴-슬롯 조합(예: 4-2, 8-4)으로 시작하십시오.
3. 시뮬레이션 중심 설계:
이론적인 계산에 그치지 마십시오. 즉시 FEM 소프트웨어를 사용하여 시뮬레이션 및 최적화를 위한 파라메트릭 모델을 생성합니다. 이는 설계 성공률을 높이고 개발 주기를 단축하는 데 핵심입니다.
4. 반복 및 테스트:
프로토타입 제작 후 종합적인 성능 테스트(오차, 온도 상승, 진동 등)를 수행하고 시뮬레이션 결과와 비교하고 차이의 원인을 분석한 후 다음 설계 반복을 진행합니다.
5. 시스템 수준에서 생각:
리졸버 센서와 다운스트림 RDC 회로를 통합 시스템으로 고려하고 디버깅합니다.
가변 릴럭턴스 리졸버의 설계는 이론, 시뮬레이션, 실험의 반복 주기가 필요한 매우 실용적인 기술입니다.
