I. Kernprincipes van variabele reluctantie-oplossers
Om het ontwerp te begrijpen, moet je eerst de fundamentele verschillen met traditionele wondrotor-resolvers begrijpen:
· Traditionele Resolver:
zowel de stator als de rotor hebben wikkelingen. Het excitatiesignaal en het uitgangssignaal worden elektromagnetisch over de luchtspleet geïnduceerd.
· Variabele Reluctantie (VR) Resolver:
Alleen de stator heeft wikkelingen . De rotor is een
niet-gewikkeld ferromagnetisch onderdeel gemaakt van uitstekende polen of een getande structuur. Het werkingsprincipe is gebaseerd op
weerstandsvariatie.
o Statorwikkelingen:
omvatten doorgaans één bekrachtigingswikkeling (primair) en twee uitgangswikkelingen (sinus- en cosinuswikkelingen, secundair) die ruimtelijk orthogonaal zijn (90 elektrische graden uit elkaar).
o Rotorrotatie:
Wanneer de rotor met uitstekende polen roteert, verandert dit de lengte van de luchtspleet en de weerstand van het magnetische circuit.
o Signaalmodulatie:
De variatie in de weerstand van de luchtspleet moduleert (amplitudemodulatie) de spanningsamplitude die in de uitgangswikkelingen wordt geïnduceerd door het magnetische excitatieveld. De amplitudeomhullende van de twee uitgangswikkelingen zijn respectievelijk sinusoïdale en cosinusfuncties van de rotorhoek.
De voordelen zijn: eenvoudige structuur, robuust en duurzaam (borstelloos), lage kosten, hoge betrouwbaarheid, bestand tegen hoge snelheden en omgevingen met hoge temperaturen . Het nadeel is dat de nauwkeurigheid en lineariteit meestal iets lager zijn dan die van zeer nauwkeurige wondrotor-resolvers.
II. Ontwerpproces en belangrijke overwegingen
Het ontwerpproces is iteratief en volgt doorgaans deze stappen:
1. Definieer ontwerpspecificaties
Dit is het uitgangspunt voor alle ontwerpen en moet eerst worden verduidelijkt:
· Aantal poolparen (P):
Bepaalt de relatie tussen elektrische en mechanische hoeken (θ_elektrisch = P * θ_mechanisch). Veel voorkomende configuraties zijn 1 poolpaar (unipolair) en 2 poolparen (bipolair). Het aantal poolparen heeft invloed op de nauwkeurigheid en de maximale snelheid.
· Nauwkeurigheidsvereisten:
Meestal uitgedrukt in boogminuten (′) of milliradialen (mrad). Ontwerpen met hoge precisie vereisen extreem hoge eisen aan productie, materialen en harmonische onderdrukking van magnetische velden.
· Ingangsexcitatiesignaal:
amplitude van de excitatiespanning, frequentie (gebruikelijke waarden zijn 4 kHz, 10 kHz, enz.), golfvorm (meestal sinusoïdaal).
· Transformatieverhouding (TR):
De verhouding tussen de uitgangsspanning en de ingangsspanning (op de positie van maximale koppeling).
· Elektrische fout:
Inclusief functiefout, nulspanningsfout, fasefout, enz.
· Bedrijfsomgeving:
temperatuurbereik, trillingen, schokken, vochtigheid, beschermingsgraad (IP).
· Groottebeperkingen:
buitendiameter, binnenboring, dikte (lengte).
· Impedantieparameters:
Ingangs-/uitgangsimpedantie, die de afstemming met daaropvolgende circuits beïnvloedt.
2. Elektromagnetisch ontwerp - kernonderdeel
· Stator/Rotor-lamineringsontwerp:
o Materiaalkeuze:
er wordt doorgaans gebruik gemaakt van siliciumstaalplaten met hoge permeabiliteit en laag ijzerverlies (bijv. DW540, 50JN400).
o Pole-Slot Combinatie:
Dit is de ziel van het ontwerp. Het aantal statorsleuven (Zs) en uitstekende rotorpolen (Zr) moeten worden bepaald. De meest voorkomende combinatie is
Zr = 2P (het aantal rotorpolen is gelijk aan tweemaal het aantal poolparen), en Zs is een veelvoud van Zr. Een unipolaire resolutie (P=1) gebruikt bijvoorbeeld vaak
Zs=4, Zr=2 ; een bipolaire solver (P=2) gebruikt vaak
Zs=8, Zr=4 of
Zs=12, Zr=6.
o Sleuf-/poolvorm:
De vorm van de tanden (parallel, taps toelopend) beïnvloedt de verdeling van het magnetische veld en de harmonische inhoud. Afmetingen zoals tandbreedte, gleufopeningbreedte en jukdikte moeten worden geoptimaliseerd om de fundamentele magneto-motorische kracht (MMF) te maximaliseren en gleufharmonischen te minimaliseren.
o Luchtspleet:
De grootte van de luchtspleet is een kritische afweging. Een kleine luchtspleet vergroot de transformatieverhouding en signaalsterkte, maar verhoogt de productieproblemen, de gevoeligheid voor excentriciteit en de koppelrimpel. Een grote luchtspleet heeft het tegenovergestelde effect. Typisch ontworpen tussen 0,05 mm - 0,25 mm.
· Wikkelontwerp:
o Type:
Er worden typisch verdeelde wikkelingen of geconcentreerde (tand)wikkelingen gebruikt. Gedistribueerde wikkelingen (één spoel die meerdere sleuven overspant) produceren een meer sinusoïdaal magnetisch veld, maar zijn complexer te vervaardigen; geconcentreerde wikkelingen zijn eenvoudiger maar hebben hogere harmonischen.
o Draaiberekening:
Bepaal op basis van de doeltransformatieverhouding, de excitatiespanning en de frequentie het aantal windingen voor de excitatiewikkeling en de sinus-/cosinuswikkelingen door middel van elektromagnetische berekeningen. Het aantal windingen voor de twee uitgangswikkelingen moet strikt identiek zijn.
o Verbindingsmethode:
Zorg ervoor dat de sinus- en cosinuswikkelingen ruimtelijk strikt 90 elektrische graden uit elkaar liggen.
3. Simulatie en optimalisatie van magnetische velden (FEA-simulatie) - Essentiële moderne ontwerptool
Zuiver analytische berekeningen zijn zeer complex en onvoldoende nauwkeurig. Finite Element Analysis (FEA)-software (bijv. JMAG, ANSYS Maxwell, Simcenter Magnet) is essentieel.
· Statische veldsimulatie:
bereken de verdeling van het magnetische veld, de inductiematrix en het uitgangspotentieel bij verschillende rotorhoeken.
· Transient Field Simulation:
Pas de werkelijke excitatiespanning toe om de golfvorm van de uitgangsspanning te simuleren, waardoor de prestaties nauwkeuriger worden weergegeven.
· Parametrische optimalisatie:
Voer parametrische sweeps uit en optimalisatie van belangrijke afmetingen zoals tandvorm, luchtspleet en sleufopening om fouten (bijv. THD) te minimaliseren en de transformatieverhouding te maximaliseren.
· Foutanalyse:
bereken elektrische fouten door middel van simulatie en analyseer foutbronnen (bijv. harmonischen, cogging-effect, verzadigingseffect).
4. Ontwerp van mechanische structuur
· Behuizing en lagers:
Ontwerp de ondersteuningsstructuur en selecteer geschikte lagers om concentriciteit tussen rotor en stator en minimale variatie in de luchtspleet te garanderen, terwijl ze bestand zijn tegen gespecificeerde trillingen en schokken.
· Asaansluiting:
Ontwerp spiebanen, gladde boring of servo-interface om een betrouwbare verbinding en spelingsvrije transmissie met de motoras te garanderen.
· Thermisch beheer:
houd rekening met de warmteontwikkeling door wikkelingen en ijzerverliezen om oververhitting in omgevingen met hoge temperaturen te voorkomen. Het ontwerpen van een thermisch pad is soms noodzakelijk.
· Elektromagnetische afscherming:
Voeg indien nodig een afscherming toe om interferentie door externe magnetische velden te voorkomen.
5. Overwegingen bij signaalverwerkingscircuits
Hoewel het geen deel uitmaakt van het ontwerp van de oplossingsbody, moet het synergetisch worden beschouwd:
· RDC (Resolver-naar-Digitaal Converter):
Selecteer een RDC-chip (bijv. AD2S1205, AU6802) die overeenkomt met de impedantie en excitatiefrequentie van de solver. Tijdens het ontwerp is aanpassing van de ingangsimpedantie vereist.
· Excitatie-aandrijfcircuit:
Vereist een power-op-amp-circuit dat een zuivere, stabiele sinusgolf kan leveren.
· Filtercircuit:
filtert de uitgangssignalen om hoogfrequente ruis en harmonischen te onderdrukken.
III. Ontwerpuitdagingen en sleuteltechnologieën
1. Harmonische onderdrukking:
vanwege de niet-lineariteit van de weerstandsvariatie bevat de uitgangsspanning van een VR-resolver rijke harmonischen, die de belangrijkste oorzaak van fouten zijn. Methoden zoals
optimalisatie van pool-slotcombinaties, scheeftrekken (sleuven of polen) en het toevoegen van hulpsleuven op statortanden kunnen harmonischen effectief onderdrukken.
2. Nauwkeurigheid en kosten in evenwicht brengen:
Hoge nauwkeurigheid impliceert nauwkeurigere bewerking (kleinere luchtspleet, hogere concentriciteit), materialen van hogere kwaliteit (siliciumstaal van hogere kwaliteit), complexere ontwerpen (bijvoorbeeld meer poolparen, fractionele sleuven) en striktere processen, wat leidt tot sterk stijgende kosten.
3. Temperatuurafwijking:
De weerstand van wikkelingen en de eigenschappen van siliciumstaal veranderen met de temperatuur, waardoor amplitude- en faseafwijking ontstaan. Er is compensatie in het circuit of de software nodig, of tijdens het elektromagnetische ontwerp moeten materialen met een goede temperatuurstabiliteit worden geselecteerd.
Samenvatting
Ontwerpaanbevelingen:
1. Begin met specificaties:
Begrijp eerst grondig de specifieke vereisten van uw toepassingsscenario met betrekking tot nauwkeurigheid, omvang en omgeving.
2. Maak gebruik van bewezen oplossingen:
Begin met klassieke pole-slot-combinaties (bijvoorbeeld 4-2, 8-4), omdat deze een geverifieerd en betrouwbaar startpunt vormen.
3. Simulatiegestuurd ontwerp:
stop niet bij theoretische berekeningen; gebruik onmiddellijk FEM-software om een parametrisch model te creëren voor simulatie en optimalisatie. Dit is de sleutel tot het verbeteren van de succespercentages van ontwerpen en het verkorten van ontwikkelingscycli.
4. Itereren en testen:
voer na het bouwen van een prototype uitgebreide prestatietests uit (fouten, temperatuurstijging, trillingen, enz.), vergelijk deze met simulatieresultaten, analyseer de oorzaken van verschillen en ga verder met de volgende ontwerpiteratie.
5. Denk op systeemniveau:
beschouw en debug de resolutiesensor en het stroomafwaartse RDC-circuit als een geïntegreerd systeem.
Het ontwerp van variabele reluctantie-resolvers is een zeer praktische technologie die herhaalde cycli van theorie, simulatie en experimenten vereist.
