De 'vurige ogen' van EV-hoofdaandrijfmotoren – aanpassing van variabele reluctantie-resolvers

Inleiding: een onmisbaar 'Oog' voor motorbesturing

In de aandrijfmotor van nieuwe energievoertuigen bevindt zich een onopvallend maar toch cruciaal onderdeel: de variabele reluctantie-resolver  (vaak afgekort tot 'resolver'). Het fungeert als het 'oog' van de motor en vertelt voortdurend aan de motorcontroller: 'Waar bevindt de rotor zich nu? Wat is de rotatiesnelheid?'

Zonder dit 'oog' kunnen synchrone motoren met permanente magneten geen nauwkeurige commutatiecontrole bereiken, wat resulteert in een ruwe, schokkerige vermogensafgifte of zelfs volledig uitvallen van de werking. Uit gegevens blijkt dat de penetratiegraad van solvers in de hoofdaandrijfmotoren van personenauto's op nieuwe energie maar liefst  78,6% bedraagt  , wat betekent dat bijna de hoofdaandrijfmotor van elk nieuw energievoertuig ermee is uitgerust.

Hoe werkt deze kleine sensor eigenlijk? Waarom moet het 'op maat' zijn? En op welke belangrijke parameters moet u letten tijdens het maatwerk?

1. Wat is een Variable Reluctance Resolver?

1.1 Van transformator tot oplosser

Iedereen kent de 'transformator': deze verhoogt of verlaagt de spanning. Een solver kan worden gezien als een geavanceerde versie van een transformator: terwijl een conventionele transformator een vaste spanning afgeeft, levert een resolutie een spanning af die varieert met de rotatiehoek van de rotor.

De variabele reluctantie-resolver is het meest gebruikte type. De kernstructuur is opmerkelijk eenvoudig:

·  Stator : vastgezet, gewikkeld met een bekrachtigingswikkeling (ingang) en sinus-/cosinusuitgangswikkelingen.

·  Rotor : Gemaakt van gestapelde lamellen van siliciumstaal met tanden,  die helemaal geen wikkelingen bevatten , en roteert met de motoras.

1.2 Werkingsprincipe: Veranderingen in de luchtspleet bepalen signaalveranderingen

Wanneer een AC-excitatiespanning wordt aangelegd op de excitatiewikkeling van de stator, wordt een magnetisch wisselveld gegenereerd in de luchtspleet tussen de stator en de rotor. Terwijl de rotor draait, verandert de magnetische weerstand van de luchtspleet periodiek omdat de rotortanden (uitsteeksels en uitsparingen) afwisselend de statortanden passeren.

Deze variatie zorgt ervoor dat de geïnduceerde spanningen in de twee uitgangswikkelingen (sinus en cosinus) in amplitude veranderen - de ene volgt een sinuspatroon, de andere een cosinuspatroon..

Door deze twee signalen te interpreteren kan de motorcontroller op elk moment nauwkeurig de absolute hoekpositie van de rotor berekenen.

1.3 Waarom is dit de beste keuze geworden voor EV-hoofdaandrijfmotoren?

De variabele reluctantie-oplosser is de sector van nieuwe energievoertuigen gaan 'domineren' dankzij de volgende sterke punten:

·  Extreem eenvoudige en betrouwbare constructie : geen rotorwikkelingen, geen borstels, geen slijtageproblemen, en de theoretische levensduur kan overeenkomen met die van de apparatuur zelf.

·  Uitzonderlijke milieubestendigheid : bedrijfstemperatuurbereik van -50°C tot +155°C, bestand tegen hoge temperaturen, trillingen en olieverontreiniging.

·  Sterke immuniteit voor elektromagnetische interferentie : Gebaseerd op elektromagnetische inductieprincipes, is deze van nature immuun voor de agressieve elektromagnetische omgeving in de motor.

·  Absolute positie-uitvoer : levert de huidige hoek onmiddellijk bij het opstarten, zonder dat een 'homing'-procedure nodig is.

2. Waarom heeft de hoofdaandrijfmotor een 'aangepast'-resolver nodig?

Sommigen vragen zich misschien af: zijn solvers geen standaard, kant-en-klare componenten? Waarom koop je niet gewoon een kant-en-klaar exemplaar?

De realiteit is verre van zo eenvoudig.  Elke hoofdaandrijfmotor van een nieuw energievoertuig is ontworpen met een ander vermogen, snelheid, montageruimte en bedrijfsomstandigheden - en deze verschillen bepalen direct dat de solver 'op maat' moet zijn.

2.1 Montageafmetingen variëren sterk

Er zijn verschillende motoren in verschillende framegroottes, van 25 tot 300, die elk een solver met bijpassende afmetingen vereisen. De montagemethoden verschillen ook - montage door gaten, montage op het oppervlak, flensmontage - elk komt overeen met een ander mechanisch interfaceontwerp.

2.2 Elektrische parameters verschillen

Excitatiespanning, excitatiefrequentie, aantal poolparen, transformatieverhouding - al deze elektrische parameters moeten perfect overeenkomen met het motorbesturingssysteem. Het gebruik van een solver met niet-overeenkomende parameters kan in het beste geval de meetnauwkeurigheid verminderen en in het slechtste geval het gehele motorbesturingssysteem onbruikbaar maken.

2.3 Nauwkeurigheidsvereisten variëren aanzienlijk

De positienauwkeurigheid die vereist is voor de aandrijfmotor van een mainstream personenvoertuig is compleet anders dan die van een krachtig voertuig. Hoe meer poolparen, hoe hoger de nauwkeurigheid - variërend van 2, 4, tot 6 of meer poolparen, waarbij de nauwkeurigheid verbetert van 25 boogminuten tot 10 boogminuten of zelfs hoger.

2.4 Bedrijfsomstandigheden zijn niet uniform

Sommige motoren werken in oliegekoelde omgevingen, waardoor de solver oliecompatibel moet zijn; anderen streven extreem hoge snelheden na, waardoor ondersteuning voor 20.000 tpm of zelfs hoger nodig is; weer andere vereisen een AEC-Q-certificering van autokwaliteit; elke voorwaarde stelt specifieke ontwerpvereisten aan de oplosser.

3. Aanpassing van de Resolver: wat kan er precies worden aangepast?

3.1 Mechanische aanpassing

·  Externe afmetingen : buitendiameter, lengte, posities van montagegaten, etc.

·  Montagemethode : doorvoergat, opbouwmontage of flenstype.

·  Rotorasopening : moet precies overeenkomen met de diameter van de motoras.

·  Specificaties van de geleidingsdraden : draadlengte, dikte en connectortype.

3.2 Elektrisch maatwerk

·  Aantal poolparen : een belangrijke parameter die de meetresolutie bepaalt; kan worden aangepast aan de vereisten.

·  Excitatiespanning : typisch AC 7 Vrms, maar instelbaar per systeembehoefte.

·  Excitatiefrequentie : gewoonlijk 10 kHz, maar andere frequenties kunnen worden gespecificeerd.

·  Transformatieverhouding : bepaalt de amplitude van het uitgangssignaal, wat de signaalverwerking van de stroomafwaartse decoderingschip beïnvloedt.

·  Ingangs-/uitgangsimpedantie : moet overeenkomen met het aandrijfcircuit.

3.3 Prestatieaanpassing

·  Nauwkeurigheidsklasse : van standaardprecisie tot hoge precisie (bijv. ±4 boogminuten) beschikbaar.

·  Maximaal toerental : standaard 20.000 tpm; hogere snelheden kunnen worden aangepast.

·  Bedrijfstemperatuurbereik : afgestemd op de werkelijke werkomstandigheden.

·  Beschermingsklasse : bijv. IP69 of hoger.

3.4 Speciale aanpassingen

·  Oliecompatibiliteit : speciale materialen en afdichtingsontwerpen voor oliegekoelde motoren.

·  Excentriciteitstolerantie : gepatenteerde wikkelschema's om montage-excentriciteitsfouten te compenseren.

·  Geïntegreerde temperatuurdetectie : optionele NTC-thermistor voor gecombineerde positie- en temperatuurdetectie.

4. Maatwerkproces: van vereisten tot levering

Een typisch aanpassingsproces voor een oplossing omvat over het algemeen de volgende fasen:

Stap 1: Communicatie van vereisten  - De klant verstrekt motorparameters, beschikbare ruimte, prestatiedoelstellingen, enz.

Stap 2: Oplossingsontwerp  -De leverancier ontwikkelt de elektromagnetische en mechanische ontwerpen op basis van de vereisten.

Stap 3: Simulatieverificatie  - Eindige elementenanalyse (FEA) wordt gebruikt om de elektromagnetische prestaties te optimaliseren.

Stap 4: Prototypeproductie  - Prototypemonsters worden geproduceerd en getest op testbanken.

Stap 5: Massaproductie  - Na validatie gaat het product over op volumeproductie.

Momenteel hebben toonaangevende binnenlandse leveranciers van oplossers de leveringscyclus voor maatwerk verkort tot slechts 4-6 weken. Sommigen hebben al volledig geautomatiseerde productielijnen gebouwd met een jaarlijkse capaciteit van meer dan 1 miljoen eenheden.

5. Trend in de sector: binnenlandse vervanging wint aan kracht

Lange tijd werd de markt voor high-end solvers gedomineerd door buitenlandse merken zoals het Japanse Tamagawa en MinebeaMitsumi. De afgelopen jaren heeft de Chinese oplossingstechnologie echter aanzienlijke doorbraken geboekt. Tegelijkertijd maken de binnenlandse resolutie-naar-digitaal-omzetterchips (RDC) ook snel vooruitgang. De SC2121 van Xinchi Semiconductor en andere producten hebben functionele pariteit bereikt met internationaal gerenommeerde modellen, en Fengchao Technology heeft ook krachtige RDC-chips gelanceerd.  De binnenlandse vervanging van de volledige keten – van sensor tot decodeerchip – versnelt.

Conclusie

Hoewel klein van formaat, is de variabele reluctantie-resolver een onmisbare kernsensor in het besturingssysteem van de hoofdaandrijfmotoren van nieuwe energievoertuigen. De aanpassing ervan heeft rechtstreeks invloed op de regelnauwkeurigheid, de bedrijfsefficiëntie en de betrouwbaarheid van de motor.

Met de aanhoudende groei van de nieuwe energievoertuigenindustrie en de verdieping van de binnenlandse substitutie zullen de maatwerkdiensten voor oplossers nog volwassener en efficiënter worden. Voor motoringenieurs is het begrijpen van de werkingsprincipes en de essentiële aanpassingsmogelijkheden van solvers al een verplichte cursus geworden.

Alleen  als de motor is uitgerust met de juiste 'ogen', kan hij immers duidelijk zien en stabiel draaien.