I. Kjerneprinsipper for resolvere med variabel reluktans
For det første, for å forstå designet, må man forstå dets grunnleggende forskjeller fra tradisjonelle sårrotor-oppløsere:
· Tradisjonell resolver:
Både stator og rotor har viklinger. Eksitasjonssignalet og utgangssignalet induseres elektromagnetisk over luftgapet.
· Variabel reluktans (VR) Resolver:
Bare statoren har viklinger . Rotoren er en
ikke-viklet ferromagnetisk komponent laget av fremtredende poler eller en tannet struktur. Arbeidsprinsippet er basert på
motviljevariasjon.
o Statorviklinger:
Inkluderer typisk en eksitasjonsvikling (primær) og to utgangsviklinger (sinus- og cosinusviklinger, sekundære) som er romlig ortogonale (90 elektriske grader fra hverandre).
o Rotorrotasjon:
Når rotoren med fremtredende poler roterer, endrer den luftgapets lengde og reluktansen til den magnetiske kretsen.
o Signalmodulering:
Variasjonen i luftgap-reluktansen modulerer (amplitudemodulasjon) spenningsamplituden indusert i utgangsviklingene av det magnetiske eksitasjonsfeltet. Amplitudekonvoluttene til de to utgangsviklingene er henholdsvis sinusformede og cosinusfunksjoner til rotorvinkelen.
Dens fordeler er: enkel struktur, robust og holdbar (børsteløs), lav pris, høy pålitelighet, evne til å tåle høyhastighets- og høytemperaturmiljøer . Ulempen er at nøyaktigheten og lineariteten vanligvis er litt lavere enn for høypresisjons sårrotor-resolvere.
II. Designprosess og nøkkelhensyn
Designprosessen er iterativ og følger vanligvis disse trinnene:
1. Definer designspesifikasjoner
Dette er utgangspunktet for alle design og må avklares først:
· Antall polpar (P):
Bestemmer forholdet mellom elektriske og mekaniske vinkler (θ_electric = P * θ_mechanical). Vanlige konfigurasjoner er 1 polpar (unipolar) og 2 polpar (bipolar). Antall stangpar påvirker nøyaktighet og maksimal hastighet.
· Nøyaktighetskrav:
Vanligvis uttrykt i bueminutter (′) eller milliradianer (mrad). Høypresisjonsdesign krever ekstremt høye krav til produksjon, materialer og harmonisk undertrykkelse av magnetfelt.
· Input Exitation Signal:
Exitasjonsspenningsamplitude, frekvens (vanlige er 4kHz, 10kHz, etc.), bølgeform (vanligvis sinusformet).
· Transformasjonsforhold (TR):
Forholdet mellom utgangsspenning og inngangsspenning (ved posisjonen for maksimal kobling).
· Elektrisk feil:
Inkluderer funksjonsfeil, nullspenningsfeil, fasefeil osv.
· Driftsmiljø:
Temperaturområde, vibrasjon, sjokk, fuktighet, inntrengningsbeskyttelse (IP) klassifisering.
· Størrelsesbegrensninger:
Ytre diameter, indre boring, tykkelse (lengde).
· Impedansparametere:
Inngangs-/utgangsimpedans, som påvirker samsvar med påfølgende kretser.
2. Elektromagnetisk design - kjernedel
· Stator/rotor lamineringsdesign:
o Materialvalg:
Bruker vanligvis silisiumstålplater med høy permeabilitet og lavt jerntap (f.eks. DW540, 50JN400).
o Pole-Slot Combination:
Dette er sjelen til designet. Antall statorslisser (Zs) og rotorutspringende poler (Zr) må bestemmes. Den vanligste kombinasjonen er
Zr = 2P (antall rotorpoler tilsvarer to ganger antall polpar), og Zs er et multiplum av Zr. For eksempel bruker en unipolar resolver (P=1) ofte
Zs=4, Zr=2 ; en bipolar resolver (P=2) bruker ofte
Zs=8, Zr=4 eller
Zs=12, Zr=6.
o Spor/polform:
Formen på tennene (parallell, konisk) påvirker magnetfeltfordeling og harmonisk innhold. Dimensjoner som tannbredde, spalteåpningsbredde og åktykkelse trenger optimalisering for å maksimere fundamental magnetomotorisk kraft (MMF) og minimere sporharmoniske.
o Luftgap:
Størrelsen på luftgapet er en kritisk avveining. Et lite luftgap øker transformasjonsforholdet og signalstyrken, men øker produksjonsvansker, følsomhet for eksentrisitet og dreiemomentrippel. En stor luftspalte har motsatt effekt. Vanligvis utformet mellom 0,05 mm - 0,25 mm.
· Vikledesign:
o Type:
Typisk fordelte viklinger eller konsentrerte (tann) viklinger brukes. Distribuerte viklinger (én spole som spenner over flere spor) produserer et mer sinusformet magnetfelt, men er mer komplekse å produsere; konsentrerte viklinger er enklere, men har høyere harmoniske.
o Svingberegning:
Basert på måltransformasjonsforholdet, eksitasjonsspenning og frekvens, bestemme antall omdreininger for eksitasjonsviklingen og sinus/cosinusviklingene gjennom elektromagnetisk beregning. Antall omdreininger for de to utgangsviklingene må være strengt identiske.
o Tilkoblingsmetode:
Sørg for at sinus- og cosinusviklingene er strengt 90 elektriske grader fra hverandre romlig.
3. Magnetisk feltsimulering og -optimalisering (FEA-simulering) - Viktig moderne designverktøy
Rent analytiske beregninger er svært komplekse og utilstrekkelig nøyaktige. Finite Element Analysis (FEA) programvare (f.eks. JMAG, ANSYS Maxwell, Simcenter Magnet) er viktig.
· Statisk feltsimulering:
Beregn magnetfeltfordeling, induktansmatrise og utgangspotensial ved forskjellige rotorvinkler.
· Transient Field Simulering:
Påfør den faktiske eksitasjonsspenningen for å simulere utgangsspenningsbølgeformen, mer nøyaktig reflektere ytelsen.
· Parametrisk optimalisering:
Utfør parametriske sveip og optimalisering av nøkkeldimensjoner som tannform, luftgap og sporåpning for å minimere feil (f.eks. THD) og maksimere transformasjonsforholdet.
· Feilanalyse:
Beregn elektrisk feil gjennom simulering og analyser feilkilder (f.eks. harmoniske, tannhjulseffekt, metningseffekt).
4. Mekanisk strukturdesign
· Hus og lagre:
Design støttestrukturen og velg passende lagre for å sikre konsentrisitet mellom rotor og stator og minimal luftspaltevariasjon, samtidig som den tåler spesifiserte vibrasjoner og støt.
· Akseltilkobling:
Design kilespor, glatt boring eller servogrensesnitt for å sikre pålitelig tilkobling og slippfri overføring med motorakselen.
· Termisk styring:
Vurder varmeutvikling fra viklinger og jerntap for å forhindre overoppheting i høytemperaturmiljøer. Termisk banedesign er noen ganger nødvendig.
· Elektromagnetisk skjerming:
Legg til et skjold om nødvendig for å forhindre forstyrrelser fra eksterne magnetiske felt.
5. Hensyn til signalbehandlingskretser
Selv om det ikke er en del av resolverkroppsdesignet, må det vurderes synergistisk:
· RDC (Resolver-to-Digital Converter):
Velg en RDC-brikke (f.eks. AD2S1205, AU6802) som samsvarer med resolverens impedans og eksitasjonsfrekvens. Inngangsimpedanstilpasning er nødvendig under design.
· Excitation Drive Circuit:
Krever en effekt op-amp krets som er i stand til å gi en ren, stabil sinusbølge.
· Filterkrets:
Filtrer utgangssignalene for å undertrykke høyfrekvent støy og harmoniske.
III. Designutfordringer og nøkkelteknologier
1. Harmonisk undertrykkelse:
På grunn av ikke-lineariteten til dens reluktansvariasjon, inneholder utgangsspenningen til en VR-resolver rike harmoniske, som er hovedårsaken til feil. Metoder som
pol-spor-kombinasjon optimalisering, skjevhet (spor eller poler), og å legge til hjelpespor på statortenner kan effektivt undertrykke harmoniske.
2. Balanseringsnøyaktighet og kostnad:
Høy nøyaktighet innebærer mer presis maskinering (mindre luftgap, høyere konsentrisitet), materialer av høyere kvalitet (silisiumstål av høyere kvalitet), mer komplekse design (f.eks. flere polpar, fraksjonerte slisser) og strengere prosesser, noe som fører til kraftig økende kostnader.
3. Temperaturdrift:
Motstanden til viklinger og egenskapene til silisiumstål endres med temperaturen, noe som forårsaker amplitude- og fasedrift. Kompensasjon i kretsen eller programvare er nødvendig, eller materialer med god temperaturstabilitet bør velges under elektromagnetisk design.
Sammendrag
Designanbefalinger:
1. Begynn med spesifikasjoner:
Først må du forstå de spesifikke kravene til applikasjonsscenarioet ditt med hensyn til nøyaktighet, størrelse og miljø.
2. Utnytt velprøvde løsninger:
Begynn med klassiske stang-slot-kombinasjoner (f.eks. 4-2, 8-4), siden de er et verifisert og pålitelig utgangspunkt.
3. Simuleringsdrevet design:
Ikke stopp ved teoretiske beregninger; umiddelbart bruke FEM-programvare for å lage en parametrisk modell for simulering og optimalisering. Dette er nøkkelen til å forbedre suksessrater for design og forkorte utviklingssykluser.
4. Iterer og test:
Etter å ha bygget en prototype, utfør omfattende ytelsestester (feil, temperaturøkning, vibrasjoner osv.), sammenlign med simuleringsresultater, analyser årsakene til forskjeller og fortsett til neste designiterasjon.
5. Tenk på systemnivå:
Vurder og feilsøk resolversensoren og nedstrøms RDC-kretsen som et integrert system.
Utformingen av resolvere med variabel reluktans er en svært praktisk teknologi som krever gjentatte sykluser med teori, simulering og eksperimentering.
