„Ogniste oczy” silników głównego napędu pojazdów elektrycznych – dostosowywanie resolwerów o zmiennej reluktancji

Wprowadzenie: Niezbędne „oko” do sterowania silnikiem

W silniku napędowym pojazdów nowej generacji znajduje się niepozorny, ale niezwykle ważny element – ​​tzw resolwer o zmiennej reluktancji  (często skracany do „resolver”). Działa jak „oko” silnika, stale informując sterownik silnika: „Gdzie teraz znajduje się wirnik? Jaka jest prędkość obrotowa?”

Bez tego „oka” silniki synchroniczne z magnesami trwałymi nie mogą osiągnąć precyzyjnej kontroli komutacji, co skutkuje nierówną, nierówną mocą wyjściową – lub nawet całkowitą awarią. Dane pokazują, że stopień penetracji rezolwerów w głównych silnikach napędowych nowych pojazdów pasażerskich zasilanych energią elektryczną wynosi aż  78,6%  , co oznacza, że ​​prawie każdy główny silnik napędowy nowego pojazdu energetycznego jest w taki wyposażony.

Jak więc właściwie działa ten mały czujnik? Dlaczego należy go „dostosować”? A na jakie kluczowe parametry należy zwrócić uwagę podczas dostosowywania?

1. Co to jest narzędzie do rozwiązywania problemów ze zmienną reluktancją?

1.1 Od transformatora do rezolwera

Każdy zna „transformator” – zwiększa lub zmniejsza napięcie. Resolwer można uważać za zaawansowaną wersję transformatora: podczas gdy konwencjonalny transformator wytwarza stałe napięcie, resolwer wytwarza napięcie, które zmienia się w zależności od kąta obrotu wirnika.

Najpopularniejszym typem jest resolwer o zmiennej reluktancji. Jego podstawowa struktura jest niezwykle prosta:

·  Stojan : Zamocowany na miejscu, uzwojony z uzwojeniem wzbudzenia (wejściem) i uzwojeniem wyjściowym sinus/cosinus.

·  Wirnik : Wykonany z ułożonych w stos warstw stali krzemowej z zębami,  nie zawierający w ogóle uzwojeń i obracający się wraz z wałem silnika.

1.2 Zasada działania: Zmiany szczeliny powietrznej określają zmiany sygnału

Kiedy do uzwojenia wzbudzenia stojana zostanie przyłożone napięcie wzbudzenia prądu przemiennego, w szczelinie powietrznej pomiędzy stojanem a wirnikiem generowane jest zmienne pole magnetyczne. Gdy wirnik się obraca, opór magnetyczny szczeliny powietrznej zmienia się okresowo, ponieważ zęby wirnika (występy i wgłębienia) naprzemiennie przechodzą przez zęby stojana.

Ta zmiana powoduje zmianę amplitudy napięć indukowanych w dwóch uzwojeniach wyjściowych (sinus i cosinus) – jedno według wzoru sinusoidalnego, drugie cosinusowego.

Interpretując te dwa sygnały, sterownik silnika może w każdej chwili dokładnie obliczyć bezwzględne położenie kątowe wirnika.

1.3 Dlaczego stał się on najlepszym wyborem w przypadku silników głównego napędu pojazdów elektrycznych?

Resolwer o zmiennej reluktancji „zdominował” nowy sektor pojazdów energetycznych dzięki następującym mocnym stronom:

·  Niezwykle prosta i niezawodna konstrukcja : Brak uzwojeń wirnika, brak szczotek – brak problemów ze zużyciem, a teoretyczna żywotność może dorównać samemu sprzętowi.

·  Wyjątkowa odporność na warunki środowiskowe : Zakres temperatur pracy od -50°C do +155°C, odporność na wysokie temperatury, wibracje i zanieczyszczenie olejem.

·  Silna odporność na zakłócenia elektromagnetyczne : Opierając się na zasadach indukcji elektromagnetycznej, jest naturalnie odporny na trudne środowisko elektromagnetyczne wewnątrz silnika.

·  Wyjście położenia absolutnego : Dostarcza aktualny kąt natychmiast po włączeniu zasilania, bez potrzeby stosowania procedury „naprowadzania”.

2. Dlaczego główny silnik napędowy wymaga „niestandardowego” resolwera?

Niektórzy mogą zapytać: czy resolwery nie są standardowymi, gotowymi komponentami? Dlaczego nie kupić po prostu gotowego?

Rzeczywistość nie jest taka prosta.  Każdy główny silnik napędowy nowego pojazdu energetycznego jest projektowany z myślą o innej mocy, prędkości, przestrzeni montażowej i warunkach pracy – a te różnice bezpośrednio decydują o tym, że resolwer musi być „szyty na miarę”.

2.1 Wymiary montażowe są bardzo zróżnicowane

Różne silniki są dostępne w różnych rozmiarach ram, od 25 do 300, a każdy z nich wymaga rezolwera o odpowiednich wymiarach. Metody montażu również się różnią – montaż przez otwory, montaż powierzchniowy, montaż kołnierzowy – każdy odpowiada innej konstrukcji interfejsu mechanicznego.

2.2 Parametry elektryczne różnią się

Napięcie wzbudzenia, częstotliwość wzbudzenia, liczba par biegunów, przekładnia transformacyjna – wszystkie te parametry elektryczne muszą idealnie pasować do układu sterowania silnikiem. Użycie rezolwera o niedopasowanych parametrach może w najlepszym przypadku zmniejszyć dokładność pomiaru, a w najgorszym spowodować, że cały system sterowania silnikiem przestanie działać.

2.3 Wymagania dotyczące dokładności znacznie się różnią

Dokładność pozycji wymagana w przypadku silnika napędowego popularnego pojazdu osobowego jest zupełnie inna niż w przypadku pojazdu o wysokich osiągach. Im więcej par biegunów, tym wyższa dokładność – od 2, 4 do 6 lub więcej par biegunów, przy poprawie dokładności z 25 minut łuku do 10 minut łuku lub nawet więcej.

2.4 Warunki pracy nie są jednolite

Niektóre silniki pracują w środowiskach chłodzonych olejem, co wymaga, aby przelicznik był kompatybilny z olejem; inne dążą do ekstremalnie wysokich prędkości, co wymaga obsługi prędkości obrotowej 20 000 obr./min lub nawet wyższej; jeszcze inne wymagają certyfikatu AEC-Q klasy motoryzacyjnej – każdy warunek nakłada odrębne wymagania projektowe na rezolwer.

3. Dostosowywanie programu resolwerującego: co dokładnie można dostosować?

3.1 Dostosowywanie mechaniczne

·  Wymiary zewnętrzne : średnica zewnętrzna, długość, rozmieszczenie otworów montażowych itp.

·  Metoda montażu : przez otwór, montaż powierzchniowy lub kołnierzowy.

·  Otwór wału wirnika : musi dokładnie odpowiadać średnicy wału silnika.

·  Specyfikacje przewodu ołowiowego : długość przewodu, grubość i typ złącza.

3.2 Dostosowywanie elektryczne

·  Liczba par biegunów : kluczowy parametr określający rozdzielczość pomiaru; można dostosować do wymagań.

·  Napięcie wzbudzenia : typowo AC 7 Vrms, ale regulowane w zależności od potrzeb systemu.

·  Częstotliwość wzbudzenia : zwykle 10 kHz, ale można określić inne częstotliwości.

·  Współczynnik transformacji : określa amplitudę sygnału wyjściowego, wpływając na przetwarzanie sygnału przez dalszy układ dekodujący.

·  Impedancja wejściowa/wyjściowa : musi pasować do obwodu napędu.

3.3 Dostosowywanie wydajności

· Dostępny  stopień dokładności : od precyzji standardowej do precyzji wysokiej (np. ±4 minuty kątowe).

·  Maksymalna prędkość obrotowa : standardowo 20 000 obr/min; wyższe prędkości można dostosować.

·  Zakres temperatur pracy : dostosowany do rzeczywistych warunków pracy.

·  Stopień ochrony : np. IP69 lub wyższy.

3.4 Specjalne dostosowania

·  Kompatybilność z olejami : specjalne materiały i konstrukcje uszczelnień do silników chłodzonych olejem.

·  Tolerancja mimośrodu : opatentowane schematy uzwojeń kompensujące błędy mimośrodu montażowego.

·  Zintegrowany czujnik temperatury : opcjonalny termistor NTC do łącznego wykrywania położenia i temperatury.

4. Proces dostosowywania: od wymagań do dostawy

Typowy proces dostosowywania programu rozpoznawania nazw składa się zazwyczaj z następujących etapów:

Krok 1: Komunikacja w sprawie wymagań  – Klient podaje parametry silnika, dostępną przestrzeń, cele wydajnościowe itp.

Krok 2: Projekt rozwiązania  - Dostawca opracowuje projekty elektromagnetyczne i mechaniczne w oparciu o wymagania.

Krok 3: Weryfikacja symulacji  - Analiza elementów skończonych (FEA) służy do optymalizacji wydajności elektromagnetycznej.

Krok 4: Produkcja prototypów  — próbki prototypów są produkowane i testowane na stanowiskach testowych.

Krok 5: Produkcja masowa  - Po walidacji produkt przechodzi do produkcji seryjnej.

Obecnie wiodący krajowi dostawcy usług resolwerowych skrócili cykl dostaw dostosowywania do zaledwie 4-6 tygodni. Niektórzy zbudowali już w pełni zautomatyzowane linie produkcyjne o rocznej wydajności przekraczającej 1 milion sztuk.

5. Trend branżowy: substytucja krajowa nabiera tempa

Przez długi czas rynek wysokiej klasy resolwerów był zdominowany przez zagraniczne marki, takie jak japońska Tamagawa i MinebeaMitsumi. Jednak w ostatnich latach chińska technologia resolwerów dokonała znaczących przełomów. Jednocześnie szybko rozwijają się krajowe chipy konwertera resolwera na cyfrę (RDC). SC2121 firmy Xinchi Semiconductor i inne produkty osiągnęły funkcjonalną równość z modelami o międzynarodowej renomie, a firma Fengchao Technology wprowadziła również na rynek wysokowydajne chipy RDC.  Krajowa substytucja pełnołańcuchowa – od czujnika do układu dekodującego – nabiera tempa.

Wniosek

Mimo niewielkich rozmiarów, resolwer o zmiennej reluktancji jest niezbędnym czujnikiem rdzeniowym w układzie sterowania głównych silników napędowych pojazdów nowej generacji. Jego dostosowanie ma bezpośredni wpływ na dokładność sterowania silnikiem, wydajność operacyjną i niezawodność.

Wraz z ciągłym rozwojem branży pojazdów napędzanych energią elektryczną i pogłębianiem się substytucji krajowej, usługi dostosowywania rozwiązań resolwerowych staną się jeszcze bardziej dojrzałe i wydajne. Dla inżynierów silników zrozumienie zasad działania i podstaw dostosowywania rezolwerów stało się już obowiązkowym kursem.

Przecież  tylko silnik wyposażony w odpowiednie „oczy” może widzieć wyraźnie i pracować stabilnie.