Rozwiązanie VR vs. Rezolwer wirnika rany: jaką konstrukcję wybrać dla czujników resolwera EV?

Kiedy obok Ciebie przejeżdża pojazd elektryczny, silnik – samo „serce mocy” samochodu – obraca się z tysiącami, a nawet dziesiątkami tysięcy obrotów na minutę. Wewnątrz tego serca znajduje się mały, ale niezwykle ważny element: czujnik resolwera  (lub po prostu „rezolwer”). Stale monitoruje położenie i prędkość wirnika, przekazując każdy ruch do sterownika pojazdu w czasie rzeczywistym. Ten malutki czujnik działa jak „oczy” silnika.

Jaka jest różnica między rezolwerem o zmiennej reluktancji (VR) a rezolwerem z uzwojonym wirnikiem? Który wybrać do sterowania silnikiem EV?

I. Co to jest rezolwer i dlaczego jest niezbędny w pojazdach elektrycznych?

Resolwer to czujnik położenia kątowego działający na zasadzie indukcji elektromagnetycznej. Służy do dokładnego pomiaru  przemieszczenia kątowego, prędkości obrotowej i kierunku wirnika . W przypadku silników synchronicznych z magnesami trwałymi (PMSM) elektroniczny układ sterowania musi znać dokładne położenie wirnika w czasie rzeczywistym, aby dostarczać prawidłowe przebiegi prądu do uzwojeń trójfazowych, zapewniając w ten sposób płynną i wydajną pracę silnika. Sygnał kąta przechwycony przez rezolwer jest dekodowany i przekazywany do sterownika silnika, bezpośrednio określając precyzję wyjściowego momentu obrotowego silnika i stabilność pracy.  Bez resolwera pojazd EV nie może uruchomić się ani działać prawidłowo.

Wśród czujników resolwerowych powszechnie stosowanych obecnie w pojazdach elektrycznych istnieją dwa główne podejścia techniczne:  rezolwery o zmiennej reluktancji (VR)  i  rezolwery z uzwojonym wirnikiem . Ich zasady działania i struktura znacznie się różnią.

II. Resolver VR: rotor bez cewek, wytrzymały i trwały

Zasada działania rezolwera VR wyraźnie różni się od zasady działania tradycyjnego rezolwera z uzwojonym wirnikiem. Konwencjonalny resolwer uzwojonego wirnika ma jednolitą szczelinę powietrzną i w celu obliczenia kąta wirnika opiera się na zmianie względnego położenia pomiędzy uzwojeniem sygnałowym wirnika a uzwojeniem wzbudzenia stojana. Natomiast resolwer VR ma  zarówno uzwojenia sygnałowe, jak i uzwojenia wzbudzenia zamocowane na stojanie . Wirnik składa się wyłącznie z ułożonych w stosy blach stalowych z zębami – nie posiada zwojów ani szczotek, co zapewnia  całkowicie bezkontaktową pracę.

Gdy wirnik się obraca, jego wyraźny efekt biegunowy powoduje, że przepuszczalność szczeliny powietrznej zmienia się sinusoidalnie wraz z kątem obrotu. Indukuje to sygnały napięcia sinusoidalnego i cosinusoidalnego w dwóch uzwojeniach wyjściowych stojana. Kąt wirnika można jednoznacznie określić, oceniając stosunek tych dwóch sygnałów.

Do głównych zalet resolwerów VR zalicza się:

• Prosta konstrukcja, niższy koszt:  Wirnik nie wymaga nawijania, ma mniej części, wykorzystuje dojrzałe procesy i jest tańszy w produkcji.

• Niezwykle wysoka niezawodność:  konstrukcja bezkontaktowa oznacza brak zużycia i konieczność smarowania. Wytrzymuje trudne warunki, takie jak  zanieczyszczenie olejem, kurz, wysoka temperatura, wilgotność i silne wibracje  – dokładnie typowe środowisko, w którym silnik EV pracuje przez cały okres jego użytkowania.

• Łatwa integracja:  Zwarta konstrukcja ułatwia integrację z układem napędowym silnika.

III. Narzędzie do rozwiązywania ran na wirniku: Uzwojenia wirnika, precyzja jak grot włóczni

Rezolwer z uzwojonym wirnikiem jest tradycyjną formą rezolwera. Swoją budową przypomina dwufazową maszynę indukcyjną z uzwojonym wirnikiem. Zarówno stojan, jak i wirnik mają uzwojenia. Sygnał wzbudzenia jest doprowadzany do uzwojenia wzbudzenia stojana, a uzwojenie wirnika działa jako strona wtórna, generując indukowane napięcia poprzez sprzężenie elektromagnetyczne. Wraz ze zmianą kąta wirnika zmienia się odpowiednio położenie względne między stojanem a uzwojeniami wirnika oraz zmienia się amplituda i faza indukowanych napięć, umożliwiając pomiar kąta.

Do głównych zalet resolwerów z uzwojonym wirnikiem należą:

• Większa dokładność:  liczbę zwojów uzwojenia można precyzyjnie zaprojektować w zależności od potrzeb, uzyskując rozdzielczość drugiego poziomu łuku.

• Doskonała liniowość:  napięcie wyjściowe utrzymuje ścisły związek funkcjonalny z kątem obrotu, zapewniając wysoką jakość sygnału.

• Bogate sygnały wyjściowe:  mogą być produkowane z wyjściami sinusoidalnymi, liniowymi i innymi, dostosowanymi do różnych zastosowań.

Jednak wirnik resolwera z uzwojonym wirnikiem ma uzwojenia, co czyni konstrukcję bardziej złożoną i wymaga bardziej wymagających procesów montażowych. Kiedy silniki EV zwykle pracują z prędkością 15 000 obr./min lub nawet wyższą, równowaga dynamiczna i niezawodność uzwojeń wirnika stają przed większymi wyzwaniami.

IV. Porównanie bezpośrednie: który wybrać do pojazdów elektrycznych?

Wniosek: Resolwery VR są preferowanym wyborem w przypadku pojazdów elektrycznych.

Powód jest jasny: środowisko pracy pojazdu wymaga od czujników wyjątkowo wysokiej niezawodności. Komora silnika pojazdu elektrycznego jest gorąca, zaolejona i silnie wibruje. Bezkontaktowa  , pozbawiona uzwojeń konstrukcja wirnika  rezolwerów VR zapewnia przytłaczającą przewagę w zakresie niezawodności w tych trudnych warunkach. Dzięki tym funkcjom resolwery VR stały się  głównym wyborem w przypadku czujników położenia silników elektrycznych, ze współczynnikiem penetracji przekraczającym 95% w polu pojazdów elektrycznych.

Jeśli chodzi o rezolwery z wirnikiem uzwojonym, pozostają one niezastąpione w zastosowaniach wymagających dużej precyzji, takich jak lotnictwo i kosmonautyka oraz wysokiej klasy serwomechanizmy. Jednakże w przypadku zastosowań pojazdów elektrycznych na dużą skalę, które wymagają „wysokiej niezawodności i wysokiej opłacalności”, podejście VR oferuje wyższą ogólną wartość.

V. Cztery kluczowe punkty procesu dla wysokiej jakości resolwerów VR

Wybór właściwej ścieżki technicznej to dopiero połowa sukcesu. Produkcja kwalifikowanego rezolwera VR opiera się na  solidnych procesach produkcyjnych . Weźmy na przykład SDM, firmę, która wcześnie rozpoczęła produkcję resolwerów VR. SDM ustanowiło kompleksowy system kontroli procesu obejmujący cztery krytyczne etapy: formowanie stojana, uzwojenie cewki, spawanie TIG oraz pełną kontrolę bezpieczeństwa i wydajności elektrycznej.

(1) Przeformowanie stojana

Obtrysk stojana polega na precyzyjnym formowaniu wtryskowym w celu pokrycia materiału izolacyjnego na powierzchni rdzenia stojana, zapewniając niezawodną izolację elektryczną i mechaniczną ochronę uzwojeń. Dobre obtryskiwanie nie tylko zapewnia izolację pomiędzy uzwojeniami, ale także zwiększa wytrzymałość konstrukcyjną stojana, utrzymując go stabilnym w przypadku długotrwałych wibracji o wysokiej częstotliwości. Na tym etapie SDM ściśle kontroluje dobór materiałów izolacyjnych i parametrów formowania wtryskowego, aby mieć pewność, że każdy stojan spełnia wymagania dotyczące wydajności izolacji.

(2) Uzwojenie cewki

Rezolwery VR mają małe średnice wewnętrzne stojana i wąskie szczeliny, co utrudnia nawijanie. Wysokiej jakości uzwojenia wymagają precyzyjnej liczby zwojów, ciasnego ułożenia i braku zakłóceń krzyżowych – a wszystko to ma kluczowe znaczenie dla dokładności sygnału rezolwera. SDM wykorzystuje precyzyjne procesy nawijania, aby zapewnić, że uzwojenia sinusoidalne są nawinięte z dokładnym sinusoidalnym rozkładem zwojów, gwarantując jakość sygnału ze źródła.

(3) Spawanie metodą TIG

Spawanie ołowiem to etap, który może powodować problemy z jakością w produkcji rezolwerów. Rezolwer VR ma sześć przewodów (wzbudzenie dodatnie/ujemne, sygnał sinusoidalny dwie linie, sygnał cosinusowy dwie linie). Jakość spawania ma bezpośredni wpływ na niezawodność połączenia czujnika. SDM wykorzystuje spawanie TIG (Tungsten Inert Gas) w celu uzyskania połączeń elektrycznych o wysokiej wytrzymałości i niskiej rezystancji pomiędzy każdym przewodem uzwojenia a końcówką, zasadniczo eliminując ryzyko, takie jak zimne złącza lub luźne połączenia.

(4) Pełna kontrola bezpieczeństwa i wydajności elektrycznej

Ostatnią bramą kontroli jakości jest 100% kontrola. SDM przeprowadza pełny test bezpieczeństwa i wydajności elektrycznej każdego produktu rezolwera VR, obejmujący rezystancję izolacji, wytrzymałość dielektryczną, rezystancję cewki, współczynnik transformacji i spójność sygnału wyjściowego sinus-cosinus. Tylko produkty, które przejdą wszystkie elementy kontroli, zostaną potwierdzone jako zakwalifikowane i dostarczone do klientów.

Od formowania stojana po uzwojenie cewek, od spawania TIG po pełne bezpieczeństwo i kontrolę elektryczną, SDM przestrzega wysokich standardów i rygorystycznych wymagań na każdym etapie produkcji, zobowiązując się do dostarczania wysokiej jakości produktów resolwerów VR o wysokiej spójności dla klientów pojazdów elektrycznych.

VI. Ostatnie słowa

Resolwery VR i resolwery z uzwojonym rotorem mają swoje mocne strony. Jednakże w branży pojazdów elektrycznych, gdzie niezawodność i koszt są niezwykle wymagające, rezolwery VR wyróżniają się wytrzymałością  , bezkontaktową pracą i dojrzałymi procesami , stając się głównym wyborem dla głównych producentów OEM. Patrząc wstecz na korzenie tej technologii, resolwery VR nie były pierwotnie projektowane dla samochodów – wyłoniły się z dążenia przemysłu lotniczego i wojskowego do absolutnej niezawodności w ekstremalnych warunkach. Teraz, gdy technologia ta „zeszła” do pojazdów elektrycznych, doskonale spełnia podstawowe potrzeby silników: „widzi dokładnie, wytrzymuje trudne warunki i działa długo”.

Wybór właściwej ścieżki technologicznej jest ważny, ale wybór odpowiedniego dostawcy jest równie istotny. Od precyzji produkcji po kontrolę jakości, solidne wykonanie każdego etapu procesu jest podstawową gwarancją, że czujnik „nie zawiedzie” w rzeczywistym użyciu.