I. Princípios principais dos resolvedores de relutância variável
Primeiro, para entender o design, é preciso entender suas diferenças fundamentais dos resolvedores tradicionais de rotores de feridas:
· Resolver tradicional: o estator e o rotor têm enrolamentos. O sinal de excitação e o sinal de saída são induzidos eletromagneticamente através da lacuna de ar.
· Resolver de relutância variável (VR): somente o estator possui enrolamentos . O rotor é um componente ferromagnético não enrolado feito de postes salientes ou uma estrutura dentada. Seu princípio de trabalho é baseado na variação de relutância.
Os enrolamentos do estacionamento: normalmente incluem um enrolamento de excitação (primário) e dois enrolamentos de saída (enrolamentos senoidais e cossenos, secundários) que são espacialmente ortogonais (90 graus elétricos).
o Rotação do rotor: Quando o rotor com pólos salientes gira, ele altera o comprimento do espaço de ar e a relutância do circuito magnético.
O Modulação do sinal: A variação na relutância do espaço de ar modula (modulação da amplitude) a amplitude da tensão induzida nos enrolamentos de saída pelo campo magnético da excitação. Os envelopes de amplitude dos dois enrolamentos de saída são funções sinusoidais e cosseno do ângulo do rotor, respectivamente.
Suas vantagens são: estrutura simples, robusta e durável (sem escova), baixo custo, alta confiabilidade, capacidade de suportar ambientes de alta velocidade e alta temperatura . A desvantagem é que a precisão e a linearidade são geralmente ligeiramente menores do que as dos resolvedores de alta precisão.
Ii. Processo de design e considerações importantes
O processo de design é iterativo e normalmente segue estas etapas:
1. Defina especificações de projeto
Este é o ponto de partida para todos os projetos e deve ser esclarecido primeiro:
· Número de pares de polos (P): determina a relação entre ângulos elétricos e mecânicos (θ_Elétricos = p * θ_mechanical). As configurações comuns são 1 par de polos (unipolar) e 2 pares de pólo (bipolar). O número de pares de polos afeta a precisão e a velocidade máxima.
· Requisitos de precisão: geralmente expressos em minutos (′) ou miliradianos (MRAD). Os projetos de alta precisão exigem demandas extremamente altas sobre fabricação, materiais e supressão harmônica de campo magnético.
· Sinal de excitação de entrada: amplitude da tensão de excitação, frequência (os comuns são 4KHz, 10kHz, etc.), forma de onda (geralmente sinusoidal).
· Taxa de transformação (TR): a razão da tensão de saída e a tensão de entrada (na posição do acoplamento máximo).
· Erro elétrico: inclui erro de função, erro de tensão nula, erro de fase, etc.
· Ambiente operacional: faixa de temperatura, vibração, choque, umidade, classificação de proteção de entrada (IP).
· Restrições de tamanho: diâmetro externo, furo interno, espessura (comprimento).
· Parâmetros de impedância: impedância de entrada/saída, afetando a correspondência com os circuitos subsequentes.
2. Projeto eletromagnético - parte do núcleo
· Design de laminação do estator/rotor:
o Seleção de material: normalmente usa folhas de aço de silício com alta permeabilidade e baixa perda de ferro (por exemplo, DW540, 50JN400).
Ó combinação de slots de pólo: esta é a alma do design. O número de slots do estator (ZS) e os postes salientes do rotor (ZR) deve ser determinado. A combinação mais comum é Zr = 2p (o número de pólos do rotor é igual ao dobro do número de pares de polos) e o ZS é um múltiplo de Zr. Por exemplo, um resolvedor unipolar (p = 1) costuma usar zs = 4, zr = 2 ; Um resolvedor bipolar (p = 2) costuma usar zs = 8, zr = 4 ou zs = 12, zr = 6.
O FORMA DE SLOTO/POLO: A forma dos dentes (paralela, cônica) afeta a distribuição do campo magnético e o conteúdo harmônico. Dimensões como largura do dente, largura de abertura do slot e espessura do garfo precisam de otimização para maximizar a força magneto-motor fundamental (MMF) e minimizar os harmônicos do slot.
o Air Gap: O tamanho do espaço de ar é uma troca crítica. Uma pequena lacuna de ar aumenta a taxa de transformação e a resistência ao sinal, mas aumenta a dificuldade de fabricação, a sensibilidade à excentricidade e a ondulação de torque. Uma grande lacuna de ar tem o efeito oposto. Normalmente projetado entre 0,05 mm e 0,25 mm.
· Design de enrolamento:
o Tipo: enrolamentos normalmente distribuídos ou enrolamentos concentrados (dentes) são usados. Os enrolamentos distribuídos (uma bobina que abrangem vários slots) produzem um campo magnético mais sinusoidal, mas são mais complexos de fabricar; Os enrolamentos concentrados são mais simples, mas têm harmônicos mais altos.
o Cálculo de giro: com base na taxa de transformação alvo, tensão de excitação e frequência, determine o número de voltas para o enrolamento de excitação e os enrolamentos senoidal/cosseno através do cálculo eletromagnético. O número de voltas para os dois enrolamentos de saída deve ser estritamente idêntico.
o Método de conexão: verifique se os enrolamentos senoidal e cosseno estão estritamente 90 graus elétricos separados espacialmente.
3. Simulação e otimização de campo magnético (simulação de feA) - Ferramenta de design moderno essencial
Os cálculos puramente analíticos são muito complexos e insuficientemente precisos. O software de análise de elementos finitos (FEA) (por exemplo, JMAG, Ansys Maxwell, Simventer Magnet) é essencial.
· Simulação de campo estático: calcule a distribuição do campo magnético, a matriz de indutância e o potencial de saída em diferentes ângulos do rotor.
· Simulação de campo transitório: aplique a tensão de excitação real para simular a forma de onda de tensão de saída, refletindo com mais precisão o desempenho.
· Otimização paramétrica: execute varreduras paramétricas e otimização de dimensões -chave como forma do dente, lacuna de ar e abertura do slot para minimizar o erro (por exemplo, THD) e maximizar a taxa de transformação.
· Análise de erro: Calcule o erro elétrico por meio de simulação e analise as fontes de erro (por exemplo, harmônicos, efeito de engrenagem, efeito de saturação).
4. Design da estrutura mecânica
· Habitação e rolamentos: projete a estrutura de suporte e selecione os rolamentos apropriados para garantir a concordância entre o rotor e o estator e a variação mínima do espaço de ar, enquanto suporta vibração e choque especificados.
· Conexão do eixo: Keyways de design, furo suave ou interface servo para garantir conexão confiável e transmissão sem reação com o eixo do motor.
· Gerenciamento térmico: considere a geração de calor de enrolamentos e perdas de ferro para evitar superaquecimento em ambientes de alta temperatura. O projeto do caminho térmico às vezes é necessário.
· Escudo eletromagnético: adicione um escudo, se necessário, para impedir a interferência de campos magnéticos externos.
5. Considerações no circuito de processamento de sinal
Embora não faça parte do design do corpo do resolvedor, ele deve ser considerado sinergicamente:
· RDC (conversor resolvedor-digital): Selecione um chip RDC (por exemplo, AD2S1205, AU6802) que corresponde à impedância e à frequência de excitação do resolvedor. A correspondência de impedância de entrada é necessária durante o projeto.
· Circuito de acionamento de excitação: requer um circuito de amplificador operacional capaz de fornecer uma onda senoidal limpa e estável.
· Circuito de filtro: filtre os sinais de saída para suprimir ruídos e harmônicos de alta frequência.
Iii. Desafios de design e tecnologias -chave
1. Supressão harmônica: devido à não linearidade de sua variação de relutância, a tensão de saída de um resolvedor de VR contém harmônicos ricos, que são a principal causa de erro. Métodos como otimização de combinação de slots de pólo, distorção (slots ou pólos) e adição de slots auxiliares aos dentes do estator podem efetivamente suprimir os harmônicos.
2. Precisão e custo de equilíbrio: alta precisão implica usinagem mais precisa (menor lacuna de ar, maior concordância), materiais de maior qualidade (aço de silício de grau mais alto), projetos mais complexos (por exemplo, mais pares de pólo, caça -níqueis fracionários) e processos mais rígidos, levando a custos acentuados.
3. Drift de temperatura: a resistência dos enrolamentos e as propriedades da mudança de aço de silício com a temperatura, causando amplitude e desvio de fase. É necessária uma compensação no circuito ou software, ou os materiais com boa estabilidade de temperatura devem ser selecionados durante o projeto eletromagnético.
Resumo
Recomendações de design:
1. Comece com as especificações: primeiro, compreenda minuciosamente os requisitos específicos do seu cenário de aplicação sobre precisão, tamanho e ambiente.
2. Alavancar soluções comprovadas: comece com combinações clássicas de slot-poste (por exemplo, 4-2, 8-4), pois são um ponto de partida verificado e confiável.
3. Design orientado a simulação: não pare em cálculos teóricos; Use imediatamente o software FEM para criar um modelo paramétrico para simulação e otimização. Isso é essencial para melhorar as taxas de sucesso do projeto e encurtar os ciclos de desenvolvimento.
4. Iterate e teste: após a construção de um protótipo, conduzam testes abrangentes de desempenho (erro, aumento da temperatura, vibração etc.), compare com os resultados da simulação, analisem as causas das diferenças e prossiga para a próxima iteração de design.
5. Pense no nível do sistema: considere e depure o sensor do resolvedor e o circuito RDC a jusante como um sistema integrado.
O design de resolvedores de relutância variável é uma tecnologia altamente prática que requer ciclos repetidos de teoria, simulação e experimentação.
