I. Princípios Fundamentais dos Resolvedores de Relutância Variável
Primeiro, para compreender o projeto, é preciso compreender suas diferenças fundamentais em relação aos resolvedores tradicionais de rotor enrolado:
· Resolver Tradicional:
Tanto o estator quanto o rotor possuem enrolamentos. O sinal de excitação e o sinal de saída são induzidos eletromagneticamente através do entreferro.
· Resolver de Relutância Variável (VR):
Somente o estator possui enrolamentos . O rotor é um componente ferromagnético
não enrolado feito de pólos salientes ou de uma estrutura dentada. Seu princípio de funcionamento é baseado na
variação de relutância.
o Enrolamentos do estator:
Normalmente incluem um enrolamento de excitação (primário) e dois enrolamentos de saída (enrolamentos seno e cosseno, secundário) que são espacialmente ortogonais (90 graus elétricos separados).
o Rotação do Rotor:
Quando o rotor com pólos salientes gira, altera o comprimento do entreferro e a relutância do circuito magnético.
o Modulação de Sinal:
A variação na relutância do entreferro modula (modulação em amplitude) a amplitude da tensão induzida nos enrolamentos de saída pelo campo magnético de excitação. Os envelopes de amplitude dos dois enrolamentos de saída são funções senoidais 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 altas temperaturas . A desvantagem é que a precisão e a linearidade são geralmente ligeiramente inferiores às dos resolvedores de rotor bobinado de alta precisão.
II. Processo de design e principais considerações
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 Pólos (P):
Determina a relação entre ângulos elétricos e mecânicos (θ_elétrico = P * θ_mecânico). As configurações comuns são 1 par de pólos (unipolar) e 2 pares de pólos (bipolar). O número de pares de pólos afeta a precisão e a velocidade máxima.
· Requisitos de precisão:
Geralmente expressos em minutos de arco (′) ou miliradianos (mrad). Projetos de alta precisão exigem demandas extremamente altas de fabricação, materiais e supressão de harmônicas de campo magnético.
· Sinal de excitação de entrada:
Amplitude da tensão de excitação, frequência (as mais comuns são 4kHz, 10kHz, etc.), forma de onda (geralmente senoidal).
· Taxa de transformação (TR):
A relação entre a tensão de saída e a tensão de entrada (na posição de 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 contra entrada (IP).
· Restrições de tamanho:
Diâmetro externo, furo interno, espessura (comprimento).
· Parâmetros de Impedância:
Impedância de entrada/saída, afetando a correspondência com circuitos subsequentes.
2. Projeto Eletromagnético - Parte Central
· Projeto de laminação de estator/rotor:
o Seleção de materiais:
Normalmente utiliza chapas de aço silício com alta permeabilidade e baixa perda de ferro (por exemplo, DW540, 50JN400).
o Combinação Pole-Slot:
Esta é a alma do design. O número de ranhuras do estator (Zs) e de pólos salientes do rotor (Zr) deve ser determinado. A combinação mais comum é
Zr = 2P (o número de pólos do rotor é igual a duas vezes o número de pares de pólos), e Zs é um múltiplo de Zr. Por exemplo, um resolvedor unipolar (P=1) geralmente usa
Zs=4, Zr=2 ; um resolvedor bipolar (P=2) geralmente usa
Zs=8, Zr=4 ou
Zs=12, Zr=6.
o Formato da ranhura/pólo:
O formato dos dentes (paralelos, cônicos) afeta a distribuição do campo magnético e o conteúdo harmônico. Dimensões como largura do dente, largura de abertura da ranhura e espessura do garfo precisam de otimização para maximizar a força magneto-motriz fundamental (MMF) e minimizar os harmônicos da ranhura.
o Entreferro:
O tamanho do entreferro é uma compensação crítica. Um pequeno entreferro aumenta a taxa de transformação e a intensidade do sinal, mas aumenta a dificuldade de fabricação, a sensibilidade à excentricidade e a ondulação de torque. Um grande entreferro tem o efeito oposto. Normalmente projetado entre 0,05 mm - 0,25 mm.
· Projeto de enrolamento:
o Tipo:
Normalmente são usados enrolamentos distribuídos ou enrolamentos concentrados (dentados). Enrolamentos distribuídos (uma bobina abrangendo vários slots) produzem um campo magnético mais senoidal, mas são mais complexos de fabricar; enrolamentos concentrados são mais simples, mas possuem harmônicos mais elevados.
o Cálculo de voltas:
Com base na relação de transformação alvo, tensão de excitação e frequência, determine o número de voltas para o enrolamento de excitação e os enrolamentos seno/cosseno através de cálculo eletromagnético. O número de voltas dos dois enrolamentos de saída deve ser estritamente idêntico.
o Método de conexão:
Certifique-se de que os enrolamentos seno e cosseno estejam estritamente separados espacialmente por 90 graus elétricos.
3. Simulação e Otimização de Campo Magnético (Simulação FEA) - Ferramenta Essencial de Design Moderno
Cálculos puramente analíticos são muito complexos e insuficientemente precisos. O software de análise de elementos finitos (FEA) (por exemplo, JMAG, ANSYS Maxwell, Simcenter 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 da tensão de saída, refletindo o desempenho com mais precisão.
· Otimização Paramétrica:
Realize varreduras paramétricas e otimização de dimensões importantes como formato do dente, entreferro e abertura de canal para minimizar erros (por exemplo, THD) e maximizar a taxa de transformação.
· Análise de Erros:
Calcule erros elétricos através de simulação e analise fontes de erros (por exemplo, harmônicos, efeito de engrenagem, efeito de saturação).
4. Projeto de Estrutura Mecânica
· Carcaça e rolamentos:
Projete a estrutura de suporte e selecione os rolamentos apropriados para garantir a concentricidade entre o rotor e o estator e a variação mínima do entreferro, ao mesmo tempo em que suporta vibrações e choques especificados.
· Conexão do eixo:
Projete rasgos de chaveta, furo liso ou interface servo para garantir conexão confiável e transmissão sem folga com o eixo do motor.
· Gerenciamento térmico:
considere a geração de calor dos enrolamentos e as perdas de ferro para evitar superaquecimento em ambientes de alta temperatura. O projeto do caminho térmico às vezes é necessário.
· Blindagem Eletromagnética:
Adicione uma blindagem se necessário para evitar interferência de campos magnéticos externos.
5. Considerações sobre circuito de processamento de sinal
Embora não faça parte do projeto do corpo do resolver, deve ser considerado sinergicamente:
· RDC (Conversor Resolver-to-Digital):
Selecione um chip RDC (por exemplo, AD2S1205, AU6802) que corresponda à impedância e frequência de excitação do resolver. A correspondência de impedância de entrada é necessária durante o projeto.
· Circuito de excitação:
Requer um circuito de amplificador operacional de potência 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 de Harmônicos:
Devido à não linearidade de sua variação de relutância, a tensão de saída de um resolvedor VR contém harmônicos ricos, que são a principal causa de erro. Métodos como
otimização da combinação pólo-ranhura, inclinação (ranhuras ou pólos) e adição de ranhuras auxiliares nos dentes do estator podem efetivamente suprimir harmônicos.
2. Equilibrar precisão e custo:
Alta precisão implica usinagem mais precisa (menor entreferro, maior concentricidade), materiais de maior qualidade (aço silício de maior qualidade), projetos mais complexos (por exemplo, mais pares de pólos, ranhuras fracionárias) e processos mais rigorosos, levando a custos crescentes acentuadamente.
3. Desvio de temperatura:
A resistência dos enrolamentos e as propriedades do aço silício mudam com a temperatura, causando desvio de amplitude e fase. É necessária compensação no circuito ou software, ou materiais com boa estabilidade de temperatura devem ser selecionados durante o projeto eletromagnético.
Resumo
Recomendações de projeto:
1. Comece com as especificações:
primeiro, entenda completamente os requisitos específicos do cenário da sua aplicação em relação à precisão, tamanho e ambiente.
2. Aproveite soluções comprovadas:
Comece com combinações clássicas de polo-slot (por exemplo, 4-2, 8-4), pois são um ponto de partida verificado e confiável.
3. Projeto Orientado a Simulação:
Não se limite aos cálculos teóricos; use imediatamente o software FEM para criar um modelo paramétrico para simulação e otimização. Isto é fundamental para melhorar as taxas de sucesso do projeto e encurtar os ciclos de desenvolvimento.
4. Iterar e testar:
após construir um protótipo, realize testes de desempenho abrangentes (erro, aumento de temperatura, vibração, etc.), compare com os resultados da simulação, analise as causas das diferenças e prossiga para a próxima iteração do projeto.
5. Pense no nível do sistema:
considere e depure o sensor resolver e o circuito RDC downstream como um sistema integrado.
O projeto de resolvedores de relutância variável é uma tecnologia altamente prática que requer ciclos repetidos de teoria, simulação e experimentação.
