I. Principiile de bază ale rezolutorilor cu reticență variabilă
În primul rând, pentru a înțelege designul, trebuie să înțelegem diferențele sale fundamentale față de solutoarele tradiționale cu rotor bobinat:
· Resolver tradițional:
Atât statorul, cât și rotorul au înfășurări. Semnalul de excitație și semnalul de ieșire sunt induse electromagnetic prin întrefierul de aer.
· Resolutor de reluctitate variabilă (VR):
Doar statorul are înfășurări . Rotorul este o componentă feromagnetică
neînfășurată, formată din poli proeminenți sau o structură dințată. Principiul său de funcționare se bazează pe
variația reticenței.
o Înfășurări statorice:
includ în mod obișnuit o înfășurare de excitație (primar) și două înfășurări de ieșire (înfășurări sinusoidale și cosinus, secundare) care sunt spațial ortogonale (90 de grade electrice între ele).
o Rotirea rotorului:
Când rotorul cu poli sporiți se rotește, acesta modifică lungimea spațiului de aer și reticența circuitului magnetic.
o Modulația semnalului:
Variația reluctanței întrefierului modulează (modulația de amplitudine) amplitudinea tensiunii indusă în înfășurările de ieșire de câmpul magnetic de excitație. Anvelopele de amplitudine ale celor două înfășurări de ieșire sunt funcții sinusoidală și, respectiv, cosinus ale unghiului rotorului.
Avantajele sale sunt: structură simplă, robustă și durabilă (fără perii), cost redus, fiabilitate ridicată, capacitatea de a rezista la medii de mare viteză și temperatură ridicată . Dezavantajul este că acuratețea și liniaritatea sunt de obicei puțin mai mici decât cele ale rezoltoarelor cu rotor bobinat de înaltă precizie.
II. Procesul de proiectare și considerente cheie
Procesul de proiectare este iterativ și urmează de obicei acești pași:
1. Definiți specificațiile de proiectare
Acesta este punctul de plecare pentru toate modelele și trebuie clarificat mai întâi:
· Numărul de perechi de poli (P):
Determină relația dintre unghiurile electrice și mecanice (θ_electric = P * θ_mechanical). Configurațiile comune sunt 1 pereche de poli (unipolară) și 2 perechi de poli (bipolar). Numărul de perechi de poli afectează precizia și viteza maximă.
· Cerințe de precizie:
De obicei exprimate în minute arc (′) sau miliradiani (mrad). Proiectele de înaltă precizie necesită cerințe extrem de mari la fabricație, materiale și suprimarea armonică a câmpului magnetic.
· Semnal de excitare de intrare:
amplitudinea tensiunii de excitare, frecvența (cele comune sunt 4kHz, 10kHz, etc.), forma de undă (de obicei sinusoidală).
· Raportul de transformare (TR):
Raportul dintre tensiunea de ieșire și tensiunea de intrare (la poziția de cuplare maximă).
· Eroare electrică:
Include eroare de funcție, eroare de tensiune nulă, eroare de fază etc.
· Mediu de operare:
interval de temperatură, vibrații, șocuri, umiditate, grad de protecție la pătrundere (IP).
· Constrângeri de dimensiune:
diametrul exterior, alezajul interior, grosimea (lungimea).
· Parametrii de impedanță:
impedanța de intrare/ieșire, care afectează potrivirea cu circuitele ulterioare.
2. Design electromagnetic - Partea de bază
· Design laminare stator/rotor:
o Selectarea materialului:
Folosește de obicei foi de oțel siliconic cu permeabilitate ridicată și pierderi reduse de fier (de exemplu, DW540, 50JN400).
o Combinație stâlp-slot:
acesta este sufletul designului. Trebuie determinat numărul de fante pentru stator (Zs) și polii proeminenti ai rotorului (Zr). Cea mai comună combinație este
Zr = 2P (numărul de poli ai rotorului este egal cu dublul numărului de perechi de poli), iar Zs este un multiplu al lui Zr. De exemplu, un rezolutor unipolar (P=1) utilizează adesea
Zs=4, Zr=2 ; un rezolutor bipolar (P=2) folosește adesea
Zs=8, Zr=4 sau
Zs=12, Zr=6.
o Forma slot/pol:
Forma dinților (paralel, conic) afectează distribuția câmpului magnetic și conținutul armonic. Dimensiunile precum lățimea dintelui, lățimea deschiderii fantei și grosimea jugului necesită optimizare pentru a maximiza forța magneto-motoare fundamentală (MMF) și a minimiza armonicile fantelor.
o Decalaj de aer:
dimensiunea spațiului de aer este un compromis critic. Un spațiu mic de aer crește raportul de transformare și puterea semnalului, dar crește dificultatea de fabricație, sensibilitatea la excentricitate și ondulația cuplului. Un spațiu mare de aer are efectul opus. Proiectat de obicei între 0,05 mm - 0,25 mm.
· Design de înfășurare:
o Tip:
sunt utilizate în mod obișnuit înfășurări distribuite sau concentrate (dinți). Înfășurările distribuite (o bobină care se întinde pe mai multe fante) produc un câmp magnetic mai sinusoidal, dar sunt mai complex de fabricat; înfășurările concentrate sunt mai simple, dar au armonici mai mari.
o Calculul rotației:
Pe baza raportului de transformare țintă, a tensiunii de excitare și a frecvenței, determinați numărul de spire pentru înfășurarea de excitație și înfășurările sinus/cosinus prin calcul electromagnetic. Numărul de spire pentru cele două înfășurări de ieșire trebuie să fie strict identic.
o Metoda de conectare:
Asigurați-vă că înfășurările sinusoidale și cosinus sunt la stricte distanță de 90 de grade electrice spațial.
3. Simularea și optimizarea câmpului magnetic (FEA Simulation) - Instrument esențial de design modern
Calculele pur analitice sunt foarte complexe și insuficient de precise. Software-ul de analiză a elementelor finite (FEA) (de exemplu, JMAG, ANSYS Maxwell, Simcenter Magnet) este esențial.
· Simularea câmpului static:
Calculați distribuția câmpului magnetic, matricea inductanței și potențialul de ieșire la diferite unghiuri ale rotorului.
· Simulare câmp tranzitoriu:
Aplicați tensiunea reală de excitare pentru a simula forma de undă a tensiunii de ieșire, reflectând mai precis performanța.
· Optimizare parametrică:
Efectuați măturări parametrice și optimizați dimensiunile cheie, cum ar fi forma dintelui, spațiul de aer și deschiderea fantei, pentru a minimiza erorile (de exemplu, THD) și a maximiza raportul de transformare.
· Analiza erorilor:
Calculați eroarea electrică prin simulare și analizați sursele de eroare (de exemplu, armonici, efect de cogging, efect de saturație).
4. Proiectarea structurii mecanice
· Carcasă și rulmenți:
Proiectați structura suport și selectați rulmenți corespunzători pentru a asigura concentricitatea între rotor și stator și variația minimă a spațiului de aer, rezistând în același timp la vibrațiile și șocurile specificate.
· Conexiune arbore:
Proiectați caneluri, orificiu neted sau interfață servo pentru a asigura o conexiune fiabilă și o transmisie fără joc cu arborele motorului.
· Managementul termic:
Luați în considerare generarea de căldură din înfășurări și pierderile de fier pentru a preveni supraîncălzirea în medii cu temperatură ridicată. Proiectarea traseului termic este uneori necesară.
· Ecran electromagnetic:
Adăugați un scut dacă este necesar pentru a preveni interferențele de la câmpurile magnetice externe.
5. Considerații privind circuitul de procesare a semnalului
Deși nu face parte din designul corpului de rezoluție, acesta trebuie luat în considerare în mod sinergic:
· RDC (Resolver-to-Digital Converter):
Selectați un cip RDC (de exemplu, AD2S1205, AU6802) care se potrivește cu impedanța rezolutorului și frecvența de excitație. Potrivirea impedanței de intrare este necesară în timpul proiectării.
· Circuit de excitație:
necesită un circuit de amplificator operațional de putere capabil să ofere o undă sinusoidală stabilă și curată.
· Circuit de filtrare:
Filtrați semnalele de ieșire pentru a suprima zgomotul de înaltă frecvență și armonicile.
III. Provocări de proiectare și tehnologii cheie
1. Suprimarea armonicilor:
Datorită neliniarității variației reluctanței sale, tensiunea de ieșire a unui resolver VR conține armonici bogate, care sunt principala cauză a erorii. Metode precum
optimizarea combinației stâlp-fânt, deformarea (fante sau poli) și adăugarea de sloturi auxiliare pe dinții statorului pot suprima eficient armonicile.
2. Echilibrarea preciziei și costurilor:
Precizia ridicată implică prelucrare mai precisă (defer mai mic, concentricitate mai mare), materiale de calitate superioară (oțel siliconic de calitate superioară), modele mai complexe (de exemplu, mai multe perechi de stâlpi, fante fracționale) și procese mai stricte, ceea ce duce la creșterea semnificativă a costurilor.
3. Derivarea temperaturii:
Rezistența înfășurărilor și proprietățile oțelului siliconic se modifică în funcție de temperatură, provocând deviația de amplitudine și de fază. Este necesară compensarea în circuit sau software, sau materiale cu stabilitate bună la temperatură ar trebui să fie selectate în timpul proiectării electromagnetice.
Rezumat
Recomandări de proiectare:
1. Începeți cu specificațiile:
În primul rând, înțelegeți în detaliu cerințele specifice ale scenariului aplicației dvs. în ceea ce privește acuratețea, dimensiunea și mediul.
2. Utilizați soluții dovedite:
Începeți cu combinații clasice stâlp-slot (de exemplu, 4-2, 8-4), deoarece acestea sunt un punct de plecare verificat și de încredere.
3. Simulare-Driven Design:
Nu te opri la calcule teoretice; utilizați imediat software-ul FEM pentru a crea un model parametric pentru simulare și optimizare. Aceasta este cheia pentru îmbunătățirea ratelor de succes în proiectare și pentru scurtarea ciclurilor de dezvoltare.
4. Repetați și testați:
După construirea unui prototip, efectuați teste de performanță cuprinzătoare (erori, creșterea temperaturii, vibrații etc.), comparați cu rezultatele simulării, analizați cauzele diferențelor și treceți la următoarea iterație de proiectare.
5. Gândiți-vă la nivel de sistem:
luați în considerare și depanați senzorul resolver și circuitul RDC din aval ca un sistem integrat.
Proiectarea solutoarelor cu reluctanță variabilă este o tehnologie extrem de practică care necesită cicluri repetate de teorie, simulare și experimentare.
