I. Základné princípy rozdeľovačov variabilnej reluktancie
Po prvé, aby sme pochopili dizajn, musíme pochopiť jeho základné rozdiely od tradičných rozkladačov navinutých rotorov:
· Tradičný Resolver:
Stator aj rotor majú vinutia. Budiaci signál a výstupný signál sú elektromagneticky indukované cez vzduchovú medzeru.
· Variabilná reluktancia (VR) Resolver:
Len stator má vinutia . Rotor je
nenavinutý feromagnetický komponent vyrobený z vyčnievajúcich pólov alebo ozubenej konštrukcie. Jeho pracovný princíp je založený na
variácii váhavosti.
o Statorové vinutia:
Typicky obsahujú jedno budiace vinutie (primárne) a dve výstupné vinutia (sínusové a kosínusové vinutia, sekundárne), ktoré sú priestorovo ortogonálne (od seba 90 elektrických stupňov).
o Rotácia rotora:
Keď sa rotor s vyčnievajúcimi pólmi otáča, mení sa dĺžka vzduchovej medzery a reluktancia magnetického obvodu.
o Modulácia signálu:
Zmena reluktancie vzduchovej medzery moduluje (amplitúdová modulácia) amplitúdu napätia indukovanú vo výstupných vinutiach budiacim magnetickým poľom. Amplitúdové obálky dvoch výstupných vinutí sú sínusové a kosínusové funkcie uhla rotora.
Jeho výhody sú: jednoduchá konštrukcia, robustný a odolný (bezkefový), nízka cena, vysoká spoľahlivosť, schopnosť odolávať vysokorýchlostnému a vysokoteplotnému prostrediu . Nevýhodou je, že presnosť a linearita sú zvyčajne o niečo nižšie ako u vysoko presných rezolverov navinutých rotorov.
II. Proces navrhovania a kľúčové úvahy
Proces návrhu je iteratívny a zvyčajne sa riadi týmito krokmi:
1. Definujte špecifikácie dizajnu
Toto je východiskový bod pre všetky návrhy a je potrebné ho najprv objasniť:
· Počet pólových párov (P):
Určuje vzťah medzi elektrickými a mechanickými uhlami (θ_electric = P * θ_mechanical). Bežné konfigurácie sú 1 pólový pár (unipolárny) a 2 pólový pár (bipolárny). Počet párov pólov ovplyvňuje presnosť a maximálnu rýchlosť.
· Požiadavky na presnosť:
Zvyčajne sa vyjadruje v oblúkových minútach (′) alebo miliradiánoch (mrad). Vysoko presné konštrukcie vyžadujú extrémne vysoké nároky na výrobu, materiály a harmonické potlačenie magnetického poľa.
· Vstupný budiaci signál:
Amplitúda budiaceho napätia, frekvencia (bežné sú 4kHz, 10kHz atď.), priebeh (zvyčajne sínusový).
· Transformačný pomer (TR):
Pomer výstupného napätia k vstupnému napätiu (v polohe maximálnej väzby).
· Elektrická chyba:
Zahŕňa funkčnú chybu, chybu nulového napätia, fázovú chybu atď.
· Prevádzkové prostredie:
Rozsah teplôt, vibrácie, otrasy, vlhkosť, ochrana proti vniknutiu (IP).
· Obmedzenia veľkosti:
Vonkajší priemer, vnútorný otvor, hrúbka (dĺžka).
· Parametre impedancie:
Vstupná/výstupná impedancia ovplyvňujúca prispôsobenie s následnými obvodmi.
2. Elektromagnetický dizajn – hlavná časť
· Dizajn laminovania statora/rotora:
o Výber materiálu:
Zvyčajne sa používajú plechy z kremíkovej ocele s vysokou priepustnosťou a nízkou stratou železa (napr. DW540, 50JN400).
o Kombinácia pól-slot:
Toto je duša dizajnu. Musí sa určiť počet statorových štrbín (Zs) a vyčnievajúcich pólov rotora (Zr). Najbežnejšia kombinácia je
Zr = 2P (počet pólov rotora sa rovná dvojnásobku počtu párov pólov) a Zs je násobok Zr. Napríklad unipolárny resolver (P=1) často používa
Zs=4, Zr=2 ; bipolárny resolver (P=2) často používa
Zs=8, Zr=4 alebo
Zs=12, Zr=6.
o Tvar štrbiny/pólu:
Tvar zubov (paralelné, kužeľové) ovplyvňuje rozloženie magnetického poľa a harmonický obsah. Rozmery, ako je šírka zubov, šírka otvoru štrbiny a hrúbka strmeňa, vyžadujú optimalizáciu, aby sa maximalizovala základná magneto-motorická sila (MMF) a minimalizovali harmonické štrbiny.
o Vzduchová medzera:
Veľkosť vzduchovej medzery je kritickým kompromisom. Malá vzduchová medzera zvyšuje transformačný pomer a silu signálu, ale zvyšuje náročnosť výroby, citlivosť na excentricitu a zvlnenie krútiaceho momentu. Veľká vzduchová medzera má opačný efekt. Typicky navrhnuté medzi 0,05 mm - 0,25 mm.
· Dizajn vinutia:
o Typ:
Typicky sa používajú rozdelené vinutia alebo sústredené (zubové) vinutia. Distribuované vinutia (jedna cievka zahŕňajúca viacero štrbín) vytvára viac sínusové magnetické pole, ale je zložitejšie na výrobu; koncentrované vinutia sú jednoduchšie, ale majú vyššie harmonické.
o Výpočet závitu:
Na základe cieľového transformačného pomeru, budiaceho napätia a frekvencie určte počet závitov pre budiace vinutie a sínusové/kosínusové vinutia pomocou elektromagnetického výpočtu. Počet závitov pre dve výstupné vinutia musí byť presne identický.
o Spôsob pripojenia:
Uistite sa, že sínusové a kosínusové vinutia sú priestorovo oddelené striktne o 90 elektrických stupňov.
3. Simulácia a optimalizácia magnetického poľa (FEA Simulation) – základný nástroj moderného dizajnu
Čisto analytické výpočty sú veľmi zložité a nedostatočne presné. Nevyhnutný je softvér na analýzu konečných prvkov (FEA) (napr. JMAG, ANSYS Maxwell, Simcenter Magnet).
· Simulácia statického poľa:
Vypočítajte rozloženie magnetického poľa, maticu indukčnosti a výstupný potenciál pri rôznych uhloch rotora.
· Simulácia prechodového poľa:
Aplikujte skutočné budiace napätie na simuláciu priebehu výstupného napätia, čo presnejšie odráža výkon.
· Parametrická optimalizácia:
Vykonajte parametrické zametanie a optimalizáciu kľúčových rozmerov, ako je tvar zubov, vzduchová medzera a otvorenie štrbiny, aby ste minimalizovali chyby (napr. THD) a maximalizovali transformačný pomer.
· Analýza chýb:
Vypočítajte elektrickú chybu pomocou simulácie a analyzujte zdroje chýb (napr. harmonické, kogging, efekt saturácie).
4. Návrh mechanickej konštrukcie
· Puzdro a ložiská:
Navrhnite nosnú konštrukciu a vyberte vhodné ložiská, aby ste zabezpečili sústrednosť medzi rotorom a statorom a minimálne zmeny vzduchovej medzery, pričom odolali špecifikovaným vibráciám a otrasom.
· Pripojenie hriadeľa:
Navrhnite drážky pre pero, hladký vývrt alebo rozhranie servopohonu, aby ste zaistili spoľahlivé spojenie a prevod bez vôle s hriadeľom motora.
· Tepelný manažment:
Zvážte vytváranie tepla z vinutia a straty železa, aby ste zabránili prehriatiu v prostredí s vysokou teplotou. Niekedy je potrebný návrh tepelnej cesty.
· Elektromagnetické tienenie:
V prípade potreby pridajte tienenie, aby ste zabránili rušeniu vonkajšími magnetickými poľami.
5. Úvahy o obvode spracovania signálu
Hoci to nie je súčasťou konštrukcie tela rozkladača, musí sa posudzovať synergicky:
· RDC (Resolver-to-Digital Converter):
Vyberte RDC čip (napr. AD2S1205, AU6802), ktorý zodpovedá impedancii a budiacej frekvencii resolvera. Pri návrhu je potrebné prispôsobenie vstupnej impedancie.
· Budiaci obvod:
Vyžaduje obvod výkonového operačného zosilňovača schopný poskytnúť čistú a stabilnú sínusovú vlnu.
· Filter Circuit:
Filtrovanie výstupných signálov na potlačenie vysokofrekvenčného šumu a harmonických.
III. Výzvy dizajnu a kľúčové technológie
1. Potlačenie harmonických kmitov:
Kvôli nelinearite kolísania reluktancie obsahuje výstupné napätie rozkladača VR bohaté harmonické, ktoré sú hlavnou príčinou chyby. Metódy ako
optimalizácia kombinácie pól-slot, zošikmenie (štrbiny alebo póly) a pridanie pomocných štrbín na zuby statora môžu účinne potlačiť harmonické.
2. Vyváženie presnosti a ceny:
Vysoká presnosť predpokladá presnejšie obrábanie (menšia vzduchová medzera, vyššia sústrednosť), kvalitnejšie materiály (vyššia kvalita kremíkovej ocele), zložitejšie konštrukcie (napr. viac párov pólov, zlomkové drážky) a prísnejšie procesy, čo vedie k prudko rastúcim nákladom.
3. Teplotný drift:
Odpor vinutia a vlastnosti kremíkovej ocele sa menia s teplotou, čo spôsobuje amplitúdový a fázový drift. Je potrebná kompenzácia v obvode alebo softvéri, alebo by sa počas elektromagnetického návrhu mali zvoliť materiály s dobrou teplotnou stabilitou.
Zhrnutie
Odporúčania týkajúce sa dizajnu:
1. Začnite so špecifikáciami:
Najprv dôkladne pochopte špecifické požiadavky scenára vašej aplikácie týkajúce sa presnosti, veľkosti a prostredia.
2. Využite osvedčené riešenia:
Začnite s klasickými kombináciami tyče a slotu (napr. 4-2, 8-4), pretože sú overeným a spoľahlivým východiskovým bodom.
3. Dizajn riadený simuláciou:
Nezastavujte sa pri teoretických výpočtoch; okamžite použite FEM softvér na vytvorenie parametrického modelu pre simuláciu a optimalizáciu. To je kľúčom k zlepšeniu úspešnosti dizajnu a skráteniu vývojových cyklov.
4. Opakujte a otestujte:
Po vytvorení prototypu vykonajte komplexné výkonnostné testy (chyba, nárast teploty, vibrácie atď.), porovnajte s výsledkami simulácie, analyzujte príčiny rozdielov a prejdite k ďalšej iterácii návrhu.
5. Myslite na systémovej úrovni:
Zvážte a odlaďte snímač resolvera a nadväzujúci obvod RDC ako integrovaný systém.
Návrh rozkladačov premennej reluktancie je vysoko praktická technológia, ktorá si vyžaduje opakované cykly teórie, simulácie a experimentovania.
