'Ohnivé oči' motorov hlavného pohonu EV – prispôsobenie rozdeľovačov variabilnej reluktancie

Úvod: Nepostrádateľné 'oko' pre ovládanie motora

V hnacom motore nových energetických vozidiel je nenápadný, ale kriticky dôležitý komponent - the premenlivý reluktančný resolver  (často skrátený na 'resolver'). Funguje ako 'oko' motora, ktoré neustále hovorí ovládaču motora: 'Kde je teraz rotor umiestnený? Aká je rýchlosť otáčania?'

Bez tohto „oka“ nemôžu synchrónne motory s permanentnými magnetmi dosiahnuť presné riadenie komutácie, čo má za následok drsný, trhaný výkon – alebo dokonca úplné zlyhanie činnosti. Údaje ukazujú, že miera penetrácie rozkladačov v hlavných hnacích motoroch nových energetických osobných vozidiel je až  78,6 %  – čo znamená, že takmer každý hlavný hnací motor nového energetického vozidla je ním vybavený.

Ako teda tento maličký senzor vlastne funguje? Prečo je potrebné ho 'prispôsobiť'? A na aké kľúčové parametre by ste si mali pri prispôsobení dávať pozor?

1. Čo je to Variabilný Reluctance Resolver?

1.1 Od transformátora k Resolveru

Každý pozná 'transformátor' - zvyšuje alebo znižuje napätie. Rezolver možno považovať za pokročilú verziu transformátora: zatiaľ čo konvenčný transformátor má na výstupe pevné napätie, rezolver vydáva napätie, ktoré sa mení s uhlom natočenia rotora.

Premenlivý reluktančný resolver je najpoužívanejším typom. Jeho základná štruktúra je pozoruhodne jednoduchá:

·  Stator : Upevnený na mieste, vinutý s budiacim vinutím (vstupným) a sínusovým/kosínusovým výstupným vinutím.

·  Rotor : Vyrobený z vrstvených lamiel zo silikónovej ocele so zubami,  bez vinutia a otáča sa s hriadeľom motora.

1.2 Pracovný princíp: Zmeny vzduchovej medzery určujú zmeny signálu

Keď sa na budiace vinutie statora privedie striedavé budiace napätie, vo vzduchovej medzere medzi statorom a rotorom sa vytvorí striedavé magnetické pole. Pri otáčaní rotora sa magnetická reluktancia vzduchovej medzery periodicky mení, pretože zuby rotora (výčnelky a vybrania) striedavo prechádzajú cez zuby statora.

Táto zmena spôsobuje, že indukované napätia v dvoch výstupných vinutiach (sínus a kosínus) sa menia v amplitúde - jedno podľa sínusového vzoru, druhé podľa kosínusového vzoru.

Interpretáciou týchto dvoch signálov môže ovládač motora kedykoľvek presne vypočítať absolútnu uhlovú polohu rotora.

1.3 Prečo sa stal najlepšou voľbou pre motory hlavného pohonu EV?

Premenlivý reluctance resolver začal 'ovládať' sektor nových energetických vozidiel vďaka týmto silným stránkam:

·  Extrémne jednoduchá a spoľahlivá konštrukcia : Žiadne vinutia rotora, žiadne kefy - žiadne problémy s opotrebovaním a jeho teoretická životnosť môže zodpovedať životnosti samotného zariadenia.

·  Výnimočná odolnosť voči prostrediu : Rozsah prevádzkových teplôt od -50°C do +155°C, odolný voči vysokým teplotám, vibráciám a znečisteniu olejom.

·  Silná odolnosť proti elektromagnetickému rušeniu : Na základe princípov elektromagnetickej indukcie je prirodzene odolný voči drsnému elektromagnetickému prostrediu vo vnútri motora.

·  Výstup absolútnej polohy : Poskytuje aktuálny uhol ihneď po zapnutí, bez potreby procedúry 'navádzania'.

2. Prečo si motor hlavného pohonu vyžaduje 'Prispôsobený' Resolver?

Niektorí by sa mohli opýtať: nie sú rozkladače štandardnými komponentmi, ktoré sú bežne dostupné? Prečo si nekúpiť rovno hotový?

Realita zďaleka nie je taká jednoduchá.  Každý nový motor hlavného pohonu energetického vozidla je navrhnutý s iným výkonom, rýchlosťou, montážnym priestorom a prevádzkovými podmienkami – a tieto rozdiely priamo určujú, že resolver musí byť 'šitý na mieru'.

2.1 Montážne rozmery sa veľmi líšia

Rôzne motory sa dodávajú v rôznych veľkostiach rámu, od 25 do 300, pričom každý vyžaduje rezolver so zodpovedajúcimi rozmermi. Spôsoby montáže sa tiež líšia - montáž cez otvor, povrchová montáž, montáž na prírubu - každá zodpovedá inému dizajnu mechanického rozhrania.

2.2 Elektrické parametre sa líšia

Budiace napätie, budiaca frekvencia, počet pólových párov, transformačný pomer - všetky tieto elektrické parametre musia dokonale zodpovedať riadiacemu systému motora. Použitie resolvera s nezhodnými parametrami môže v najlepšom prípade znížiť presnosť merania a v najhoršom prípade spôsobiť nefunkčnosť celého riadiaceho systému motora.

2.3 Požiadavky na presnosť sa výrazne líšia

Presnosť polohy požadovaná pre hnací motor bežného osobného vozidla je úplne odlišná od presnosti vysokovýkonného vozidla. Čím viac párov pólov, tým vyššia je presnosť - v rozsahu od 2, 4 do 6 alebo viac párov pólov, pričom presnosť sa zlepšuje z 25 oblúkových minút na 10 oblúkových minút alebo ešte viac.

2.4 Prevádzkové podmienky nie sú jednotné

Niektoré motory pracujú v prostredí chladenom olejom, čo si vyžaduje, aby bol resolver kompatibilný s olejom; iní sledujú extrémne vysoké otáčky, čo si vyžaduje podporu pre 20 000 otáčok za minútu alebo dokonca vyššie; ďalšie vyžadujú certifikáciu AEC-Q automobilovej triedy – každá podmienka kladie na resolver odlišné konštrukčné požiadavky.

3. Prispôsobenie riešiča: Čo presne možno prispôsobiť?

3.1 Mechanické prispôsobenie

·  Vonkajšie rozmery : vonkajší priemer, dĺžka, umiestnenie montážnych otvorov atď.

·  Spôsob montáže : cez otvor, povrchová montáž alebo prírubový typ.

·  Otvor hriadeľa rotora : musí presne zodpovedať priemeru hriadeľa motora.

·  Špecifikácie oloveného vodiča : dĺžka vodiča, prierez a typ konektora.

3.2 Elektrické prispôsobenie

·  Počet párov pólov : kľúčový parameter určujúci rozlíšenie merania; možno prispôsobiť požiadavkám.

·  Budiace napätie : typicky AC 7 Vrms, ale nastaviteľné podľa systémových potrieb.

·  Frekvencia budenia : bežne 10 kHz, ale môžu byť špecifikované aj iné frekvencie.

·  Transformačný pomer : určuje amplitúdu výstupného signálu, čo ovplyvňuje spracovanie signálu následného dekódovacieho čipu.

·  Vstupná/výstupná impedancia : musí zodpovedať obvodu pohonu.

3.3 Prispôsobenie výkonu

·  Stupeň presnosti : od štandardnej po vysokú presnosť (napr. ±4 oblúkové minúty).

·  Maximálna rýchlosť otáčania : štandardne 20 000 ot./min; vyššie rýchlosti je možné prispôsobiť.

·  Rozsah prevádzkových teplôt : prispôsobený skutočným pracovným podmienkam.

·  Trieda ochrany : napr. IP69 alebo vyššia.

3.4 Špeciálne prispôsobenia

·  Kompatibilita s olejom : špeciálne materiály a tesniace konštrukcie pre olejom chladené motory.

·  Tolerancia excentricity : patentované schémy vinutia na kompenzáciu chýb excentricity montáže.

·  Integrované snímanie teploty : voliteľný NTC termistor pre kombinovanú detekciu polohy a teploty.

4. Proces prispôsobenia: Od požiadaviek po dodanie

Typický proces prispôsobenia resolvera vo všeobecnosti zahŕňa nasledujúce fázy:

Krok 1: Komunikácia s požiadavkami  – Zákazník poskytne parametre motora, dostupný priestor, výkonnostné ciele atď.

Krok 2: Návrh riešenia  – Dodávateľ vyvinie elektromagnetické a mechanické návrhy na základe požiadaviek.

Krok 3: Overenie simulácie –  na optimalizáciu elektromagnetického výkonu sa používa analýza konečných prvkov (FEA).

Krok 4: Výroba prototypu  - Vzorky prototypov sa vyrábajú a testujú na skúšobných stoliciach.

Krok 5: Hromadná výroba  – Po overení sa produkt presunie do sériovej výroby.

V súčasnosti poprední domáci dodávatelia resolverov skrátili cyklus dodania prispôsobenia na 4-6 týždňov. Niektorí už postavili plne automatizované výrobné linky s ročnou kapacitou presahujúcou 1 milión kusov.

5. Trend v odvetví: Domáca substitúcia naberá na obrátkach

Trhu high-end resolverov dlho dominovali zahraničné značky ako japonská Tamagawa a MinebeaMitsumi. V posledných rokoch však čínska technológia rozkladača zaznamenala významné prelomy；Zároveň rýchlo napredujú aj domáce čipy rozkladača na digitálny prevodník (RDC). Xinchi Semiconductor SC2121 a ďalšie produkty dosiahli funkčnú paritu s medzinárodne uznávanými modelmi a Fengchao Technology tiež uviedla na trh vysokovýkonné RDC čipy.  Celoreťazová domáca substitúcia – od senzora po dekódovací čip – sa zrýchľuje.

Záver

Aj keď je rozkladač s premenlivou reluktančnou veľkosťou malý, je nepostrádateľným základným snímačom v riadiacom systéme hlavných hnacích motorov nových energetických vozidiel. Jeho prispôsobenie priamo ovplyvňuje presnosť riadenia motora, prevádzkovú účinnosť a spoľahlivosť.

S pokračujúcim rastom priemyslu nových energetických vozidiel a prehlbovaním domácej substitúcie budú služby prispôsobenia resolvera ešte vyspelejšie a efektívnejšie. Pre motorových inžinierov sa pochopenie princípov fungovania a zásad prispôsobenia resolverov už stalo povinným kurzom.

Koniec koncov,  iba keď má motor nasadené tie správne 'oči', vidí jasne a beží stabilne.