I. Temeljna načela razreševalnikov spremenljivega odpora
Prvič, da bi razumeli zasnovo, je treba razumeti njene temeljne razlike od tradicionalnih razreševalnikov z navitim rotorjem:
· Tradicionalni rezolver:
stator in rotor imata navitja. Vzbujevalni signal in izhodni signal sta elektromagnetno inducirana preko zračne reže.
· Razločevalnik spremenljive upornosti (VR):
Samo stator ima navitja . Rotor je
nenavita feromagnetna komponenta, izdelana iz izstopajočih polov ali zobate strukture. Njegovo načelo delovanja temelji na
variaciji odpora.
o Navitja statorja:
običajno vključujejo eno vzbujevalno navitje (primarno) in dve izhodni navitji (sinusna in kosinusna navitja, sekundarna), ki sta prostorsko pravokotna (90 električnih stopinj narazen).
o Vrtenje rotorja:
Ko se rotor z izstopajočimi poli vrti, spremeni dolžino zračne reže in upornost magnetnega kroga.
o Modulacija signala:
Sprememba upora zračne reže modulira (amplitudna modulacija) amplitudo napetosti, ki jo v izhodnih navitjih inducira vzbujevalno magnetno polje. Amplitudni ovojnici obeh izhodnih navitij sta sinusni oziroma kosinusni funkciji kota rotorja.
Njegove prednosti so: preprosta struktura, robustnost in vzdržljivost (brez krtačk), nizki stroški, visoka zanesljivost, sposobnost vzdržati visoke hitrosti in visokotemperaturna okolja . Pomanjkljivost je, da sta natančnost in linearnost običajno nekoliko nižji kot pri visokonatančnih razreševalcih z navitim rotorjem.
II. Postopek načrtovanja in ključni premisleki
Postopek oblikovanja je iterativen in običajno sledi tem korakom:
1. Določite konstrukcijske specifikacije
To je izhodišče za vse načrte in ga je treba najprej razjasniti:
· Število parov polov (P):
Določa razmerje med električnimi in mehanskimi koti (θ_električni = P * θ_mehanski). Običajne konfiguracije so 1 par polov (unipolarni) in 2 para polov (bipolarni). Število parov polov vpliva na natančnost in največjo hitrost.
· Zahteve glede natančnosti:
Običajno izraženo v ločnih minutah (′) ali miliradianih (mrad). Visoko precizne zasnove zahtevajo izjemno visoke zahteve glede izdelave, materialov in dušenja harmonikov magnetnega polja.
· Vhodni vzbujevalni signal:
amplituda vzbujalne napetosti, frekvenca (običajne so 4 kHz, 10 kHz itd.), valovna oblika (običajno sinusna).
· Transformacijsko razmerje (TR):
Razmerje med izhodno napetostjo in vhodno napetostjo (na položaju največje sklopitve).
· Električna napaka:
Vključuje napako delovanja, napako ničelne napetosti, fazno napako itd.
· Delovno okolje:
temperaturno območje, vibracije, udarci, vlažnost, ocena zaščite pred vdorom (IP).
· Omejitve velikosti:
zunanji premer, notranja izvrtina, debelina (dolžina).
· Parametri impedance:
vhodna/izhodna impedanca, ki vpliva na ujemanje z naslednjim vezjem.
2. Elektromagnetna zasnova - jedrni del
· Zasnova laminacije statorja/rotorja:
o Izbira materiala:
običajno uporablja silikonsko jekleno pločevino z visoko prepustnostjo in nizko izgubo železa (npr. DW540, 50JN400).
o Kombinacija palic in rež:
to je duša dizajna. Določiti je treba število statorskih rež (Zs) in izstopajočih polov rotorja (Zr). Najpogostejša kombinacija je
Zr = 2P (število polov rotorja je enako dvakratnemu številu parov polov), Zs pa je večkratnik Zr. Na primer, unipolarni razreševalec (P=1) pogosto uporablja
Zs=4, Zr=2 ; bipolarni razreševalec (P=2) pogosto uporablja
Zs=8, Zr=4 ali
Zs=12, Zr=6.
o Oblika reže/pola:
oblika zob (vzporedna, stožčasta) vpliva na porazdelitev magnetnega polja in vsebnost harmonikov. Dimenzije, kot so širina zoba, širina odprtine reže in debelina jarma, potrebujejo optimizacijo, da se poveča osnovna magnetna gibalna sila (MMF) in zmanjšajo harmonike reže.
o Zračna reža:
Velikost zračne reže je kritičen kompromis. Majhna zračna reža poveča transformacijsko razmerje in moč signala, vendar poveča težave pri izdelavi, občutljivost na ekscentričnost in valovitost navora. Velika zračna reža ima nasprotni učinek. Običajno zasnovan med 0,05 mm in 0,25 mm.
· Zasnova navitja:
o Tip:
Uporabljajo se tipično porazdeljena navitja ali koncentrirana (zobata) navitja. Porazdeljena navitja (ena tuljava, ki zajema več rež) proizvajajo bolj sinusno magnetno polje, vendar so bolj zapletena za izdelavo; koncentrirana navitja so preprostejša, vendar imajo višje harmonike.
o Izračun obratov:
Na podlagi ciljnega transformacijskega razmerja, vzbujalne napetosti in frekvence določite število ovojev za vzbujalno navitje in sinusna/kosinusna navitja z elektromagnetnim izračunom. Število ovojev obeh izhodnih navitij mora biti popolnoma enako.
o Način povezave:
Zagotovite, da sta sinusna in kosinusna navitja prostorsko ločena za strogo 90 električnih stopinj.
3. Simulacija in optimizacija magnetnega polja (simulacija FEA) – bistveno orodje za sodobno oblikovanje
Povsem analitični izračuni so zelo zapleteni in premalo natančni. Bistvena je programska oprema za analizo končnih elementov (FEA) (npr. JMAG, ANSYS Maxwell, Simcenter Magnet).
· Simulacija statičnega polja:
Izračunajte porazdelitev magnetnega polja, matriko induktivnosti in izhodni potencial pri različnih kotih rotorja.
· Simulacija prehodnega polja:
uporabite dejansko vzbujalno napetost za simulacijo valovne oblike izhodne napetosti, ki natančneje odraža zmogljivost.
· Parametrična optimizacija:
Izvedite parametrične preglede in optimizacijo ključnih dimenzij, kot so oblika zoba, zračna reža in odprtina reže, da zmanjšate napako (npr. THD) in povečate razmerje transformacije.
· Analiza napake:
izračunajte električno napako s pomočjo simulacije in analizirajte vire napak (npr. harmoniki, učinek zobanja, učinek nasičenosti).
4. Oblikovanje mehanske strukture
· Ohišje in ležaji:
Oblikujte podporno strukturo in izberite ustrezne ležaje, da zagotovite koncentričnost med rotorjem in statorjem ter minimalno variacijo zračne reže, hkrati pa vzdržite določene vibracije in udarce.
· Priključek gredi:
Oblikujte utore za moznike, gladko izvrtino ali servo vmesnik, da zagotovite zanesljivo povezavo in prenos brez zračnosti z gredjo motorja.
· Toplotno upravljanje:
upoštevajte proizvodnjo toplote iz navitij in izgube železa, da preprečite pregrevanje v okoljih z visoko temperaturo. Včasih je potrebna zasnova toplotne poti.
· Elektromagnetna zaščita:
po potrebi dodajte zaščito, da preprečite motnje zunanjih magnetnih polj.
5. Premisleki o vezju za obdelavo signalov
Čeprav ni del zasnove telesa razreševalnika, ga je treba obravnavati sinergistično:
· RDC (Resolver-to-Digital Converter):
Izberite čip RDC (npr. AD2S1205, AU6802), ki se ujema z impedanco in frekvenco vzbujanja razreševalnika. Med načrtovanjem je potrebno ujemanje vhodne impedance.
· Pogonsko vezje vzbujanja:
zahteva močnostno vezje operacijskega ojačevalnika, ki lahko zagotovi čist, stabilen sinusni val.
· Filtrirno vezje:
Filtrirajte izhodne signale za zatiranje visokofrekvenčnega šuma in harmonikov.
III. Izzivi oblikovanja in ključne tehnologije
1. Zatiranje harmonikov:
Zaradi nelinearnosti variacije odpora vsebuje izhodna napetost VR-razločevalca bogate harmonike, ki so glavni vzrok za napako. Metode, kot je
optimizacija kombinacije polov in rež, nagibanje (rež ali polov) in dodajanje pomožnih rež na zobce statorja, lahko učinkovito zadušijo harmonike.
2. Uravnoteženje natančnosti in stroškov:
visoka natančnost pomeni natančnejšo obdelavo (manjša zračna reža, višja koncentričnost), materiale višje kakovosti (silicijevega jekla višjega razreda), bolj zapletene zasnove (npr. več parov polov, delne reže) in strožje postopke, kar vodi do močno višjih stroškov.
3. Temperaturni zamik:
odpornost navitij in lastnosti silicijevega jekla se spreminjajo s temperaturo, kar povzroča amplitudni in fazni zamik. Potrebna je kompenzacija v tokokrogu ali programski opremi ali pa je treba med elektromagnetnim načrtovanjem izbrati materiale z dobro temperaturno stabilnostjo.
Povzetek
Priporočila za oblikovanje:
1. Začnite s specifikacijami:
Najprej temeljito razumejte specifične zahteve vašega scenarija uporabe glede natančnosti, velikosti in okolja.
2. Izkoristite preizkušene rešitve:
Začnite s klasičnimi kombinacijami palic in rež (npr. 4-2, 8-4), saj so preverjeno in zanesljivo izhodišče.
3. Oblikovanje na podlagi simulacije:
Ne ustavite se pri teoretičnih izračunih; takoj uporabite programsko opremo FEM za ustvarjanje parametričnega modela za simulacijo in optimizacijo. To je ključno za izboljšanje stopenj uspešnosti oblikovanja in skrajšanje razvojnih ciklov.
4. Ponavljajte in testirajte:
Po izdelavi prototipa izvedite obsežne teste delovanja (napaka, dvig temperature, vibracije itd.), primerjajte z rezultati simulacije, analizirajte vzroke za razlike in nadaljujte z naslednjo ponovitvijo načrtovanja.
5. Razmišljajte na sistemski ravni:
Razmislite o senzorju razreševalnika in spodnjem vezju RDC kot integriranem sistemu in odpravite napake.
Zasnova razreševalnikov spremenljivega odpora je zelo praktična tehnologija, ki zahteva ponavljajoče se cikle teorije, simulacije in eksperimentiranja.
