I. Grundprinciper för resolver med variabel reluktans
För det första, för att förstå designen måste man förstå dess grundläggande skillnader från traditionella sårrotorupplösare:
· Traditionell resolver:
Både stator och rotor har lindningar. Excitationssignalen och utsignalen induceras elektromagnetiskt över luftgapet.
· Variabel reluktans (VR) Resolver:
Endast statorn har lindningar . Rotorn är en
icke-lindad ferromagnetisk komponent gjord av framträdande poler eller en tandad struktur. Dess arbetsprincip är baserad på
ovilja variation.
o Statorlindningar:
Inkluderar vanligtvis en excitationslindning (primär) och två utgående lindningar (sinus- och cosinuslindningar, sekundära) som är spatialt ortogonala (90 elektriska grader från varandra).
o Rotorrotation:
När rotorn med framträdande poler roterar ändras luftgapets längd och magnetkretsens reluktans.
o Signalmodulering:
Variationen i luftgapsreluktans modulerar (amplitudmodulering) spänningsamplituden som induceras i utgångslindningarna av excitationsmagnetfältet. Amplitudenveloppen för de två utgångslindningarna är sinusformade respektive cosinusfunktioner för rotorvinkeln.
Dess fördelar är: enkel struktur, robust och hållbar (borstlös), låg kostnad, hög tillförlitlighet, förmåga att motstå höghastighets- och högtemperaturmiljöer . Nackdelen är att noggrannheten och linjäriteten vanligtvis är något lägre än de hos högprecisionslindade rotorupplösare.
II. Designprocess och viktiga överväganden
Designprocessen är iterativ och följer vanligtvis dessa steg:
1. Definiera designspecifikationer
Detta är utgångspunkten för alla mönster och måste förtydligas först:
· Antal polpar (P):
Bestämmer förhållandet mellan elektriska och mekaniska vinklar (θ_electric = P * θ_mechanical). Vanliga konfigurationer är 1 polpar (unipolär) och 2 polpar (bipolär). Antalet stolppar påverkar noggrannhet och maximal hastighet.
· Noggrannhetskrav:
Vanligtvis uttryckt i bågminuter (′) eller milliradianer (mrad). Högprecisionskonstruktioner kräver extremt höga krav på tillverkning, material och övertonsdämpning av magnetfält.
· Ingångsexcitationssignal:
Excitationsspänningens amplitud, frekvens (vanliga är 4kHz, 10kHz, etc.), vågform (vanligtvis sinusformad).
· Transformationsförhållande (TR):
Förhållandet mellan utspänning och inspänning (vid läget för maximal koppling).
· Elektriskt fel:
Inkluderar funktionsfel, nollspänningsfel, fasfel, etc.
· Driftsmiljö:
Temperaturområde, vibrationer, stötar, fuktighet, inträngningsskydd (IP) klassificering.
· Storleksbegränsningar:
Ytterdiameter, inre hål, tjocklek (längd).
· Impedansparametrar:
Ingångs-/utgångsimpedans, som påverkar matchningen med efterföljande kretsar.
2. Elektromagnetisk design - kärndel
· Stator/rotor lamineringsdesign:
o Materialval:
Använder vanligtvis silikonstålplåtar med hög permeabilitet och låg järnförlust (t.ex. DW540, 50JN400).
o Pole-Slot-kombination:
Detta är själen i designen. Antalet statorslitsar (Zs) och rotorns utskjutande poler (Zr) måste bestämmas. Den vanligaste kombinationen är
Zr = 2P (antalet rotorpoler är lika med två gånger antalet polpar), och Zs är en multipel av Zr. Till exempel använder en unipolär resolver (P=1) ofta
Zs=4, Zr=2 ; en bipolär resolver (P=2) använder ofta
Zs=8, Zr=4 eller
Zs=12, Zr=6.
o Slits/polform:
Formen på tänderna (parallell, avsmalnande) påverkar magnetfältsfördelning och övertonsinnehåll. Dimensioner som tandbredd, spåröppningsbredd och oktjocklek behöver optimeras för att maximera fundamental magnetomotorisk kraft (MMF) och minimera spårövertoner.
o Luftgap:
Luftgapets storlek är en kritisk kompromiss. Ett litet luftgap ökar omvandlingsförhållandet och signalstyrkan men ökar tillverkningssvårigheter, excentricitetskänslighet och vridmomentrippel. En stor luftspalt har motsatt effekt. Typiskt utformad mellan 0,05 mm - 0,25 mm.
· Lindningsdesign:
o Typ:
Typiskt fördelade lindningar eller koncentrerade (tand)lindningar används. Distribuerade lindningar (en spole som spänner över flera slitsar) producerar ett mer sinusformat magnetfält men är mer komplexa att tillverka; koncentrerade lindningar är enklare men har högre övertoner.
o Vridberäkning:
Baserat på måltransformationsförhållandet, exciteringsspänningen och frekvensen, bestäm antalet varv för excitationslindningen och sinus/cosinuslindningarna genom elektromagnetisk beräkning. Antalet varv för de två utgående lindningarna måste vara strikt identiska.
o Anslutningsmetod:
Se till att sinus- och cosinuslindningarna är strikt 90 elektriska grader från varandra spatialt.
3. Magnetisk fältsimulering och optimering (FEA-simulering) - Viktigt verktyg för modern design
Rent analytiska beräkningar är mycket komplexa och inte tillräckligt exakta. Finite Element Analysis (FEA) programvara (t.ex. JMAG, ANSYS Maxwell, Simcenter Magnet) är avgörande.
· Statisk fältsimulering:
Beräkna magnetfältsfördelning, induktansmatris och utgångspotential vid olika rotorvinklar.
· Transientfältsimulering:
Applicera den faktiska excitationsspänningen för att simulera utspänningsvågformen, vilket mer exakt återspeglar prestandan.
· Parametrisk optimering:
Utför parametriska svep och optimering av nyckeldimensioner som tandform, luftgap och slitsöppning för att minimera fel (t.ex. THD) och maximera transformationsförhållandet.
· Felanalys:
Beräkna elektriska fel genom simulering och analysera felkällor (t.ex. övertoner, kuggeffekt, mättnadseffekt).
4. Mekanisk strukturkonstruktion
· Hus och lager:
Designa stödstrukturen och välj lämpliga lager för att säkerställa koncentricitet mellan rotor och stator och minimal luftgapvariation, samtidigt som den tål specificerade vibrationer och stötar.
· Axelanslutning:
Designa kilspår, slät borrning eller servogränssnitt för att säkerställa pålitlig anslutning och glappfri transmission med motoraxeln.
· Termisk hantering:
Överväg värmegenerering från lindningar och järnförluster för att förhindra överhettning i högtemperaturmiljöer. Termisk vägdesign är ibland nödvändig.
· Elektromagnetisk skärmning:
Lägg till en skärm vid behov för att förhindra störningar från externa magnetfält.
5. Överväganden vid signalbehandlingskretsar
Även om den inte är en del av resolverkroppens design, måste den övervägas synergistiskt:
· RDC (Resolver-to-Digital Converter):
Välj ett RDC-chip (t.ex. AD2S1205, AU6802) som matchar resolverns impedans och excitationsfrekvens. Ingångsimpedansmatchning krävs under design.
· Excitation Drive Circuit:
Kräver en op-amp-strömkrets som kan ge en ren, stabil sinusvåg.
· Filterkrets:
Filtrera utsignalerna för att undertrycka högfrekvent brus och övertoner.
III. Designutmaningar och nyckelteknologier
1. Övertonsdämpning:
På grund av den icke-linjära reluktansvariationen, innehåller utspänningen från en VR-resolver rika övertoner, som är huvudorsaken till fel. Metoder som
optimering av pol-slitskombination, snedställning (slitsar eller poler) och att lägga till extra slitsar på statortänderna kan effektivt undertrycka övertoner.
2. Balanseringsnoggrannhet och kostnad:
Hög noggrannhet innebär mer exakt bearbetning (mindre luftgap, högre koncentricitet), material av högre kvalitet (kiselstål av högre kvalitet), mer komplexa konstruktioner (t.ex. fler polpar, fraktionerad slits) och strängare processer, vilket leder till kraftigt ökande kostnader.
3. Temperaturdrift:
Motståndet hos lindningar och egenskaperna hos kiselstål förändras med temperaturen, vilket orsakar amplitud och fasdrift. Kompensation i kretsen eller mjukvaran behövs eller material med god temperaturstabilitet bör väljas vid elektromagnetisk design.
Sammanfattning
Designrekommendationer:
1. Börja med specifikationer:
Först, förstå de specifika kraven i ditt applikationsscenario vad gäller noggrannhet, storlek och miljö.
2. Utnyttja beprövade lösningar:
Börja med klassiska pole-slot-kombinationer (t.ex. 4-2, 8-4), eftersom de är en verifierad och pålitlig utgångspunkt.
3. Simuleringsdriven design:
Stanna inte vid teoretiska beräkningar; använd omedelbart FEM-programvara för att skapa en parametrisk modell för simulering och optimering. Detta är nyckeln till att förbättra framgångsfrekvensen för design och förkorta utvecklingscyklerna.
4. Iterera och testa:
Efter att ha byggt en prototyp, utför omfattande prestandatester (fel, temperaturökning, vibrationer, etc.), jämför med simuleringsresultat, analysera orsakerna till skillnader och fortsätt till nästa designiteration.
5. Tänk på systemnivå:
Betrakta och felsök resolversensorn och nedströms RDC-kretsen som ett integrerat system.
Utformningen av upplösare med variabel reluktans är en mycket praktisk teknik som kräver upprepade cykler av teori, simulering och experiment.
