I. Değişken isteksizlik çözücülerinin temel ilkeleri
Birincisi, tasarımı anlamak için, geleneksel yara-rotor çözücülerinden temel farklılıklarını anlamalıdır:
· Geleneksel Çözücü: Hem Stator hem de Rotor'un sargıları vardır. Uyarma sinyali ve çıkış sinyali, hava boşluğu boyunca elektromanyetik olarak indüklenir.
· Değişken isteksizlik (VR) Çözücü: Yalnızca statorun sargıları vardır . Rotor, yaralı olmayan bir ferromanyetik bileşendir. Çalışma prensibi göze çarpan kutuplardan veya dişli bir yapıdan yapılmış dayanmaktadır isteksizlik varyasyonuna .
o Stator sargıları: tipik olarak bir uyarma sargısı (birincil) ve uzamsal olarak dik (90 elektrik derecesi aralıklı) olan iki çıkış sargısı (sinüs ve kosinüs sargıları) içerir.
o Rotor rotasyonu: Göze çarpan kutuplara sahip rotor döndüğünde, hava boşluğu uzunluğunu ve manyetik devrenin isteksizliğini değiştirir.
o Sinyal modülasyonu: Hava boşluğu isteksizliğindeki değişim, uyarma manyetik alan tarafından çıkış sargılarında indüklenen voltaj genliğini modüle eder (genlik modülasyonu). İki çıkış sargısının genlik zarfları sırasıyla rotor açısının sinüzoidal ve kosinüs fonksiyonlarıdır.
Avantajları: basit yapı, sağlam ve dayanıklı (fırçasız), düşük maliyetli, yüksek güvenilirlik, yüksek hızlı ve yüksek sıcaklık ortamlarına dayanma yeteneği . Dezavantajı, doğruluk ve doğrusallığın genellikle yüksek hassasiyetli yara-rotor çözücülerinden biraz daha düşük olmasıdır.
İi. Tasarım süreci ve temel hususlar
Tasarım süreci yinelemelidir ve tipik olarak şu adımları izler:
1. Tasarım özelliklerini tanımla
Bu tüm tasarımlar için başlangıç noktasıdır ve önce netleştirilmelidir:
· Kutup çifti sayısı (P): Elektrik ve mekanik açılar arasındaki ilişkiyi belirler (θ_elektrik = p * θ_mechanical). Yaygın konfigürasyonlar 1 kutup çifti (unipolar) ve 2 kutup çiftidir (bipolar). Kutup çifti sayısı doğruluğu ve maksimum hızı etkiler.
· Doğruluk Gereksinimleri: Genellikle Arcminutes (′) veya Milliradians (MRAD) ile ifade edilir. Yüksek hassasiyetli tasarımlar, imalat, malzeme ve manyetik alan harmonik baskılama için son derece yüksek talepler gerektirir.
· Giriş uyarma sinyali: Uyarma voltajı genliği, frekans (yaygın olanlar 4KHz, 10kHz, vb.), Dalga formu (genellikle sinüzoidal).
· Dönüşüm oranı (TR): Çıkış voltajının giriş voltajına oranı (maksimum birleştirme konumunda).
· Elektrik hatası: Fonksiyon hatası, boş voltaj hatası, faz hatası, vb.
· Çalışma ortamı: sıcaklık aralığı, titreşim, şok, nem, giriş koruması (IP) derecesi.
· Boyut kısıtlamaları: dış çap, iç delik, kalınlık (uzunluk).
· Empedans parametreleri: sonraki devre ile eşleşmeyi etkileyen giriş/çıkış empedansı.
2. Elektromanyetik Tasarım - Çekirdek parça
· Stator/rotor laminasyon tasarımı:
O Malzeme Seçimi: Tipik olarak yüksek geçirgenlik ve düşük demir kaybına sahip silikon çelik tabakalar kullanır (örn., DW540, 50JN400).
Ey kutup yuvası kombinasyonu: Bu tasarımın ruhudur. Stator yuvaları (ZS) ve rotor belirgin kutupların (ZR) sayısı belirlenmelidir. En yaygın kombinasyon Zr = 2p'dir (rotor kutuplarının sayısı kutup çifti sayısının iki katına eşittir) ve ZS Zr'nin katlarıdır. Örneğin, tek kutuplu bir çözücü (p = 1) genellikle zs = 4, zr = 2 kullanır ; Bir bipolar çözücü (p = 2) genellikle zs = 8, zr = 4 veya zs = 12, zr = 6 kullanır.
o Yuva/kutup şekli: Dişlerin şekli (paralel, konik) manyetik alan dağılımını ve harmonik içeriği etkiler. Diş genişliği, yuva açılış genişliği ve boyunduruk kalınlığı gibi boyutlar, temel manyeto-motive kuvveti (MMF) en üst düzeye çıkarmak ve yuva harmoniklerini en aza indirmek için optimizasyona ihtiyaç duyar.
o Hava boşluğu: Hava boşluğu boyutu kritik bir değiş tokuştur. Küçük bir hava boşluğu, dönüşüm oranını ve sinyal gücünü arttırır, ancak üretim zorluğunu, eksantrikliğe duyarlılığı ve tork dalgalanmasını arttırır. Büyük bir hava boşluğu tam tersi etkiye sahiptir. Tipik olarak 0.05mm - 0.25mm arasında tasarlanmıştır.
· Sargı Tasarımı:
o Tür: Tipik olarak dağıtılmış sargılar veya konsantre (diş) sargılar kullanılır. Dağıtılmış sargılar (çoklu yuvaları kapsayan bir bobin) daha sinüzoidal manyetik alan üretir, ancak üretim için daha karmaşıktır; Konsantre sargılar daha basittir, ancak daha yüksek harmoniklere sahiptir.
o Dönüş hesaplaması: Hedef dönüşüm oranına, uyarma voltajına ve frekansa dayanarak, elektromanyetik hesaplama yoluyla uyarma sargısı ve sinüs/kosinüs sargıları için dönüş sayısını belirleyin. İki çıkış sargısı için dönüş sayısı kesinlikle aynı olmalıdır.
o Bağlantı Yöntemi: Sinüs ve kosinüs sargılarının kesinlikle 90 elektrik derecesi uzamsal olarak ayrı olduğundan emin olun.
3. Manyetik alan simülasyonu ve optimizasyonu (FEA simülasyonu) - Temel Modern Tasarım Aracı
Tamamen analitik hesaplamalar çok karmaşıktır ve yetersiz doğrudur. Sonlu eleman analizi (FEA) yazılımı (örn., JMAG, ANSYS Maxwell, SimCenter mıknatıs) esastır.
· Statik alan simülasyonu: Farklı rotor açılarında manyetik alan dağılımını, endüktans matrisini ve çıkış potansiyelini hesaplayın.
· Geçici Alan Simülasyonu: Çıkış voltajı dalga formunu simüle etmek için gerçek uyarma voltajını uygulayın, performansı daha doğru bir şekilde yansıtır.
· Parametrik Optimizasyon: Hatayı (örneğin, THD) en aza indirmek ve dönüşüm oranını en üst düzeye çıkarmak için diş şekli, hava boşluğu ve yuva açıklığı gibi parametrik taramaları ve optimizasyonunu gerçekleştirin.
· Hata Analizi: Simülasyon yoluyla elektrik hatasını hesaplayın ve hata kaynaklarını analiz edin (örn. Harmonikler, karmaşa etkisi, doygunluk etkisi).
4. Mekanik yapı tasarımı
· Konut ve rulmanlar: Destek yapısını tasarlayın ve rotor ve stator arasındaki eşmerkezlilik ve minimal hava boşluğu varyasyonu sağlamak için uygun rulmanları seçin ve belirtilen titreşim ve şoklara dayanın.
· Mil bağlantısı: Güvenilir bağlantı ve motor şaftı ile geri tepme içermeyen şanzıman sağlamak için kedi yolları, pürüzsüz delik veya servo arayüzü tasarlayın.
· Termal Yönetim: Yüksek sıcaklıklı ortamlarda aşırı ısınmayı önlemek için sargılardan ve demir kayıplarından ısı üretimini göz önünde bulundurun. Termal yol tasarımı bazen gereklidir.
· Elektromanyetik ekranlama: Harici manyetik alanlardan etkileşimi önlemek için gerekirse bir kalkan ekleyin.
5. Sinyal işleme devresi hususları
Çözücü gövde tasarımının bir parçası olmasa da, sinerjik olarak düşünülmelidir:
· RDC (çözücü-dijital dönüştürücü): Çözücülerin empedans ve uyarma frekansıyla eşleşen bir RDC çipini (örneğin, AD2S1205, AU6802) seçin. Tasarım sırasında giriş empedans eşleştirmesi gereklidir.
· Uyarma sürücü devresi: Temiz, kararlı bir sinüs dalgası sağlayabilen bir güç op-amp devresi gerektirir.
· Filtre devresi: Yüksek frekanslı gürültü ve harmonikleri bastırmak için çıkış sinyallerini filtreleyin.
III. Tasarım zorlukları ve temel teknolojiler
1. Harmonik baskılama: isteksizlik varyasyonunun doğrusal olmaması nedeniyle, bir VR çözücüsünün çıkış voltajı, hatanın ana nedeni olan zengin harmonikler içerir. gibi yöntemler Kutup yuvası kombinasyonu optimizasyonu, çarpma (yuvalar veya kutuplar) ve stator dişlerine yardımcı yuvalar eklemek harmonikleri etkili bir şekilde baskılayabilir.
2. Dengeleme doğruluğu ve maliyeti: Yüksek doğruluk, daha hassas işleme (daha küçük hava boşluğu, daha yüksek konsantrik), daha kaliteli malzemeler (daha yüksek dereceli silikon çelik), daha karmaşık tasarımlar (örneğin, daha fazla kutup çiftleri, fraksiyonel yuvalar) ve daha katı işlemler anlamına gelir.
3. Sıcaklık kayması: Sargıların direnci ve silikon çeliğin özellikleri sıcaklık ile değişerek genliğe ve faz kaymasına neden olur. Devre veya yazılımdaki telafi gereklidir veya elektromanyetik tasarım sırasında iyi sıcaklık stabilitesi olan malzemeler seçilmelidir.
Özet
Tasarım Önerileri:
1. Spesifikasyonlarla başlayın: İlk olarak, uygulama senaryonunuzun doğruluk, boyut ve çevre ile ilgili özel gereksinimlerini iyice anlayın.
2. Kanıtlanmış çözümlerden yararlanın: Doğrulanmış ve güvenilir bir başlangıç noktası oldukları için klasik kutup yuvası kombinasyonları (örn., 4-2, 8-4) ile başlayın.
3. Simülasyon odaklı tasarım: Teorik hesaplamalarda durmayın; Simülasyon ve optimizasyon için parametrik bir model oluşturmak için hemen FEM yazılımını kullanın. Bu, tasarım başarı oranlarını iyileştirmenin ve geliştirme döngülerini kısaltmanın anahtarıdır.
4. Yineleme ve test: Bir prototip oluşturduktan sonra, kapsamlı performans testleri (hata, sıcaklık artışı, titreşim vb.) Yapın, simülasyon sonuçlarıyla karşılaştırın, farklılıkların nedenlerini analiz edin ve bir sonraki tasarım yinelemesine geçin.
5. Sistem düzeyinde düşünün: çözücü sensörünü ve aşağı akış RDC devresini entegre bir sistem olarak düşünün ve hata ayıklayın.
Değişken isteksizlik çözücülerinin tasarımı, teori, simülasyon ve deneylerin tekrarlanan döngülerini gerektiren oldukça pratik bir teknolojidir.
