I. Основні принципи резольверів змінного небажання
По-перше, щоб зрозуміти конструкцію, необхідно розуміти її принципові відмінності від традиційних резольверів з намотаним ротором:
· Традиційний резольвер:
і статор, і ротор мають обмотки. Сигнал збудження та вихідний сигнал електромагнітно індуковані через повітряний проміжок.
· Резольвер зі змінним опором (VR):
лише статор має обмотки . Ротор — це
ненамотаний феромагнітний компонент, виготовлений із помітних полюсів або зубчастої структури. Його принцип роботи заснований на
зміні небажання.
o Обмотки статора:
зазвичай включають одну обмотку збудження (первинну) і дві вихідні обмотки (синусну та косинусну обмотки, вторинні), які є просторово ортогональними (90 електричних градусів одна від одної).
o Обертання ротора:
коли ротор із помітними полюсами обертається, він змінює довжину повітряного зазору та опір магнітного кола.
o Модуляція сигналу:
зміна опору повітряного зазору модулює (амплітудна модуляція) амплітуду напруги, індуковану у вихідних обмотках магнітним полем збудження. Огинаючі амплітуди двох вихідних обмоток є синусоїдальною та косинусовою функціями кута ротора відповідно.
Його переваги: проста конструкція, міцність і довговічність (безщітковий), низька вартість, висока надійність, здатність витримувати високу швидкість і високу температуру середовища . Недоліком є те, що точність і лінійність зазвичай трохи нижчі, ніж у високоточних резольверів з намотаним ротором.
II. Процес проектування та ключові міркування
Процес проектування є повторюваним і зазвичай складається з таких кроків:
1. Визначте специфікації проекту
Це відправна точка для всіх проектів, і її потрібно спочатку уточнити:
· Кількість пар полюсів (P):
визначає співвідношення між електричними та механічними кутами (θ_electric = P * θ_mechanical). Загальні конфігурації: 1 пара полюсів (уніполярний) і 2 пари полюсів (біполярний). Кількість пар полюсів впливає на точність і максимальну швидкість.
· Вимоги до точності:
Зазвичай виражається в кутових хвилинах (′) або мілірадіанах (мрад). Високоточні конструкції вимагають надзвичайно високих вимог до виробництва, матеріалів і придушення гармонік магнітного поля.
· Вхідний сигнал збудження:
амплітуда напруги збудження, частота (загальними є 4 кГц, 10 кГц тощо), форма хвилі (зазвичай синусоїдальна).
· Коефіцієнт трансформації (TR):
відношення вихідної напруги до вхідної напруги (у положенні максимального зчеплення).
· Електрична помилка:
включає функціональну помилку, помилку нульової напруги, помилку фази тощо.
· Робоче середовище:
діапазон температур, вібрація, удари, вологість, ступінь захисту від проникнення (IP).
· Обмеження розміру:
зовнішній діаметр, внутрішній отвір, товщина (довжина).
· Параметри імпедансу:
вхідний/вихідний імпеданс, що впливає на узгодження з подальшою схемою.
2. Електромагнітна конструкція - основна частина
· Конструкція ламінування статора/ротора:
o Вибір матеріалу:
зазвичай використовуються листи кремнієвої сталі з високою проникністю та низькими втратами заліза (наприклад, DW540, 50JN400).
o Комбінація стовпа-слота:
це душа дизайну. Необхідно визначити кількість пазів статора (Zs) і полюсів ротора (Zr). Найпоширенішою комбінацією є
Zr = 2P (кількість полюсів ротора дорівнює подвоєній кількості пар полюсів), а Zs є кратним Zr. Наприклад, однополярний резольвер (P=1) часто використовує
Zs=4, Zr=2 ; біполярний резольвер (P=2) часто використовує
Zs=8, Zr=4 або
Zs=12, Zr=6.
o Форма прорізу/полюса:
форма зубів (паралельна, конічна) впливає на розподіл магнітного поля та вміст гармонік. Такі розміри, як ширина зуба, ширина отвору щілини та товщина ярма, потребують оптимізації, щоб максимізувати фундаментальну магніторушійну силу (MMS) і мінімізувати гармоніки щілини.
o Повітряний зазор:
розмір повітряного зазору є критичним компромісом. Невеликий повітряний зазор збільшує коефіцієнт трансформації та силу сигналу, але збільшує складність виготовлення, чутливість до ексцентриситету та пульсації крутного моменту. Великий повітряний зазор має протилежний ефект. Зазвичай розробляється від 0,05 мм до 0,25 мм.
· Дизайн намотування:
o Тип:
зазвичай використовуються розподілені обмотки або зосереджені (зубчасті) обмотки. Розподілені обмотки (одна котушка, що охоплює кілька пазів) створюють більше синусоїдальне магнітне поле, але є більш складними у виготовленні; зосереджені обмотки простіші, але мають вищі гармоніки.
o Розрахунок витків:
на основі цільового коефіцієнта трансформації, напруги збудження та частоти визначте кількість витків для обмотки збудження та обмоток синуса/косинуса за допомогою електромагнітного розрахунку. Число витків для двох вихідних обмоток повинно бути строго однаковим.
o Спосіб підключення:
Переконайтеся, що синусоїдна та косинусна обмотки розташовані під кутом 90 електричних градусів одна від одної.
3. Моделювання та оптимізація магнітного поля (FEA Simulation) – важливий інструмент сучасного проектування
Суто аналітичні розрахунки дуже складні і недостатньо точні. Важливим є програмне забезпечення аналізу кінцевих елементів (FEA) (наприклад, JMAG, ANSYS Maxwell, Simcenter Magnet).
· Моделювання статичного поля:
обчисліть розподіл магнітного поля, матрицю індуктивності та вихідний потенціал під різними кутами ротора.
· Симуляція перехідного поля:
застосовуйте фактичну напругу збудження для імітації форми вихідної напруги, точніше відображаючи продуктивність.
· Параметрична оптимізація:
виконайте параметричне сканування та оптимізацію ключових розмірів, таких як форма зуба, повітряний зазор і отвір щілини, щоб мінімізувати помилку (наприклад, THD) і максимізувати коефіцієнт трансформації.
· Аналіз помилок:
обчислюйте електричну похибку шляхом моделювання та аналізуйте джерела помилок (наприклад, гармоніки, ефект когінгу, ефект насичення).
4. Проектування механічної конструкції
· Корпус і підшипники:
сконструюйте опорну конструкцію та виберіть відповідні підшипники, щоб забезпечити концентричність між ротором і статором і мінімальну зміну повітряного зазору, одночасно витримуючи вказану вібрацію та удари.
· З’єднання вала:
розроблені шпонкові канавки, гладкий отвір або інтерфейс сервоприводу для забезпечення надійного з’єднання та передачі без люфту з валом двигуна.
· Теплове управління:
враховуйте виділення тепла від обмоток і втрат заліза, щоб запобігти перегріву в середовищах з високою температурою. Іноді необхідна конструкція теплового шляху.
· Електромагнітне екранування:
додайте екран, якщо необхідно, щоб запобігти перешкодам від зовнішніх магнітних полів.
5. Розгляд схеми обробки сигналу
Хоча це не є частиною конструкції корпусу резольвера, його слід розглядати синергетично:
· RDC (Резолвер-цифровий перетворювач):
виберіть мікросхему RDC (наприклад, AD2S1205, AU6802), яка відповідає повному опору та частоті збудження резольвера. Під час проектування необхідне узгодження вхідного опору.
· Схема приводу збудження:
потрібна схема операційного підсилювача потужності, здатна забезпечити чисту, стабільну синусоїду.
· Схема фільтра:
фільтрація вихідних сигналів для придушення високочастотного шуму та гармонік.
III. Проблеми проектування та ключові технології
1. Придушення гармонік:
через нелінійність зміни реактивності вихідна напруга VR-роздільника містить багаті гармоніки, які є основною причиною помилок. Такі методи, як
оптимізація комбінації полюсів і пазів, перекіс (прорізів або полюсів) і додавання допоміжних пазів на зубцях статора можуть ефективно пригнічувати гармоніки.
2. Балансування точності та вартості:
Висока точність передбачає точнішу обробку (менший повітряний зазор, більша концентричність), вищу якість матеріалів (вищий сорт кремнієвої сталі), складніші конструкції (наприклад, більше пар полюсів, дробові щілини) та суворіші процеси, що призводить до різкого зростання витрат.
3. Температурний дрейф:
опір обмоток і властивості кремнієвої сталі змінюються з температурою, викликаючи дрейф амплітуди та фази. Необхідна компенсація в схемі чи програмному забезпеченні, або під час електромагнітного проектування слід вибирати матеріали з хорошою температурною стабільністю.
Резюме
Рекомендації щодо дизайну:
1. Почніть із специфікацій.
По-перше, ретельно зрозумійте конкретні вимоги сценарію застосування щодо точності, розміру та середовища.
2. Використовуйте перевірені рішення:
почніть з класичних комбінацій полюс-слот (наприклад, 4-2, 8-4), оскільки вони є перевіреною та надійною відправною точкою.
3. Проектування, кероване моделюванням:
не зупиняйтеся на теоретичних розрахунках; негайно використовуйте програмне забезпечення FEM для створення параметричної моделі для моделювання та оптимізації. Це є ключовим фактором для підвищення показників успішності проектування та скорочення циклів розробки.
4. Ітерація та тестування:
після створення прототипу проведіть комплексні тести продуктивності (помилка, підвищення температури, вібрація тощо), порівняйте з результатами моделювання, проаналізуйте причини відмінностей і перейдіть до наступної ітерації проекту.
5. Думайте на системному рівні:
розглядайте та налагоджуйте датчик резольвера та подальшу схему RDC як інтегровану систему.
Розробка резолверів зі змінною реактивністю є дуже практичною технологією, яка вимагає повторюваних циклів теорії, моделювання та експериментування.
