'Вогняні очі' двигунів головного приводу електромобілів – налаштування змінних револьверів

Вступ: незамінне «око» для керування двигуном

У приводному двигуні автомобілів з новою енергією є непомітний, але критично важливий компонент - variable reluctance resolver  (часто скорочено до 'resolver'). Він діє як «око» двигуна, постійно повідомляючи контролеру двигуна: «Де зараз розташований ротор? Яка швидкість обертання?»

Без цього «око» синхронні двигуни з постійними магнітами не можуть досягти точного керування комутацією, що призводить до грубої, різкої вихідної потужності або навіть до повної відмови. Дані показують, що рівень проникнення резольверів у двигуни головного приводу нових пасажирських транспортних засобів, що працюють на енергії, досягає  78,6 %  — це означає, що головний двигун майже кожного нового транспортного засобу, що працює на енергії, оснащений ним.

Отже, як насправді працює цей крихітний датчик? Чому його потрібно 'налаштувати'? А на які ключові параметри варто звернути увагу під час налаштування?

1. Що таке Reluctance Resolver?

1.1 Від трансформатора до резольвера

Всі знайомі з «трансформатором» - він ступінчасто підвищує або знижує напругу. Резолвер можна розглядати як вдосконалену версію трансформатора: тоді як звичайний трансформатор видає фіксовану напругу, резольвер видає напругу, яка змінюється залежно від кута обертання ротора.

Резолвер зі змінною реактивністю є найбільш широко використовуваним типом. Його основна структура надзвичайно проста:

·  Статор : закріплений на місці, намотаний з обмоткою збудження (вхід) і синусоїдними/косинусними вихідними обмотками.

·  Ротор : виготовлений із багатошарових шарів кремнієвої сталі із зубцями,  які взагалі не містять обмоток , і обертається разом із валом двигуна.

1.2 Принцип роботи: Зміни повітряного зазору визначають зміни сигналу

Коли змінна напруга збудження подається на обмотку збудження статора, у повітряному зазорі між статором і ротором створюється змінне магнітне поле. У міру обертання ротора магнітний опір повітряного зазору періодично змінюється, оскільки зуби ротора (виступи та виїмки) по черзі проходять повз зубці статора.

Ця зміна спричиняє зміну амплітуди індукованих напруг у двох вихідних обмотках (синусоїдальної та косинусної) – одна за синусоїдальною схемою, інша – за косинусною..

Інтерпретуючи ці два сигнали, контролер двигуна може точно розрахувати абсолютне кутове положення ротора в будь-який момент.

1.3 Чому він став найкращим вибором для двигунів головного приводу EV?

Резолвер зі змінним небажанням став «домінувати» в секторі нових енергетичних транспортних засобів завдяки таким перевагам:

·  Надзвичайно проста та надійна конструкція : немає роторних обмоток, немає щіток - немає проблем зношування, а його теоретичний термін служби може відповідати терміну служби самого обладнання.

·  Виняткова стійкість до навколишнього середовища : діапазон робочих температур від -50°C до +155°C, стійкий до високих температур, вібрації та забруднення маслом.

·  Сильний імунітет до електромагнітних перешкод : заснований на принципах електромагнітної індукції, він природним чином несприйнятливий до агресивного електромагнітного середовища всередині двигуна.

·  Виведення абсолютної позиції : забезпечує поточний кут одразу після ввімкнення живлення, без необхідності процедури «наведення».

2. Чому для двигуна головного приводу потрібен 'спеціальний' резольвер?

Дехто може запитати: хіба резольвери не є стандартними стандартними компонентами? Чому б просто не купити готовий?

Реальність далеко не така проста.  Кожен новий двигун основного приводу енергетичного транспортного засобу розроблено з різною потужністю, швидкістю, місцем для монтажу та умовами експлуатації, і ці відмінності безпосередньо визначають, що резольвер має бути «спеціальним».

2.1 Монтажні розміри дуже різноманітні

Різні двигуни поставляються в різних розмірах рами, від 25 до 300, для кожного з яких потрібен резольвер відповідних розмірів. Способи кріплення також відрізняються: монтаж через отвір, поверхневий монтаж, фланцевий монтаж, кожен з яких відповідає різній конструкції механічного інтерфейсу.

2.2 Різниця електричних параметрів

Напруга збудження, частота збудження, кількість пар полюсів, коефіцієнт трансформації - всі ці електричні параметри повинні ідеально відповідати системі керування двигуном. Використання резольвера з неузгодженими параметрами може в кращому випадку знизити точність вимірювань, а в гіршому – вивести з ладу всю систему керування двигуном.

2.3 Вимоги до точності суттєво відрізняються

Точність позиціонування, необхідна для приводного двигуна основного пасажирського транспортного засобу, повністю відрізняється від високопродуктивного автомобіля. Чим більше пар полюсів, тим вища точність - від 2, 4 до 6 або більше пар полюсів, з підвищенням точності від 25 кутових хвилин до 10 кутових хвилин або навіть вище.

2.4 Умови експлуатації неоднакові

Деякі двигуни працюють в середовищах з масляним охолодженням, тому резольвер повинен бути сумісним з маслом; інші прагнуть до екстремально високих швидкостей, що потребує підтримки 20 000 об/хв або навіть вище; ще інші вимагають сертифікації AEC-Q для автомобільного класу - кожна умова накладає окремі вимоги до конструкції резольвера.

3. Налаштування резольвера: що саме можна налаштувати?

3.1 Механічне налаштування

·  Зовнішні розміри : зовнішній діаметр, довжина, положення монтажних отворів тощо.

·  Спосіб монтажу : наскрізний, поверхневий або фланцевий.

·  Діаметр вала ротора : повинен точно відповідати діаметру вала двигуна.

·  Технічні характеристики провідного дроту : довжина дроту, калібр і тип роз’єму.

3.2 Електричне налаштування

·  Кількість пар полюсів : ключовий параметр, що визначає роздільну здатність вимірювання; можна пристосувати до вимог.

·  Напруга збудження : зазвичай AC 7 Vrms, але регулюється відповідно до потреб системи.

·  Частота збудження : зазвичай 10 кГц, але можуть бути вказані інші частоти.

·  Коефіцієнт перетворення : визначає амплітуду вихідного сигналу, що впливає на обробку сигналу чіпа декодування нижче за потоком.

·  Вхідний/вихідний імпеданс : має відповідати схемі приводу.

3.3 Налаштування продуктивності

·  Рівень точності : доступний від стандартної точності до високої (наприклад, ±4 кутові хвилини).

·  Максимальна швидкість обертання : стандартна 20 000 об/хв; вищі швидкості можна налаштувати.

·  Діапазон робочих температур : адаптований до фактичних умов роботи.

·  Клас захисту : наприклад, IP69 або вище.

3.4 Спеціальні налаштування

·  Маслосумісність : спеціальні матеріали та конструкції ущільнень для двигунів з масляним охолодженням.

·  Допуск на ексцентриситет : запатентовані схеми намотування для компенсації похибок монтажу на ексцентриситет.

·  Інтегрований датчик температури : додатковий термістор NTC для комбінованого визначення положення та температури.

4. Процес налаштування: від вимог до доставки

Типовий процес налаштування розпізнавача зазвичай включає такі етапи:

Крок 1: Повідомлення вимог  - Клієнт надає параметри двигуна, доступний простір, цільові показники продуктивності тощо.

Крок 2: Розробка рішення  - Постачальник розробляє електромагнітні та механічні конструкції на основі вимог.

Крок 3: Перевірка моделювання.  Аналіз кінцевих елементів (FEA) використовується для оптимізації електромагнітних характеристик.

Крок 4: Виготовлення прототипу.  Зразки прототипу виготовляються та випробовуються на випробувальних стендах.

Крок 5: Масове виробництво  . Після перевірки продукт переходить у масове виробництво.

Наразі провідні вітчизняні постачальники резольверів скоротили цикл доставки налаштувань лише до 4-6 тижнів. Деякі вже побудували повністю автоматизовані виробничі лінії з річною потужністю понад 1 мільйон одиниць.

5. Тенденція в галузі: заміщення всередині країни набирає обертів

Довгий час на ринку високоякісних резольверів домінували іноземні бренди, такі як японські Tamagawa та MinebeaMitsumi. Однак за останні роки китайська технологія резольвера зробила значний прорив； Водночас вітчизняні мікросхеми резольвера в цифровий перетворювач (RDC) також швидко розвиваються. SC2121 від Xinchi Semiconductor та інші продукти досягли функціонального паритету з всесвітньо відомими моделями, а Fengchao Technology також випустила високопродуктивні мікросхеми RDC.  Повна ланцюжкова домашня заміна - від датчика до чіпа декодування - прискорюється.

Висновок

Незважаючи на невеликі розміри, перетворювач змінної реактивності є незамінним основним датчиком у системі керування двигунами головного приводу транспортного засобу на новій енергії. Його налаштування безпосередньо впливає на точність керування, ефективність роботи та надійність двигуна.

З безперервним зростанням індустрії нових енергетичних автомобілів і поглибленням внутрішньої заміни послуги з налаштування резольверів стануть ще більш зрілими та ефективними. Для інженерів-моторістів розуміння принципів роботи та основ налаштування резольверів уже стало обов’язковим курсом.

Зрештою,  лише тоді, коли двигун оснащений правильними «очима», він може чітко бачити та працювати стабільно.