Sensoristica per banchi prova e ambienti di sviluppo di azionamenti elettrici
Lo sviluppo di motori elettrici richiede tecnologie di misura e sensoristiche ad alta precisione nel banco prova. Vengono impiegate principalmente soluzioni sensoristiche che forniscono segnali robusti e precisi anche in presenza di elevati carichi termici e dinamici.
Che si tratti di alte velocità di rotazione, rapidi cambi di carico o cicli di test impegnativi: la sensoristica deve sempre fornire segnali chiari, stabili e ad alta dinamica. Per risultati validi nei banchi prova è richiesta la massima precisione. Ciò consente una taratura ottimale dei motori, strategie di controllo più efficienti e un processo di sviluppo che raggiunge l'obiettivo in modo più rapido e affidabile.
Le nostre soluzioni sensoristiche creano un ambiente di test innovativo che consente ai costruttori di veicoli di raggiungere la massima qualità di sviluppo, maggiori potenziali di efficienza e cicli di time-to-market più brevi.
Dynamic E-Flow (DEF) produce motori elettrici per i massimi requisiti di prestazione e aveva bisogno di un sensore per la misurazione ad alta precisione della posizione assoluta del rotore e della velocità di rotazione – con spazio di installazione molto limitato. "La velocità di rotazione del rotore deve essere rilevata senza cuscinetti, poiché utilizziamo un albero passante. Inoltre il sensore deve essere insensibile ai campi magnetici dispersi, poiché è posizionato direttamente sullo statore", spiega DEF.
Soprattutto per grandi diametri dell'albero, è difficile trovare soluzioni adatte per il rilevamento del rotore e della velocità di rotazione. "Lenord+Bauer ci ha fornito un sistema estremamente robusto, in modo che i nostri clienti possano far funzionare i motori per banchi prova in modo affidabile fino al range massimo di velocità di rotazione e temperatura."
I sistemi di condition monitoring possono rilevare continuamente dati di velocità di rotazione, temperatura e vibrazione. Durante un test di durata, il sistema rileva un leggero aumento dell'ampiezza delle vibrazioni sull'albero motore – un tipico indicatore precoce di un'incipiente fatica dei cuscinetti.
Il sistema di controllo emette quindi un avviso di manutenzione, in modo che il cuscinetto interessato possa essere sostituito tempestivamente prima che si verifichino danni consequenziali. In questo modo il banco prova rimane ad alta disponibilità per ulteriori cicli di sviluppo e validazione.
Nei banchi di prova per motori elettrici, a seconda del compito di prova, vengono misurati coppia, velocità di rotazione, posizione del rotore, corrente, tensione e temperatura. I sensori di coppia e di velocità di rotazione consentono di determinare la potenza meccanica. Analizzatori di potenza adatti rilevano la potenza elettrica. I sensori di posizione del rotore supportano la regolazione del motore e la sincronizzazione dei dati di misura. Le misure di temperatura servono per la valutazione termica dell’azionamento. Per le prove di rendimento sono decisive catene di misura adeguate e tarate e una valutazione della loro incertezza di misura. Per i motori in corrente alternata alimentati da inverter, la norma IEC 60034-2-3 descrive in particolare i metodi di prova corrispondenti. La scelta concreta dei sensori dipende dall’obiettivo della prova, dal campo di velocità di rotazione e dalla dinamica richiesta.
Le velocità di rotazione massime degli azionamenti elettrici per veicoli differiscono sensibilmente in base alla classe del veicolo, alla struttura del motore e al rapporto di trasmissione. Molti azionamenti di trazione lavorano con velocità di rotazione massime nell’ordine delle decine di migliaia di min⁻¹. Concetti ad alto numero di giri possono andare oltre. Nella scelta di un sensore, però, non conta solo la velocità di rotazione massima: anche la qualità del segnale a basse velocità, il rilevamento del senso di rotazione e, se necessario, il rilevamento della posizione del rotore a riposo devono essere adatti all’applicazione. Ad alte velocità occorre considerare in particolare il ritardo del segnale, la larghezza di banda di valutazione e la progettazione meccanica del riferimento di misura rotante. Sono determinanti i limiti operativi specificati dell’intero sistema di sensori.
La precisione necessaria dipende dal compito di prova. Nelle misure di rendimento, le incertezze della misura di potenza elettrica e meccanica devono essere valutate insieme. Rientrano in particolare corrente, tensione, coppia e velocità di rotazione, nonché la loro acquisizione sincronizzata nel tempo. Per lo studio di vibrazioni torsionali o del comportamento in termini di rumore e vibrazioni sono importanti anche la larghezza di banda e la risoluzione temporale o angolare. Un’elevata risoluzione da sola non garantisce un’elevata precisione di misura. Valori minimi generici per la risoluzione angolare o il numero di impulsi non sono quindi sensati. Sono determinanti il metodo di prova, il punto di funzionamento e l’incertezza di misura dell’intera catena di misura.
