martes, 4 de marzo de 2025 · 0 min read
Pruebas y validación de motores eléctricos pequeños utilizando un diseño eficiente de banco de pruebas
LOGICDATA tenía como objetivo mejorar las pruebas y validación de motores eléctricos pequeños utilizando un diseño flexible y eficiente de banco de pruebas. La complejidad de los componentes del motor eléctrico requiere una adquisición de datos precisa, lo cual es un proceso que consume tiempo y es propenso a errores en configuraciones tradicionales. El banco de pruebas avanzado agilizó las pruebas del motor, minimizó el tiempo de configuración y mejoró la precisión de los datos. La empresa utilizó la funcionalidad MotorAnalysis dentro del software DewesoftX para medir la eficiencia del motor, optimizando así el diseño y la producción.
A medida que desarrollábamos nuestro banco de pruebas en LOGICDATA, nos enfrentamos a un desafío específico: gestionar de manera eficiente múltiples componentes de accionamiento.
dice Andreas Pichler, experto en mecánica y responsable del diseño del banco de pruebas.
Nuestro objetivo era crear una configuración que permitiera un intercambio sencillo y rápido de estos componentes. Una configuración así nos ayudaría a realizar las pruebas con un tiempo de inactividad mínimo y mantener la flexibilidad y rapidez esenciales para nuestro proceso de desarrollo.
LOGICDATA ha sido un líder en el mercado como creador de componentes mecatrónicos y electrónicos avanzados para muebles ajustables durante más de dos décadas. En este caso, Andreas Pichler y los ingenieros necesitaban probar motores eléctricos de corriente continua (DC): actuadores en línea con unidades de control integradas.
En general, un motor eléctrico de corriente continua consta de tres componentes principales:
El "rotor", compuesto por bobinas de cobre, bobinas del motor.
La parte estacionaria, el "estator", que incluye un conjunto de imanes.
El "colector", que distribuye uniformemente el par motor al rotor.
El diseño final del motor de corriente continua debe proporcionar el par y la potencia definidas, manteniendo una alta eficiencia y una gestión térmica efectiva. Debido a la complejidad de los componentes instalados en un motor eléctrico, la fase de pruebas es un paso esencial para validar los puntos de diseño.
El objeto de prueba es una caja negra en la que los ingenieros solo conocen las variables de entrada y salida de potencia. Por lo tanto, LOGICDATA utiliza el módulo Motor Analysis de Dewesoft dentro del software de adquisición de datos DewesoftX para determinar la eficiencia del motor eléctrico 'η' [%], que resulta de la relación entre las variables de salida y entrada.
Sobre LOGICDATA
La empresa austriaca LOGICDATA ha estado desarrollando y fabricando sistemas mecatrónicos para la industria del mobiliario y más allá durante 25 años. Los 13 millones de controladores y 4 millones de accionamientos vendidos subrayan su competencia principal en soluciones sincronizadas de motores y accionamientos.
Más de 100 patentes y 90 expertos en I+D respaldan la calidad y la capacidad innovadora de la empresa de Estiria. Se caracteriza, sobre todo, por sus productos adaptados individualmente para diversas industrias.
El desarrollo interno de todos los componentes del sistema de accionamiento de LOGICDATA tiene como objetivo ofrecer soluciones personalizadas óptimamente adaptadas a los requisitos específicos del cliente. La empresa logra estas soluciones al centrado en la optimización de costos para volúmenes más altos. Los aspectos críticos de esta estrategia incluyen:
Motores DC y PMSM personalizados desarrollados para puntos de operación específicos
Reducción de costos en cajas de engranajes plásticos, planetarios, de tornillo y helicoidales
Optimización de NVH y costos mediante la reducción de ruido y vibraciones a bajo costo
Desarrollo de sistemas de frenos activos (electromecánicos) y pasivos
Diseño de husillos en plástico, acero y aluminio, optimizados para eficiencia y tribología.
Desarrollo de bancos de pruebas para necesidades especiales en casa
El problema
La generación de datos es altamente costosa en términos de tiempo debido a configuraciones de medición complicadas y largas, con muchos sensores y variantes. Además, la susceptibilidad a errores es alta, ya que la configuración de medición es compleja. Las simulaciones solo son tan precisas como los datos con los que los ingenieros las alimentan. Por eso, los datos de medición aportan de manera decisiva a la optimización de las simulaciones.
En este caso, el accionamiento pequeño es un sistema complejo que permite diversas adaptaciones a los requisitos del cliente gracias a desarrollos internos y componentes personalizados. La adaptación eficiente y la comprensión de los parámetros de influencia son cruciales para todas las fases de desarrollo. Estas fases van desde el diseño inicial rápido y la prueba de viabilidad, hasta la medición de prototipos, estabilidad en serie, gestión del ciclo de vida del producto y aseguramiento de la calidad.
En el desarrollo de motores, varios elementos son esenciales:
La optimización y creación de modelos predictivos basados en datos.
Control de calidad de las piezas de producción a nivel de componentes, incluidos el estator y rotor con piezas activas.
Conocimiento de las métricas de rendimiento, como mapas y eficiencia, para bucles de verificación que involucran cálculos y mediciones.
El banco de pruebas - la solución
Como parte de un proyecto interno, LOGICDATA desarrolló un banco de pruebas universal que es una solución flexible para diversos ajustes de medición. Este banco de pruebas puede probar varios ajustes de motores, frenos, transmisiones y sistemas completos.
Características innovadoras
Modo de operación de cuatro cuadrantes: LOGICDATA implementó la detección automática de modos de operación del motor (motor/generador en direcciones adelante hacia y reversa), lo que facilita la supervisión del rendimiento y la detección de problemas en tiempo real.
Mapeo de eficiencia: DewesoftX permitió el mapeo de eficiencia en diferentes puntos de operación del motor, ofreciendo valiosos conocimientos sobre el rendimiento del motor.
Integración de termografía: La integración de cámaras térmicas en DewesoftX permitió la detección de puntos calientes en el motor, mejorando la detección de fallas.
Diseño mecanico
LOGICDATA diseñó el banco de pruebas como un sistema de rieles deslizantes. Todos los sensores, actuadores, motores (DUT), etc., están montados en rieles separados. Comparten un eje coaxial común, el eje de medición rotatorio, y pueden moverse hacia el eje utilizando una rueda manual. Este grado de libertad permite montar los acopladores de combustible metálico de manera rápida y fácil. Tan pronto como todo el eje de medición está conectado mecánicamente, todos los rieles pueden bloquearse de forma autoajustable mediante una palanca.
Otra función que facilita la instalación es la posibilidad de quitar o reemplazar rieles individuales del conjunto de medición montado sin mover otros rieles. Andreas Pichler y los ingenieros utilizan las marcas en el riel o en el riel deslizante para este propósito. Esta configuración mecánica reduce los tiempos de configuración del banco de pruebas.
Interfaz de cable y señal
Una interfaz de señal versátil se encuentra por encima del eje de medición, lo que ofrece máxima flexibilidad en cuanto a la conexión eléctrica de los componentes individuales en el campo de prueba. Gracias al diseño enchufable de todas las señales, solo se utilizan aquellas interfaces necesarias para el respectivo conjunto de medición. Esta configuración evita cables largos y confusos, y asegura que el dispositivo de seguridad se bloquee correctamente.
Tecnología de medición y control integrada
El corazón del banco de pruebas es el sistema de adquisición de datos DEWE-43. Los ingenieros utilizan cuatro de sus ocho entradas analógicas para la medición de niveles de corriente/voltaje. Los adaptadores DSI permiten la lectura automática de los datos del sensor, lo que ahorra tiempo en el manual de configuración y reduce los errores de configuración.
Los adaptadores DSI son adaptadores de sensor equipados con TEDS IEEE 1451.4 que convierten los amplificadores de entrada analógica universal DSUB9 de Dewesoft en entradas directas IEPE, carga, termopar, shunt, voltaje, LVDT o RTD.
Las cuatro entradas restantes están disponibles para uso universal en la interfaz de señal. Las señales de par y velocidad de los transductores utilizados están disponibles como señales moduladas en frecuencia en las entradas digitales del transductor.
Equipo de prueba utilizado
Dewesoft measurement setupConfiguración de medición Dewesoft
DEWE-43a: Sistema de adquisición de datos con amplificadores universales de medición y convertidores AD.
Módulo de Análisis de Motor en el software DewesoftX de adquisición de datos y procesamiento de señales digitales.
Adaptadores de derivación de corriente DSli-20A para derivación de 50 Ω con una precisión de 0,01% para mediciones de corriente de 20 mA.
Adaptador DSI-V-200 de voltaje que permite a cualquier entrada analógica DSUB9 aceptar un rango de voltaje de ±200V y entrada diferencial a través del conector BNC.
ETH Messtechnik
ETH DRVL-I y DRVL-II: Sensores dinámicos de par y velocidad.
PLC Beckhoff y actuadores Lenze
CX5130-0195: DIN-Rail PC Industrial.
MCS 09H41 y MCS 06C41: Servo motor.
I950: Servo drive.
Fuente de alimentación controlable
Keysight Technologies E3640A
TTi CPX400DP
Los resultados de las pruebas
LOGICDATA prueba tanto el funcionamiento del motor como del generador. Para evitar errores, Andreas Pichler y los ingenieros automatizaron la detección del modo de operación del motor en DewesoftX. La automatización permite que los posibles problemas se identifiquen rápidamente en el monitor del banco de pruebas, lo que garantiza un monitoreo eficiente y la detección de errores durante las pruebas.
Estados operativos del motor probados
Los ingenieros determinan el estado operativo de un motor mediante la dirección del flujo de potencia en sus conexiones. Estas son una conexión eléctrica y una mecánica. Si la energía suministra el sistema, el signo de la potencia es positivo. Si el signo es negativo, la energía se disipa del sistema.
El calor generado durante la operación también se considera como potencia disipada (negativa), aunque su elemento de conexión solo existe de manera abstracta.
Los ingenieros determinan la potencia eléctrica mediante el producto de las variables medidas directamente, como los niveles de corriente y voltaje. Lo mismo se aplica a la potencia mecánica del eje a través de la velocidad de rotación y el par. Estas variables deben ser medidas con el signo correcto, ya que la potencia de entrada y salida del motor podría cambiar durante la operación o la prueba.
LOGICDATA implementó la detección automática de los modos operativos del 1 al 5. Aquí, la regla de signos reconoce automáticamente si la energía mecánica o eléctrica se agrega o se extrae del motor. La flecha respectiva indica así la dirección del flujo de la potencia resultante.
Por debajo de 1, la energía eléctrica se suministra al motor y se convierte en energía mecánica. Las pérdidas de calor resultantes se disipan del sistema.
Por debajo de 2, a diferencia de 1, la energía eléctrica se disipa a partir de la energía mecánica añadida.
En 3, si las pérdidas por fricción interna en el motor son mayores que la potencia eléctrica suministrada, el motor también es impulsado mecánicamente para superar estas pérdidas.
Por debajo de 4, se identifica el ralentí del motor incluso si no se aplica carga.
Por debajo de 5, en caso de un error en el cableado de los sensores de corriente, la energía eléctrica suministrada se muestra como potencia disipada.
Para reanudar, el operador del banco de pruebas puede reconocer fácilmente el estado operativo e identificar rápidamente fallas, impidiendo así la grabación de datos de medición incorrectos.
Configuración de medición para el análisis del motor.
Los ingenieros solo operan el motor bajo prueba con componentes de corriente continua, por lo que pueden implementarlo fácilmente en DewesoftX. Pueden definir variables de corriente, voltaje y variables mecánicas, como la velocidad del motor y la velocidad angular, en el módulo de potencia. El análisis del motor tiene como objetivo calcular automáticamente la potencia eléctrica y mecánica resultante a partir de las variables de entrada, determinando así la eficiencia de la relación entre ellas. Este análisis también es posible para sistemas trifásicos.
El mapeo de eficiencia es una herramienta útil para probar y evaluar motores. El mapeo visualiza la eficiencia del motor a través del mapa característico de velocidad y par motor. El mapa de eficiencia del motor representa la relación exacta entre la potencia mecánica y eléctrica. En resumen, es útil para decidir sobre un motor adecuado y optimizar los puntos de operación.
Termografía como indicador de fallos
DewesoftX permite la integración de cámaras térmicas, como las cámaras IR Optris, a través de una interfaz USB.
Durante la ejecución de la prueba, se capturan imágenes termográficas del objeto de prueba a la tasa de fotogramas definida (por ejemplo, 30 fps), lo que ayuda a identificar fallos.
De esta manera, se pueden identificar puntos locales con altas temperaturas, conocidos como puntos calientes, en las pérdidas totales medidas, que se convierten con mayor precisión en pérdidas de calor.
Conclusión
El innovador diseño del banco de pruebas de LOGICDATA, respaldado por la tecnología de Dewesoft, mejoró aislado el proceso de prueba de pequeños motores eléctricos. El diseño modular y flexible permitió tiempos de configuración más rápidos, una adquisición de datos más confiable y un análisis de eficiencia mejorado, lo cual fue crucial para optimizar el diseño del motor y la garantía de calidad. La detección automatizada de los modos de operación y el mapeo de eficiencia proporcionarán valiosos conocimientos sobre el rendimiento del motor, mientras que la termografía mejoró la detección de fallos.
"Con nuestra nueva configuración, ahora podemos probar los componentes de manera rápida y eficiente", dice el experto mecánico Andreas Pichler y agrega: "Al automatizar el proceso, hemos reducido significativamente los posibles errores tanto en el software como en el hardware, lo que garantiza operaciones más fluidas y confiables".
En general, el banco de pruebas ayudó a LOGICDATA a lograr una mayor precisión, reducir el tiempo de prueba y mejorar la calidad del producto, convirtiéndolo en una herramienta invaluable en su proceso de desarrollo.