Misura wireless e battery-free della temperatura dei cuscinetti per propulsori elettrici ad alte prestazioni

Nel motorsport d'élite, i margini di prestazione si misurano in millisecondi. Individuare tempestivamente le anomalie dei componenti può fare la differenza tra la vittoria e la sconfitta.

Nella Power Unit ibrida della Ferrari Sports Management,, la temperatura del cuscinetto MGU-K è diventata un indicatore critico dell'aumento dell'attrito e del degrado precoce. Allo stesso tempo, misurarla direttamente si è rivelata estremamente difficile.

Una soluzione di telemetria wireless senza batteria cambia le cose. Consente la misurazione diretta e in tempo reale della temperatura del cuscinetto direttamente sul componente rotante. Questo segnale, un tempo inaccessibile, diventa un dato utile per la previsione delle prestazioni e dell'affidabilità.

Introduzione

L'MGU-K è un componente chiave delle power unit ibride di Formula 1, introdotte nel 2014, che funge sia da motore elettrico che da generatore. Recupera l'energia cinetica durante la frenata per ricaricare la batteria.

Nelle moderne power unit da competizione, i margini di prestazione sono così ristretti che l'individuazione precoce di anomalie emergenti può determinare se una gara può essere completata o interrotta prematuramente.

In questo contesto, Ferrari Sports Management ha identificato la temperatura dei cuscinetti all'interno dell'MGU-K come un indicatore predittivo critico dell'aumento dell'attrito e dell'inizio del degrado, un parametro tuttavia inaccessibile con la strumentazione convenzionale. La geometria rotante, l'involucro metallico e le forti interferenze elettromagnetiche impediscono l'osservazione diretta e tempestiva del comportamento termico a livello dei cuscinetti.

Per superare questa limitazione, Radio6ense ha progettato un sistema di telemetria termica wireless personalizzato, senza batteria, basato sulla tecnologia passiva RAIN UHF. È in grado di operare direttamente sul cuscinetto rotante senza cavi o alimentazione locale.

Il sistema sfrutta i principi della Radio Frequency IDentification (RFID) nella banda 860–960 MHz . Ciò consente funzionalità di rilevamento senza batteria. È stato progettato per mantenere un collegamento dati stabile in campo vicino, resistente a forti interferenze elettromagnetiche e schermature metalliche.

Grazie all'integrazione nativa con DewesoftX via open-source openDAQ SDK, misuriamo la temperatura del cuscinetto rotante. Questo segnale, precedentemente irraggiungibile, diventa un canale di misura completamente sincronizzato, continuamente correlato con grandezze elettriche e meccaniche nello stesso ambiente di test e misura.

Abbiamo validato la soluzione attraverso esperimenti su un banco prova con un'unità di potenza elettrica di una Ferrari F1, riproducendo profili realistici in pista. Invece di diagnosticare a posteriori, le misure rivelano anomalie termiche precoci a livello del cuscinetto, che precedono l'aumento dell'attrito e il degrado meccanico: anomalie completamente invisibili a una sonda PT1000 o a un sensore IR installati in modo convenzionale.

Consentendo misurazioni accessibili e in tempo reale della temperatura a livello dei cuscinetti all'interno di una macchina elettrica rotante, questo lavoro dimostra come la rilevazione ibrida cablata-wireless all'interno di Dewesoft X fornisca informazioni concrete e basate sulla fisica per la manutenzione predittiva, l'ottimizzazione delle prestazioni e le decisioni basate sui dati che influenzano direttamente le prestazioni in pista.

Motivazione e contesto: perché il monitoraggio della temperatura dei cuscinetti è sempre più importante nei moderni sistemi di propulsione elettrica.

I propulsori elettrici stanno cambiando radicalmente il funzionamento dei sottosistemi meccanici. Rispetto ai motori a combustione interna, le moderne macchine elettriche funzionano a velocità più elevate, presentano variazioni di coppia più brusche e sono sempre più progettate per una densità di potenza estrema al fine di soddisfare le esigenze di efficienza, autonomia e ingombro. Di conseguenza, sono soggette a sollecitazioni termiche, meccaniche ed elettromagnetiche che erano molto meno pronunciate nelle precedenti piattaforme automobilistiche.

In questo contesto in continua evoluzione, i cuscinetti volventi sono diventati fondamentali sia per le prestazioni che per l'affidabilità. Carichi meccanici elevati, rapide inversioni di carico dovute alla frenata rigenerativa e fenomeni elettrici ad alta frequenza indotti dagli inverter a commutazione rapida influiscono simultaneamente su questi aspetti. Correnti parassite, gradienti di tensione e interferenze elettromagnetiche possono accelerare il deterioramento della lubrificazione, favorire danni superficiali e innescare un degrado prematuro, anche in sistemi altrimenti ben progettati.

Tra le varie grandezze monitorate tramite il monitoraggio continuo, la temperatura del cuscinetto stesso rimane uno degli indicatori fisici più precoci e affidabili di un comportamento anomalo.

Gli aumenti termici localizzati precedono l'aumento dell'attrito, il degrado della lubrificazione, il disallineamento e altri meccanismi di guasto incipienti. Tuttavia, tali segnali mantengono un valore diagnostico solo se rilevati esattamente sul cuscinetto e con sufficiente fedeltà temporale, requisiti incompatibili con l'architettura di una macchina elettrica rotante.

La struttura della macchina rende estremamente difficile l'accesso diretto alla temperatura a livello del cuscinetto. I cuscinetti sono racchiusi all'interno di compatti gruppi metallici con un comportamento termico complesso. Questi gruppi sono inoltre esposti a vibrazioni, transitori rapidi e forti interferenze elettromagnetiche.

Di conseguenza, i sensori convenzionali possono fornire solo dati indiretti sulle alte temperature. Il segnale viene mediato spazialmente e filtrato temporalmente, il che nasconde le anomalie precoci e localizzate che gli ingegneri devono rilevare.

La limitazione principale non è la precisione del sensore, bensì l'accesso al punto di misura stesso.

Sebbene questa difficoltà di misurazione provenga dall'ingegneria automobilistica, in particolare dal motorsport, riflette un'esigenza industriale molto più ampia. Nel motorsport, i componenti operano al limite, quindi rilevare le anomalie precocemente è fondamentale.

La stessa sfida si sta ora presentando in molti settori. Man mano che i propulsori elettrici e altre macchine rotanti ad alta potenza diventano più veloci, più compatti e a maggiore densità di potenza, diventa sempre più importante misurare ciò che accade all'interno dei sottosistemi rotanti sigillati

L'accesso a queste misurazioni fisicamente significative non è più un requisito di nicchia. Sta diventando essenziale per la diagnostica, la validazione e l'ingegneria dell'affidabilità nei settori dei trasporti, dell'automazione industriale e dei sistemi energetici.

Stakeholders 

Il nostro lavoro è nato da una stretta collaborazione ingegneristica tra utenti, sviluppatori di sensori wireless e fornitori di piattaforme di test e misura.

Team Ferrari F1 ERS (Energy Recovery System) - utente finale e cliente

Ferrari ha definito la sfida di misurazione durante la fase di sviluppo e validazione di una power unit elettrica ad alte prestazioni. Il team ha individuato nella temperatura a livello dei cuscinetti della MGU-K un indicatore precoce e critico dell'aumento dell'attrito e di potenziali guasti.

Sulla base di questa esigenza, hanno stabilito i requisiti funzionali e i vincoli di integrazione per l'inserimento dei sensori direttamente all'interno del componente.

Radio6ense – fornitore di tecnologia di rilevamento wireless

Radio6ense ha progettato e realizzato sensori di temperatura RFID RAIN passivi e senza batteria, personalizzati per il cuscinetto e la relativa soluzione di telemetria wireless.

Questa creazione ha incluso la co-progettazione elettromagnetica di antenne rotanti e stazionarie per il funzionamento all'interno dell'MGU-K in condizioni meccaniche e di interferenza elettromagnetica/interferenza elettromagnetica severa, nonché lo sviluppo di componenti software per esporre i dati dei sensori come canali di misura strutturati.

Dewesoft Italia – Piattaforma di test e misura e supporto all'integrazione

Supporto all'integrazione, basata su openDAQ, di tecnologie di rilevamento wireless di terze parti nell'ecosistema di acquisizione dati di Dewesoft.

Misura della temperatura per la diagnostica del livello dei cuscinetti nell'MGU-K

Durante lo sviluppo e la validazione della power unit elettrica della vettura di Formula 1, la temperatura dei cuscinetti nell'MGU-K (Motor Generator Unit – Kinetic) si è rivelata un indicatore critico dello stato di lubrificazione, dell'evoluzione dell'attrito e del degrado iniziale.

Dal punto di vista ingegneristico, la temperatura dei cuscinetti è uno degli indicatori più utili per individuare i meccanismi di guasto emergenti, a patto di poterla misurare nel luogo e nel momento giusti.

Al momento della realizzazione di questo lavoro, le migliori soluzioni di misura della temperatura disponibili e implementate per l'MGU-K si basavano su due approcci di rilevamento consolidati, ciascuno dei quali rappresentava lo stato dell'arte nel rispettivo paradigma di misura.

• Il rilevamento della temperatura a infrarossi (IR) offriva la misura di riferimento più rappresentativa dal punto di vista fisico in condizioni controllate. Quando era possibile l'accesso diretto alla superficie del cuscinetto, il rilevamento IR forniva preziose informazioni sul comportamento termico localizzato. Pertanto, abbiamo utilizzato i sensori come riferimento in configurazioni di test dedicate. Tuttavia, la necessità intrinseca di accesso ottico limitava il rilevamento IR a setup con banco aperto o parzialmente disassemblate, con l'albero rimosso e il gruppo esposto.

Di conseguenza, le misure IR non potevano essere applicate a un'unità di potenza completamente assemblata ed erano intrinsecamente incompatibili con il funzionamento realistico di una cella di prova, con i test su veicolo o con le condizioni di gara.

• I sensori di temperatura cablati convenzionali, come le sonde PT1000, rappresentavano l'unica soluzione praticabile per i test di routine su un'unità di potenza completamente assemblata e costituivano quindi l'implementazione di base nella cella di prova Ferrari. Questi sensori sono robusti, precisi e adatti all'integrazione in ambienti difficili. Tuttavia, a causa di vincoli di installazione, possono essere montati solo su componenti strutturali fissi in prossimità del cuscinetto.

Di conseguenza, la temperatura misurata è fortemente influenzata dai percorsi di conduzione del calore e dall'inerzia termica strutturale, producendo segnali mediati spazialmente e smussati temporalmente. A parità di profili operativi, questo approccio di misurazione indiretta non possiede la sensibilità necessaria per rilevare deviazioni termiche localizzate a livello del cuscinetto e per distinguere precocemente tra condizioni nominali e condizioni di degrado.

Nel complesso, queste considerazioni evidenziano una limitazione fondamentale. Le soluzioni di rilevamento disponibili forniscono dati fisicamente rappresentativi in ​​configurazioni non rappresentative (IR) o dati rappresentativi in ​​configurazioni non rappresentative (sensori cablati).

Questa limitazione ha definito la principale sfida ingegneristica che Ferrari ha posto a Radio6ense: consentire una misura della temperatura a livello di cuscinetto, fisicamente rappresentativa e direttamente sul cuscinetto rotante MGU-K, compatibile con un'unità di potenza completamente assemblata e in grado di supportare la diagnostica predittiva all'interno di flussi di lavoro avanzati di test e misura.

Telemetria Wireless

Integrare la telemetria wireless all'interno di un motore elettrico rotante sigillato non è una sfida di misura, bensì una sfida elettromagnetica.

Rotazione, involucro metallico, rumore dell'inverter e vincoli di integrazione millimetrici creano uno degli ambienti più ostili in cui un collegamento wireless possa operare. A meno che non si progetti prima un meccanismo di accoppiamento passivo e invariante alla rotazione, nessuna architettura di rilevamento può funzionare in modo affidabile.

La tecnologia RAIN RFID come fattore abilitante

L'industria ha storicamente adottato su larga scala la tecnologia RAIN RFID nella banda UHF (860-960 MHz) per l'identificazione, il tracciamento e la logistica. Gli stessi principi fisici consentono ora il rilevamento senza batteria, grazie a tag UHF dotati di sensori on-chip che rilevano variabili fisiche come la temperatura.

Per l'applicazione MGU-K, il principio di funzionamento del sistema RAIN è semplice:

• Il lettore (dispositivo attivo) rimane completamente esterno al motore;

• Un'antenna di interrogazione fissa, integrata nell'alloggiamento dell'MGU-K, inietta il campo RF generato dal lettore all'interno della cavità;

• Il tag sensore montato sul cuscinetto (dispositivo passivo) non richiede batteria, ricavando pochi microwatt di energia RF per alimentare i suoi circuiti di rilevamento;

• Il tag trasmette il valore misurato modulando il campo che riflette verso il lettore (retrodiffusione).

Alimentazione, rilevamento e comunicazione avvengono tramite un'unica interazione passiva: nessuna generazione di calore, nessun cavo e nessun componente elettronico esposto all'ambiente interno.

L'architettura di telemetria proposta è conforme allo standard EPC Gen2 / ISO 18000-63, garantendo l'interoperabilità con i lettori UHF industriali e una perfetta integrazione nell'ecosistema di test e misurazione Dewesoft.

Design Electromagnetico

To make this architecture work inside the MGU-K, two passive components were co-designed as a single, tightly coupled near-field system: 

1. Un sensore RAIN senza batteria, costituito da un'antenna a dipolo capacitivo collegata al circuito integrato RAIN Magnus S3 di Axzon. Il Magnus S3 include un sensore di temperatura on-chip (precisione tipica di ±0,5 °C, intervallo da -30 °C a +120 °C), pienamente compatibile con l'inviluppo termico del cuscinetto MGU-K.

2. Un'antenna di interrogazione, integrata nell'alloggiamento dell'MGU-K e collegata a un lettore RFID RAIN UHF esterno tramite un cavo coassiale passante. Anche questa antenna è stata realizzata come un dipolo a forma di C, accoppiato capacitivamente all'antenna del sensore RAIN.

Il loro comportamento elettromagnetico è stato ottimizzato congiuntamente mediante simulazioni elettromagnetiche a onda intera (CST Solver) in modo tale che:

• La regione di accoppiamento rimanga strettamente dominata dal campo vicino e dal campo elettrico (minimizzando la suscettibilità al rumore magnetico generato dall'inverter),

• Il bilancio del collegamento rimanga stabile per tutti gli angoli dell'albero.

• La prossimità del metallo non provochi il collasso o la desintonizzazione dell'interazione.

Il risultato è un livello di telemetria completamente passivo e validato, che può essere collocato insieme al cuscinetto e integrato all'interno del motore, fornendo le basi tecniche – e il primo esempio comprovato – di telemetria della temperatura completamente passiva all'interno del motore, a livello del cuscinetto. La Figura 4 mostra i prototipi risultanti dei sensori RAIN e dell'antenna di lettura.

Architettura del sistema

Il livello di telemetria produce già misurefisiche reali: ogni ciclo di interrogazione genera un campione di temperatura decodificato direttamente dal sensore passivo sul cuscinetto rotante. Abbiamo sincronizzato queste misure in un unico flusso di dati in DewesoftX.

Il nostro lavoro rappresenta una delle prime dimostrazioni operative in cui un hardware di terze parti, in questo caso un lettore RAIN, è completamente integrato nell'ecosistema Dewesoft tramite openDAQ, consentendo a una sorgente di telemetria passiva integrata nel motore di comportarsi esattamente come un dispositivo di acquisizione nativo Dewesoft.

Abbiamo organizzato l'architettura del sistema in tre livelli funzionali, ciascuno responsabile di una fase distinta della catena di misura: dall'acquisizione fisica, all'astrazione, fino all'integrazione finale nell'ambiente di test e misura, come schematizzato nella Figura 5.

Livello fisico

A livello fisico, il sistema esegue la misura wireless e l'estrazione dei dati: 

• L'antenna di interrogazione all'interno dell'alloggiamento fornisce l'eccitazione RF. 

• Il tag RFID RAIN passivo esegue letture precise della temperatura sul cuscinetto rotante.

• Il lettore RFID UHF recupera il payload del sensore tramite retrodiffusione.. 

Il lettore esegue un livello software integrato (HEXA®) che gestisce le transazioni di interfaccia aerea Gen2, interroga il registro del sensore Magnus S3, decodifica il payload ed esegue una pre-elaborazione leggera in locale.

L'output di questo livello è quindi un flusso di campioni di temperatura puliti, a livello applicativo, accompagnati da identificativi del sensore e metadati di acquisizione, non da segnali RF grezzi. Questi campioni costituiscono i dati di misura fisica che alimentano la fase successiva.

Bridge openDAQ

Il bridge openDAQ riceve il flusso di misurazione UDP dal lettore ed espone l'intero sottosistema RFID come un dispositivo openDAQ standard. Il suo scopo non è reinterpretare i dati, ma esprimerli all'interno dell'architettura di misura di Dewesoft:

• Ogni sensore passivo diventa un canale di misurazione ben definito.

• Unità, identificatori e proprietà del canale conformi al modello openDAQ.

• Una base temporale adatta all'acquisizione di Dewesoft.

• Il dispositivo diventa rilevabile e accessibile come qualsiasi sorgente di acquisizione nativa.

La comunicazione bidirezionale consente di propagare le azioni di Dewesoft, come parametri di configurazione, comportamento di reporting o richieste diagnostiche, al sottosistema RFID quando necessario.

DewesoftX software di acquisizione dati

Una volta resi disponibili tramite openDAQ, importiamo i canali di temperatura a livello di cuscinetto in DewesoftX come segnali nativi. Possiamo visualizzarli, registrarli, elaborarli e, soprattutto, sincronizzarli con grandezze elettriche e meccaniche come coppia, velocità, correnti dell'inverter e parametri di raffreddamento.

Misure

Abbiamo condotto una campagna sperimentale per valutare se il rilevamento diretto della temperatura a livello del cuscinetto, sull'elemento rotante MGU-K, possa rivelare un comportamento termico significativo in condizioni operative realistiche. Tutti i test sono stati eseguiti su un banco prova dinamometrico per unità di potenza controllato ma pienamente rappresentativo, mostrato in Figura 7.

Abbiamo testato l'MGU-K con profili operativi equivalenti a quelli in pista, inclusi rapidi cambi di carico, regimi di coppia elevata ed escursioni termiche veloci. Il cuscinetto rotante è stato dotato di un sensore di temperatura passivo RAIN RFID e interrogato dall'antenna del lettore UHF integrato nel motore, che abbiamo collegato tramite un cavo coassiale a un lettore Kathrein RRU1440 posizionato all'esterno dell'alloggiamento.

Per il benchmarking, abbiamo acquisito in parallelo due tecnologie convenzionali di rilevamento della temperatura:

• Un sensore PT1000 cablato montato su un componente strutturale fisso vicino al cuscinetto;

• Un sensore a infrarossi (IR) senza contatto, utilizzato solo in presenza di visibilità diretta.

La Figura 7 mostra il posizionamento dei sensori per la configurazione del banco prova.

Abbiamo acquisito e sincronizzato temporalmente tutti i canali in DewesoftX tramite integrazione basata su OpenDAQ. Questi includevano RFID, PT1000, IR e variabili del motore come velocità, coppia e potenza elettrica.

La campagna di test ha incluso diverse ripetizioni dello stesso profilo di ciclo di guida con cuscinetti diversi. Ogni cuscinetto è stato installato nello stesso gruppo MGU-K e testato in condizioni meccaniche, elettriche e termiche identiche.

Durante questi test ripetuti, un cuscinetto ha mostrato una risposta termica chiaramente anomala, pur operando nelle stesse condizioni degli altri. Questa anomalia non era nota in anticipo e

Caso A: cuscinetto sano

Per i cuscinetti sani (Figura 8), la misura della temperatura basata su RFID corrispondeva strettamente al riferimento IR. Ha catturato con precisione sia la temperatura assoluta che i rapidi transitori causati dalle variazioni di carico. Al contrario, il segnale PT1000 è rimasto uniforme e fortemente filtrato dalla conduzione termica attraverso la struttura circostante.

Interpretazione: Il sensore RFID misura lo stato termico dell'elemento rotante; il PT1000 misura solo il campo termico strutturale.

Caso B: cuscinetto difettoso

Per il cuscinetto che in seguito è risultato difettoso (vedere Figura 9), la misura basata su RFID ha rivelato deviazioni termiche immediate. Queste deviazioni si sono manifestate in modo costante lungo lo stesso profilo del ciclo di guida. La traccia del PT1000, al contrario, è rimasta sostanzialmente invariata rispetto ai cuscinetti sani e non ha mostrato alcun segno diagnostico dell'anomalia. Il sensore a infrarossi ha confermato il punto caldo, ma ha richiesto uno smontaggio parziale, il che lo ha reso inadatto all'uso in un motore chiuso o in un'installazione a bordo veicolo.

Interpretazione: Solo la misurazione basata su RFID ha fornito la selettività spaziale e la reattività temporale necessarie per rilevare la firma termica precoce di un cuscinetto rotante compromesso.

Conclusioni: rendere possibili misure prima impossibili 

Il nostro lavoro dimostra che un livello di telemetria passiva integrato nel motore può fornire un accesso diretto e sincronizzato alla temperatura a livello dei cuscinetti all'interno di una macchina elettrica sigillata. Questo punto di misura era precedentemente irraggiungibile per i sensori convenzionali.

Grazie a questo accesso diretto, gli ingegneri possono rilevare precocemente le deviazioni termiche, migliorare la correlazione elettromeccanica e validare il comportamento del gruppo propulsore dei veicoli elettrici (EVS) in condizioni operative realistiche.

L'approccio è intrinsecamente estensibile. La stessa architettura può evolversi per operare a temperature più elevate, consentendo misure in prossimità dei cuscinetti sotto carichi termici estremi. Parallelamente, la robustezza dimostrata su un banco prova dinamometrico fornisce una base credibile per l'implementazione su veicolo e per il monitoraggio continuo a livello dei cuscinetti in condizioni di guida reali.

Al di là della specifica applicazione MGU-K sviluppata con il team di F1, questi risultati indicano una tendenza più ampia nei moderni gruppi propulsori elettrici e nei macchinari industriali. Con l'aumento della densità di potenza, la sfida principale non è più la precisione del sensore, ma l'accesso al punto di misura stesso.

L'integrazione della telemetria passiva RAIN nell'ecosistema aperto di test e misura di Dewesoft offre un modo pratico e scalabile per misurare componenti sigillati, rotanti o altrimenti inaccessibili, difficilmente raggiungibili con le tecnologie convenzionali.