Mapeamento da eficiência de motor elétrico CC em bancada de testes

Uma equipe de estudantes de engenharia do Politécnico de Turim (Itália) está projetando veículos de baixo consumo de energia. A equipe construiu e aplicou um banco de ensaio de motor elétrico de corrente contínua para medir e analisar a potência elétrica de entrada e a potência mecânica de saída em várias condições. Utilizando hardware e software fornecidos pela Dewesoft, a equipe obteve os dados para criar um mapa de eficiência do motor de corrente contínua com ímãs permanentes (PMDC) em seu veículo protótipo, IDRAzephyrus.

Este projeto detalhado, parte da sua participação no Shell Eco-Marathon, envolveu a medição e análise da potência elétrica de entrada e da potência mecânica de saída em várias condições para otimizar o desempenho. A sua abordagem meticulosa e a colaboração interdisciplinar destacam o compromisso com soluções de engenharia inovadoras e sustentáveis.

A equipa H2politO é uma combinação única de estudantes de diversas áreas de engenharia do Politecnico di Torino. Ano após ano, estudantes de aeroespacial, automóvel, cinema, comunicação, eletrónica, energia, gestão, informática, matemática, materiais, mecânica e mecatrónica contribuem para a melhoria contínua do veículo.

A H2politO e os seus veículos participam no Shell Eco-Marathon, uma competição internacional para veículos de baixo consumo energético. Durante a competição, o objetivo é completar um percurso de 16 km em no máximo 36 minutos, realizando 10 voltas ao circuito. O consumo de combustível é medido durante este percurso, e a equipa que utilizar menos combustível vence.

A equipa tem dois veículos a competir em duas categorias:

• ICE Urban Concept, JUNO;

• Protótipo com célula de combustível de hidrogénio, IDRAzephyrus.

Este projeto diz respeito ao veículo protótipo IDRAzephyrus, cujo sistema de propulsão é apresentado na Figura 1. O seu sistema inclui uma célula de combustível, uma unidade de controlo da célula de combustível, FCCU, que integra um conversor DC/DC responsável pelo controlo da carga de um conjunto de supercondensadores, e um controlador de motor que alimenta o motor PMDC a bordo.

Alcançar uma elevada eficiência dos subsistemas é essencial para obter um resultado competitivo. No entanto, a abordagem estratégica da equipa durante a competição também desempenha um papel fundamental.

A divisão de Dinâmica do Veículo e Estratégia utiliza uma metodologia baseada em dados para desenvolver um modelo completo do carro. Este modelo permite obter informações cruciais, possibilitando o aperfeiçoamento e a otimização de vários componentes do veículo.

Projeto de teste

O objetivo do teste foi recolher informações sobre a potência elétrica de entrada e a potência mecânica de saída, de modo a obter o mapa de eficiência do motor PMDC. Para isso, planeámos estabilizar o motor a uma determinada velocidade enquanto fornecíamos uma corrente definida, permitindo obter valores relativos de binário e tensão.

Medidor de binário

Utilizámos um medidor de binário Kistler Type 4503A, já disponível para a equipa, para medir o binário aplicado pelo motor elétrico DC. O medidor, com uma gama de 20 Nm e uma velocidade máxima de 7000 rad/min, fornecia também informação sobre a velocidade dos eixos, uma vez que já integra um sensor.

Devido ao baixo binário de saída, optámos por testar o motor elétrico DC utilizando um sistema de transmissão com diferentes reduções planetárias. Este sistema de transmissão permitiu aumentar o binário de saída para entrar na gama de medição dos instrumentos.

Controlador do motor elétrico DC

Para controlar o motor elétrico, utilizámos a mesma placa de atuação instalada no veículo, garantindo o mesmo controlo de corrente e variação de tensão que no carro. Um PC ligado à placa eletrónica enviava os sinais de arranque do motor e de estratégia.

Carga aplicada no eixo

Na primeira solução, utilizámos um travão magnético para regular manualmente a corrente que atravessa o indutor, controlando assim a velocidade de rotação, ver Figura 2.

Na segunda configuração, aplicámos um segundo motor PMDC como carga mecânica, ver Figura 3. Desta forma, a força contraeletromotriz gerada pelo motor de carga é enviada para uma carga eletrónica que pode impor uma tensão fixa correspondente a uma velocidade fixa. Durante os testes, utilizámos um Maxon RE50 com uma transmissão Neugart WPLE40, com relação de transmissão de 20:1.

Motores elétricos testados

A primeira ideia da equipa foi testar todos os motores elétricos disponíveis da Maxon, ver fichas técnicas nas Tabelas 1 a 6, mas não houve tempo suficiente para completar mais do que um mapa de eficiência. Consequentemente, o motor testado foi o Maxon RE40, Tabela 1, acoplado à transmissão Maxon GP42C, Tabela 3.

Maxon RE40

Maxon RE50

Maxon GP42C

Neugart WPLE040-20

Neugart WPLE040-25

Problemas do projeto

Problemas térmicos

Devido aos testes contínuos, o aumento de temperatura do motor elétrico DC poderia causar danos. Por esta razão, com base na ficha técnica da Maxon, foi desenvolvido um modelo em Simulink para avaliar o tempo máximo antes de atingir a temperatura limite tanto no induzido como na carcaça.

O modelo do motor é simples e baseia-se nas equações elétricas e mecânicas do motor, no domínio de Laplace, incluindo uma eficiência mecânica estimada ηm. Este modelo simula tanto o motor em teste como o motor de travagem. Em seguida, utilizámos dois controladores PI para definir a corrente no motor em teste e a velocidade no travão, que determina univocamente também a velocidade do motor.

Determinamos a diferença entre a potência elétrica e a potência mecânica como o fluxo de calor Φ gerado. Este valor é a entrada para o modelo térmico. Utilizando os valores de resistência térmica Rp e constante de tempo τp da ficha técnica, é possível obter a seguinte equação para a temperatura:

A temperatura ϑ é definida por:

Esta equação é utilizada para os enrolamentos, pelo que a resistência considerada é entre os enrolamentos e a carcaça, e, para a carcaça, entre a carcaça e o ambiente. Naturalmente, o elemento crítico são os enrolamentos.

As simulações indicaram que a temperatura máxima ϑ = 150 °C era atingida apenas para uma corrente de 14 A a altas velocidades e, na prática, os ensaios nunca utilizam uma corrente de 15 A, nem valores superiores a 11 A. Não testámos essa condição, pelo que realizámos a aquisição de dados sem preocupações quanto ao tempo.

Para considerar o efeito da temperatura, utilizámos dois termopares para medir a temperatura do motor elétrico DC e da transmissão durante a execução dos testes, ver Figura 4. Além disso, utilizámos um ventilador para arrefecer o sistema de propulsão e controlar o setup. Ajustámos manualmente o ventilador variando a tensão de alimentação.

Configuração mecânica

Do ponto de vista mecânico, o objetivo era acoplar o motor e as cargas ao medidor de binário, garantindo o seu suporte adequado. As principais restrições estavam relacionadas com o medidor de binário, a distância entre eixos do seu suporte e a altura, tendo sido fixado o acoplamento do seu eixo, ver Figura 5.

Design dos suportes

Devido à configuração em linha, optámos por utilizar dois perfis de alumínio como base do banco de ensaio, de forma a definir a distância entre eixos dos suportes, concebidos para manter o eixo dos veios à mesma altura, ver Figura 6.

Concebemos três suportes principais, um para o motor elétrico em teste e os outros para os dois tipos de carga. Por razões de custo e tempo, utilizámos impressão 3D em ácido polilático, PLA.

Aplicámos três blocos de alumínio sob dois suportes para os tornar mais compactos e reduzir o tempo de impressão. Os blocos de alumínio tinham uma altura de 55,5 mm, pelo que os suportes dos motores apresentam uma altura de eixo de 56,5 mm.

Acoplamento

Acoplámos os eixos dos vários componentes através de acoplamentos de garras, PHE L075HUB, um cubo de acoplamento padrão com furo sólido fornecido pela SKF. Este acoplamento garantiu o diâmetro interno adequado e a chaveta apropriada para a transmissão do binário.

PHE L075HUB

Como mostrado na Tabela 7 e a partir do binário admissível das chavetas, este tipo de acoplamento é adequado para a aplicação apresentada.

O binário admissível Mt da chaveta pode ser calculado pela seguinte equação:

onde pmax é a pressão máxima admissível, d é o diâmetro do eixo, e l e h são, respetivamente, o comprimento e a altura da chaveta.

A consulta dos desenhos técnicos nas fichas técnicas garantiu as tolerâncias adequadas, em particular:

• para o diâmetro interno dos cubos;

• o cumprimento da norma UNI 6604 para as dimensões e tolerâncias das ranhuras das chavetas. A Figura 11 apresenta um exemplo de fabrico do cubo de acoplamento.

Configuração elétrica

Nesta configuração, uma fonte de alimentação limitada a 6 A a 30 V alimentava o motor elétrico, ver Figura 12. Ligámos a fonte em paralelo com um conjunto de supercondensadores para atingir potências mais elevadas, tendo como objetivo um ponto de funcionamento de 15 A a 30 V. Desta forma, os supercondensadores atuam como um buffer e permitem ao motor sustentar uma potência mais elevada durante um período limitado.

O conjunto de supercondensadores era composto por dez capacitores Cornell Dubilier DSF607Q3R0 ligados em série, ver os dados na Tabela 8.

Cornell Dubilier DSF607Q3R0

A mesma placa de controlo utilizada no protótipo IDRAzephyrus alimentava o motor PMDC. O controlador fornece ao motor um sinal de modulação por largura de pulso, PWM, proveniente de uma configuração de meia ponte com transístores MOS. Devido a limitações de hardware, a atuação impõe um duty cycle máximo de 95%, fornecendo ao motor 95% da tensão dos supercondensadores, o que corresponde a uma tensão média de 28,5 V.

Devido à corrente limitada fornecida pela fonte de alimentação, que provoca a queda de tensão no conjunto de supercondensadores, e à limitação do duty cycle do PWM, encontrámos uma condição de saturação de tensão. Assim, só foi possível testar o motor até uma velocidade limitada em relação ao objetivo, tornando impossível completar todo o mapa de eficiência.

Interface com o sistema de aquisição de dados, DAQ

Durante a configuração deste projeto, foi feita uma seleção dos parâmetros a registar, em particular:

• Tensão do motor

• Corrente do motor

• Tensão da fonte de alimentação

• Binário do motor

• Velocidade do motor

• 2 termopares

O sistema DAQ tratou internamente as medições de tensão. Para fornecer estas tensões ao sistema DAQ, foi necessário um cabo DB9. Os pinos necessários para a medição de tensão são In+ e In-. Os dados apresentados na Tabela 9 são provenientes do manual do sistema DAQ.

A corrente foi medida utilizando uma pinça de corrente fornecida pela Dewesoft. A Dewesoft também forneceu os termopares e o adaptador específico que utilizámos. Os dados de torque e velocidade foram adquiridos utilizando um conector BNC convertido para DB9 com um adaptador proprietário.

Aquisição e análise de dados

A Dewesoft forneceu-nos o versátil e potente sistema modular de aquisição de dados (DAQ) SIRIUS. O SIRIUS disponibiliza amplificadores de condicionamento de sinal de alto nível para praticamente qualquer sinal e sensor, oferecendo uma ampla gama dinâmica (160 dB) e isolamento galvânico.

Todos os instrumentos SIRIUS incluem o software de aquisição de dados DewesoftX. Durante os testes, utilizámos o DewesoftX em dois dos seus principais modos de operação:

• Measure: Este modo permite personalizar os parâmetros de registo, configurando os diferentes canais no sistema DAQ. É também onde se configura a conversão de dados e a linearidade dos sensores ligados ao DAQ. Pode ainda ser utilizado para guardar os dados durante um teste. Neste modo, é possível realizar alguns cálculos para criar novos canais, nos quais os valores são avaliados através de uma análise temporal do sinal do DAQ, aplicando aproximações como o cálculo do valor eficaz (RMS) e a alteração da frequência de amostragem dos dados. Através de cálculos matemáticos, também é possível definir novos canais.

• Analyze: Este modo permite analisar os vários canais após o teste e avaliar o comportamento através de diferentes gráficos e visualizações.

No modo de análise, foi possível carregar dados de uma gravação anterior realizada no modo Measure através da página de ficheiros de dados do software. Também é possível carregar dados a partir de ficheiros .txt e .csv. Os dados desta página podem ser exportados em vários formatos, como Matlab, .csv, .txt e .dat.

Depois de selecionar os dados para análise, a página Setup permite modificar a conversão dos dados dos sensores, uma vez que o software também guarda os dados em formato analógico bruto.

Esta página permite associar um canal a uma unidade de medição e definir valores máximos, mínimos e de offset, possibilitando a linearização do sensor. Também é possível alterar a frequência de amostragem exportada, que pode diferir da frequência original definida neste modo. A criação de novos canais com base em canais existentes também é possível nesta interface.

Os dados podem ser apresentados em várias formas na página Analysis, desde visualizações numéricas até visualizações analógicas e diferentes tipos de gráficos.

As páginas Print e Export permitem imprimir ou exportar os dados (Figura 14) e os gráficos (Figura 15) para outros formatos.

Resultados do primeiro teste

Realizámos a primeira série de testes num motor Maxon RE40 ligado a uma transmissão Maxon GP42C.

Inicialmente, efetuámos o teste numa configuração com carga aplicada através de um travão magnético. O problema desta solução foi a dificuldade em estabilizar corretamente a velocidade e em tempo útil, devido ao aquecimento do motor e ao aumento da resistência interna.

Por esse motivo, decidimos rapidamente passar para a segunda configuração de carga, aplicando a carga no eixo através de um motor Maxon RE50 ligado a uma transmissão Neugart WPLE040-20. Controlámos o motor limitando a tensão gerada pela força contraeletromotriz (back EMF) resultante da velocidade de rotação do motor.

Este controlo proporcionou melhores resultados, uma vez que a carga eletrónica regulava automaticamente a corrente para estabilizar a velocidade do eixo. Os dados foram registados com o DewesoftX para uma corrente constante aplicada ao motor em teste, entre 7 A e 10 A, sendo também registados dados a 4 A com o travão magnético como carga. A velocidade foi estabilizada durante 10 segundos, de 8000 rpm até 1000 rpm, com incrementos de 500 rpm. Os resultados são apresentados nas Figuras 16 a 19.

Para a análise, extraímos os dados através do DewesoftX para um formato compatível com o MATLAB, de modo a compará-los com os dados de testes em pista e com as simulações realizadas no Simcenter Amesim. Relacionámos estes dados com as fichas técnicas do motor e da transmissão.

Em seguida, analisámos os dados para compreender o comportamento de acordo com a fórmula do motor elétrico:

Em particular, tivemos de respeitar a fórmula em cada ponto em duas situações diferentes:

• Comportamento puramente elétrico a baixa velocidade, onde pudemos negligenciar o componente magnético:

• Comportamento puramente magnético, a alta velocidade, onde o efeito elétrico é negligenciável em relação ao campo gerado pela velocidade:

Note-se que uma tensão de cerca de 10 V em todas as situações implica uma resistência interna aproximadamente três vezes superior à indicada na ficha técnica.

O principal problema foi que a influência da resistência estava presente a baixa velocidade, mas não a alta velocidade, o que indica um erro apenas no registo de dados.

Observámos uma diferença entre a potência solicitada à fonte de alimentação durante a atuação e a potência fornecida ao motor, correspondente a cerca de 20% de eficiência da placa.

Esta eficiência não pode estar correta, pois deveria manifestar-se num aumento de temperatura, o que não se verificou.

Resultados do segundo teste

Realizámos uma nova campanha de testes com um novo motor e um banco de ensaio atualizado.

Para testar os motores com maior precisão, criámos um código que reduz automaticamente a tensão máxima na carga eletrónica após um determinado tempo.

Testámos novamente o motor, desta vez um Maxon RE40 ligado a uma transmissão Maxon GP52C. Antes do teste, registámos alguns dados do nosso lado para completar a determinação da resistência interna com o eixo do motor bloqueado e para analisar a tensão e a corrente aplicadas. Verificou-se uma resistência interna de aproximadamente 0,5 Ω.

Em seguida, testámos o motor no banco para correntes entre 4 A e 10 A e velocidades entre 8000 rpm e 1000 rpm, com incrementos de 500 rpm.

Primeiro, calculámos a eficiência η do motor para cada amostra recolhida, a partir da tensão aplicada V e da corrente fornecida I, em relação ao binário T obtido a uma determinada velocidade ω:

Ver a curva de eficiência do sistema de transmissão na Figura 20.

Analisámos novamente os dados para calcular a eficiência do motor ηm (Figura 22), negligenciando as perdas por efeito Joule e assumindo uma resistência interna constante, onde k é a constante de binário (em N·m/A), numericamente igual à constante de velocidade V (em rad/s):

Os resultados obtidos foram um valor para um binário de atrito idealmente constante do motor, um mapa de eficiência da transmissão em função do binário e da velocidade, além de uma estimativa da resistência elétrica do motor.

O binário de atrito encontrado foi de 0,15 N·m, valor que ainda temos de confirmar com testes mais específicos. A eficiência da transmissão (Figura 23), assumindo este binário de atrito, será obtida da seguinte forma:

Temos o mapa de eficiência da transmissão ajustado à seguinte equação:

𝜂𝑡 = 0.8633 − 6.844 ∙ 10−3 ∙ (𝑖 ∙ 𝑘 ∙ 𝐼 − 0.15) + 2.051 ∙ 10−5 ∙ 𝜔

O último resultado, a resistência interna do motor elétrico, foi calculado de acordo com a seguinte equação:

Conclusão, utilização dos dados

Utilizámos então os dados para melhorar o modelo Amesim do IDRAzephyrus, ajustando os valores da corrente em vazio do motor de acordo com o binário de atrito identificado e definindo a resistência interna como 0,481 Ω.

Modelámos também a eficiência da transmissão utilizando o mapa criado a partir dos dados, permitindo que o modelo selecione, em cada instante, a eficiência com base na velocidade e no binário no lado do motor.

De acordo com a comparação com o desempenho real, esta recolha de dados melhora significativamente a estimativa do consumo energético e do desempenho do motor durante a simulação da prova Shell Eco-Marathon do IDRAzephyrus.

As Figuras 24 e 25 apresentam a comparação da velocidade e da carga e descarga do SC.