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Teste e validação de pequenos motores elétricos usando um projeto eficiente de bancada de ensaio
LOGICDATA tinha como objetivo melhorar os testes e a validação de pequenos motores elétricos usando um projeto de bancada de ensaio flexível e eficiente. A complexidade dos componentes de motores elétricos requer aquisição de dados precisa, o que é demorado e sujeito a erros em configurações tradicionais. A bancada de ensaio avançada simplificou os testes de acionamento, minimizou o tempo de configuração e melhorou a precisão dos dados. A empresa utilizou a funcionalidade MotorAnalysis do software DewesoftX para medir a eficiência do motor, otimizando assim o projeto e a produção.
À medida que desenvolvíamos o nosso banco de ensaio na LOGICDATA, enfrentámos um desafio específico, gerir múltiplos componentes de acionamento de forma eficiente
afirma o especialista mecânico Andreas Pichler, responsável pelo design do banco de ensaio.
O nosso objetivo era criar uma configuração que permitisse a substituição simples e rápida destes componentes. Tal configuração ajudaria a realizar testes com tempo de inatividade mínimo e a manter a flexibilidade e rapidez essenciais ao nosso processo de desenvolvimento.
A LOGICDATA é, há mais de duas décadas, um dos principais fabricantes de componentes mecatrónicos e eletrónicos avançados para mobiliário ajustável. Neste caso, Andreas Pichler e os engenheiros precisavam de testar motores elétricos DC, atuadores lineares com unidades de controlo integradas.
De forma geral, um motor elétrico DC é composto por três componentes principais:
O “rotor”, constituído por enrolamentos de cobre, enrolamentos do motor;
A parte estacionária, o “estator”, que inclui um conjunto de ímanes;
E o “coletor”, que distribui uniformemente o binário ao rotor.
O design final do motor DC deve fornecer o binário e a potência definidos, mantendo ao mesmo tempo elevada eficiência e uma gestão térmica eficaz. Devido à complexidade dos componentes instalados num motor elétrico, a fase de testes é um passo essencial para validar os parâmetros de projeto.
O objeto de teste é uma “caixa negra”, na qual os engenheiros apenas conhecem as variáveis de entrada e saída de potência. Por isso, a LOGICDATA utiliza o módulo Motor Analysis da Dewesoft, integrado no software de aquisição de dados DewesoftX, para determinar a eficiência do motor elétrico η [%], resultante da relação entre as variáveis de saída e de entrada.
Sobre a LOGICDATA
A empresa austríaca LOGICDATA desenvolve e fabrica sistemas mecatrónicos para a indústria do mobiliário e outras áreas há 25 anos. A venda de 13 milhões de controladores e 4 milhões de acionamentos comprova a sua competência central em soluções de motores e acionamentos sincronizados.
Mais de 100 patentes e 90 especialistas em I&D demonstram a qualidade e a capacidade de inovação da empresa da Estíria. Destaca-se sobretudo pelos seus produtos personalizados, adaptados a diferentes indústrias.
O desenvolvimento interno de todos os componentes dos sistemas de acionamento na LOGICDATA tem como objetivo oferecer soluções personalizadas, ajustadas de forma ideal às necessidades específicas dos clientes. A empresa alcança estas soluções com foco na otimização de custos para volumes elevados. Os aspetos críticos desta estratégia incluem:
Motores DC e PMSM personalizados, desenvolvidos para pontos de funcionamento específicos;
Caixas de engrenagens de plástico, planetárias, sem-fim e helicoidais otimizadas em termos de custo;
Otimização de NVH e custos através da redução de ruído e vibrações a baixo custo;
Desenvolvimento de sistemas de travagem ativos, eletromecânicos, e passivos;
Conceção de fusos em plástico, aço e alumínio, otimizados em termos de eficiência e tribologia;
Desenvolvimento interno de bancos de ensaio para necessidades específicas.
O problema
A geração de dados é muito demorada devido a configurações de medição complexas e extensas, com muitos sensores e variantes. Além disso, a probabilidade de erro é elevada, uma vez que o sistema de medição é complexo. As simulações são tão precisas quanto os dados utilizados pelos engenheiros. Por isso, os dados de medição desempenham um papel decisivo na otimização das simulações.
Neste caso, o pequeno acionamento é um sistema complexo que permite várias adaptações às necessidades dos clientes, graças ao desenvolvimento interno e a componentes personalizados. A adaptação eficiente e a compreensão dos parâmetros de influência são cruciais em todas as fases de desenvolvimento, desde o design inicial rápido e testes de viabilidade, até medições de protótipos, estabilidade em produção, gestão do ciclo de vida do produto e garantia de qualidade.
No desenvolvimento de motores, vários elementos são essenciais:
A otimização e criação de modelos preditivos baseados em dados;
O controlo de qualidade das peças de produção ao nível dos componentes, incluindo estator e rotor com partes ativas;
O conhecimento de métricas de desempenho, como mapas e eficiência, para ciclos de verificação que envolvem cálculo e medição.
O banco de ensaio, a solução
Como parte de um projeto interno, a LOGICDATA desenvolveu um banco de ensaio universal que constitui uma solução flexível para diferentes configurações de medição. Este banco de ensaio permite testar várias configurações de motores, travões, transmissões e sistemas completos.
Funcionalidades inovadoras
Modo de operação em quatro quadrantes: a LOGICDATA implementou a deteção automática dos modos de funcionamento do motor, motor e gerador em direções direta e inversa, facilitando a monitorização do desempenho e a deteção de problemas em tempo real.
Mapeamento de eficiência: o DewesoftX permitiu realizar mapas de eficiência em diferentes pontos de funcionamento do motor, fornecendo informações valiosas sobre o desempenho.
Integração de termografia: a integração de câmaras térmicas no DewesoftX permitiu detetar pontos quentes no motor, melhorando a identificação de falhas.
Design mecânico
A LOGICDATA concebeu a área de ensaio como um sistema de trilhos deslizantes. Todos os sensores, atuadores, motores, DUT, entre outros, são montados em carris independentes. Estes partilham um eixo coaxial comum, o eixo de medição rotativo, e podem ser deslocados em direção a esse eixo através de um volante manual. Este grau de liberdade permite montar os acoplamentos de fole metálico de forma rápida e simples. Assim que todo o eixo de medição está mecanicamente ligado, todos os carris podem ser bloqueados de forma autónoma através de uma alavanca.
Outra funcionalidade que facilita a instalação é a possibilidade de remover ou substituir carris individuais do sistema de medição montado sem mover os restantes. Para isso, Andreas Pichler e os engenheiros utilizam as marcações no trilho ou no carril. Esta configuração mecânica reduz drasticamente o tempo de preparação do banco de ensaio.
Interface de cabos e sinais
Acima do eixo de medição encontra-se uma interface de sinais versátil, que oferece máxima flexibilidade na ligação elétrica dos diferentes componentes no campo de ensaio. Graças ao design com ligações plugáveis para todos os sinais, são utilizadas apenas as interfaces necessárias para cada configuração de medição. Esta abordagem evita cablagens longas e confusas e garante o correto funcionamento dos sistemas de segurança e interbloqueio.
Tecnologia integrada de medição e controlo
O coração do banco de ensaio é o sistema de aquisição de dados DEWE-43. Os engenheiros utilizam quatro das suas oito entradas analógicas para medições de corrente e tensão. Adaptadores DSI permitem a leitura automática dos dados dos sensores, poupando tempo na configuração manual e reduzindo erros de configuração.
Os adaptadores DSI são adaptadores de sensores equipados com TEDS IEEE 1451.4 que transformam os amplificadores universais de entrada analógica DSUB9 da Dewesoft em entradas diretas IEPE, carga, termopar, shunt, tensão, LVDT ou RTD.
As quatro entradas restantes estão disponíveis para uso geral na interface de sinais. Os sinais de binário e velocidade dos transdutores utilizados estão disponíveis como sinais modulados em frequência nas entradas digitais do transdutor.
Equipamento de teste utilizado
Configuração de medição Dewesoft
DEWE-43a, sistema de aquisição de dados com amplificadores universais de medição e conversores AD;
Módulo Motor Analysis no software DewesoftX para aquisição de dados e processamento digital de sinais;
Adaptadores de shunt de corrente DSli-20A para shunt de 50 Ω com precisão de 0,01% para medições de corrente de 20 mA;
Adaptador de tensão DSI-V-200, que permite a qualquer entrada analógica DSUB9 aceitar uma gama de tensão de ±200 V e entrada diferencial através de conector BNC.
ETH Messtechnik
ETH DRVL-I e DRVL-II, sensores dinâmicos de binário e velocidade;
Beckhoff PLC e atuadores Lenze
CX5130-0195, PC industrial para montagem em calha DIN;
MCS 09H41 e MCS 06C41, servo motor;
I950, servo drive.
Fonte de alimentação controlável
Keysight Technologies E3640A;
TTi CPX400DP.
Resultados dos testes
A LOGICDATA testa tanto o funcionamento em modo motor como em modo gerador. Para evitar erros, Andreas Pichler e os engenheiros automatizaram a deteção do modo de funcionamento do motor no DewesoftX. Esta automatização permite identificar rapidamente possíveis problemas no monitor do banco de ensaio, garantindo uma monitorização eficiente e a deteção de erros durante os testes.
Estados de funcionamento do motor testados
Os engenheiros determinam o estado de funcionamento de um motor com base na direção do fluxo de potência nas suas ligações, uma ligação elétrica e uma ligação mecânica. Quando a potência é fornecida ao sistema, o seu sinal é positivo. Quando o sinal é negativo, a energia é dissipada pelo sistema.
O calor gerado durante o funcionamento também é considerado potência dissipada, portanto negativa, embora o seu elemento de ligação exista apenas de forma abstrata.
Os engenheiros determinam a potência elétrica através do produto das variáveis medidas diretamente, como os níveis de corrente e tensão. O mesmo se aplica à potência mecânica no eixo, obtida a partir da velocidade de rotação e do binário. Estas variáveis devem ser medidas com o sinal correto, uma vez que a potência de entrada e de saída do motor pode variar durante o funcionamento ou o ensaio.
A LOGICDATA implementou a deteção automática dos modos de funcionamento de 1 a 5. Aqui, a regra de sinal reconhece automaticamente se a energia mecânica ou elétrica está a ser fornecida ao motor ou removida dele. A respetiva seta indica assim a direção do fluxo da potência resultante.
No modo 1, a energia elétrica é fornecida ao motor e convertida em energia mecânica. As perdas térmicas resultantes são dissipadas do sistema.
No modo 2, ao contrário do modo 1, a energia elétrica é dissipada a partir da energia mecânica fornecida.
No modo 3, se as perdas internas por atrito no motor forem superiores à potência elétrica fornecida, o motor é também acionado mecanicamente para superar essas perdas.
No modo 4, identifica-se o funcionamento em vazio do motor, mesmo sem carga aplicada.
No modo 5, em caso de erro na cablagem dos sensores de corrente, a energia elétrica fornecida é apresentada como potência dissipada.
Em resumo, o operador do banco de ensaio pode reconhecer facilmente o estado de funcionamento e identificar rapidamente falhas, evitando assim o registo de dados de medição incorretos.
Configuração de medição para análise de motores
Os engenheiros operam o motor em teste apenas com componentes DC, pelo que podem implementar facilmente esta configuração no DewesoftX. É possível definir variáveis como corrente, tensão e grandezas mecânicas, como velocidade de rotação do motor, no módulo de potência. O objetivo da análise de motores é calcular automaticamente a potência elétrica e mecânica resultante a partir das variáveis de entrada, determinando assim a eficiência como a razão entre ambas. Este tipo de análise também é possível para sistemas trifásicos.
O mapeamento de eficiência é uma ferramenta útil para testar e avaliar motores. Este mapeamento visualiza a eficiência do motor através do mapa característico de velocidade e binário. O mapa de eficiência do motor representa a relação exata entre a potência mecânica e a potência elétrica. Em resumo, é uma ferramenta útil na escolha de um motor adequado ou na otimização dos pontos de funcionamento.
Termografia como indicador de falhas
O DewesoftX permite a integração de câmaras térmicas, como as câmaras IR Optris, através de uma interface USB.
Durante o ensaio, imagens termográficas do objeto de teste são registadas à taxa de frames definida, por exemplo 30 fps, ajudando a identificar falhas.
Desta forma, é possível identificar pontos locais com temperaturas elevadas, os chamados “hot spots”, nas perdas totais medidas, que correspondem essencialmente a perdas térmicas.
Conclusão
O inovador banco de ensaio da LOGICDATA, suportado pela tecnologia da Dewesoft, melhorou significativamente o processo de teste de pequenos motores elétricos. O design modular e flexível permitiu tempos de preparação mais rápidos, aquisição de dados mais fiável e uma análise de eficiência mais avançada, fatores essenciais para a otimização do design do motor e para a garantia de qualidade. A deteção automática dos modos de funcionamento e o mapeamento de eficiência forneceram informações valiosas sobre o desempenho do motor, enquanto a termografia melhorou a deteção de falhas.
“Com a nossa nova configuração, conseguimos agora testar componentes de forma rápida e eficiente”, afirma o especialista mecânico Andreas Pichler, acrescentando: “Ao automatizar o processo, reduzimos significativamente os erros potenciais, tanto ao nível do software como do hardware, garantindo operações mais estáveis e fiáveis.”
De forma geral, o banco de ensaio permitiu à LOGICDATA alcançar maior precisão, reduzir o tempo de teste e melhorar a qualidade dos produtos, tornando-se uma ferramenta essencial no seu processo de desenvolvimento.