Los transductores de par ayudan a optimizar transmisiones híbridas de autobuses y camiones

Los OEM del sector de automoción utilizan habitualmente bancos de ensayo o instalaciones especiales para desarrollar, caracterizar y hacer pruebas de motores de automoción. La tecnología híbrida está ganando una importancia cada vez mayor en el diseño de los vehículos, y los OEM emplean cada vez más estas instalaciones para el desarrollo de sistemas de propulsión híbridos y eléctricos para autobuses y camiones. Entre los componentes de un sistema de propulsión híbrido-eléctrico podemos citar un inversor refrigerado por líquido, un motor eléctrico de inducción de CA con alta relación potencia/peso y una reductora conectada directamente a un eje motor estándar y a un eje trasero, que transmite tracción y genera electricidad en combinación con un freno regenerativo.  

Para garantizar que estos motores gestionen la potencia de una forma eficiente, los ingenieros necesitan medir con precisión distintas variables eléctricas del motor y la cadena cinemática; por ejemplo, la velocidad de giro (rpm) y el par. Los bancos de pruebas de los OEM suelen disponer de simulador de batería, inversor de frecuencia, motor eléctrico, dinamómetro, sistema de adquisición de datos (DAQ), interfaz de comunicación y un PC, instalado en una zona de control. El dinamómetro introduce en el sistema una resistencia simulada que reproduce las situaciones de carretera con la que se va a encontrar el motor y su cadena cinemática. Por ejemplo, cuando hace subir un vehículo pesado por una pendiente ascendente. Esta instalación evita a los ingenieros ensayos reales en vehículos en movimiento.

Hay que tener en cuenta que, en las pruebas de potencia de los motores de combustión, sobre todo se registran señales mecánicas. En cambio, en los ensayos de motores eléctricos también hay que medir señales eléctricas entre el inversor y el motor.

La forma ineficiente de medir el par y la velocidad

Anteriormente, los ingenieros hacían mediciones de par y velocidad del motor y la cadena cinemática montando un motor eléctrico (que pesa bastante) en un dinamómetro, utilizando cojinetes para que el motor pudiera girar. El dinamómetro se equipaba con una célula de carga y con un brazo de palanca desplazado, para medir el par de reacción. Un ingeniero realizaba entonces un ciclo de transmisión predefinido, que hacía que el inversor alimentase el motor con una corriente dada, haciéndolo girar como si estuviera instalado en un vehículo. El brazo de palanca actuaba entonces sobre la célula de carga, con lo que se medía, a distancia, la fuerza (con la que el motor trataba de girar). Así, por ejemplo, si el brazo de palanca se encontraba a una distancia de 1 metro y la célula registraba una fuerza de 1000 Newtons, se concluía que el sistema estaba produciendo un par de 1000 Nm.  

Uno de los problemas de este montaje es que la inercia mecánica enmascara detalles sutiles de la medición. Las cadenas cinemáticas híbridas pueden girar a velocidades muy altas, del orden de 12.000 rpm, en comparación con las 6000 rpm típicas de los motores de combustión. Eso genera señales de alta frecuencia que no suelen aparecer en las pruebas de motores de combustión. Por tanto, las señales de la célula de carga pueden parecer suaves y uniformes cuando, en realidad, presentan una gran cantidad de picos y valles debido a variaciones extremas en la transmisión.

Nueva solución mejorada

Se consiguió una mejor solución colocando un transductor de par digital T12 de HBM en la línea formada por el motor eléctrico, la cadena cinemática y el dinamómetro. HBM suministra productos de medición tales como sistemas de adquisición de datos, software de análisis y calibración, galgas extensométricas, transductores y sensores. 

Los transductores T12 tienen un diseño sin contacto que obtiene lecturas de par mediante telemetría digital, y lecturas de velocidad mediante un sensor de velocidad. Un acondicionador de señal integrado garantiza alta calidad y señales fiables. La medición de la velocidad y el par por medio del transductor aporta a los ingenieros información vital sobre la velocidad que alcanza el sistema, y sobre cuánto par consume para conseguir esa velocidad. A partir de estos datos se puede calcular cuánto par necesitan el motor y la transmisión. El transductor de par T12 registra el par dinámico, indica el sentido de giro e incluso puede calcular la potencia mecánica de salida. El sistema de adquisición de datos registra de manera síncrona la señal eléctrica del inversor y del motor, así como las señales digitales del transductor de par. Así, proporciona una equivalencia entre tensión eléctrica y entrega de par. Otras salidas permiten medir frecuencias y corrientes. Una opción permite dar salida a los datos del DAQ a través de CAN o Ethernet, con lo que se elimina la necesidad de hacer una conversión digital-analógica.

Los transductores son capaces de captar las señales de alta frecuencia que se generan en las pruebas de motores eléctricos y transmisiones. De este modo, los ingenieros pueden obtener datos que de otra forma no verían. Eso les ayuda a mejorar el diseño de las cadenas cinemáticas híbridas. El transductor también se puede utilizar para poner a punto el sistema híbrido, ya que permite determinar exactamente cuánta corriente hace falta para generar la cantidad de par deseada, en lugar de trabajar con aproximaciones. Por si fuera poco, el T12 es un producto robusto que requiere poco mantenimiento, cosa que contribuye a acortar los tiempos de desarrollo.

Mejora de la eficiencia de los motores e inversores eléctricos

Adicionalmente, HBM ofrece una solución que puede ayudar a mejorar la eficiencia de los motores e inversores eléctricos, y que consiste en un sensor de par T12 y unsistema de adquisición de datos Genesis HighSpeed de HBM. Este dúo permite hacer mediciones síncronas y dinámicas de señales mecánicas y eléctricas. La adquisición en continuo de datos en bruto permite hacer análisis en vivo para determinar la potencia activa y la potencia reactiva, así como la eficiencia en la conversión de energía. Para más información acerca de esta nueva solución, visite www.hbm.com/edrive.

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