Un banco de ensayos de alta eficiencia para acelerar la innovación en motores eléctricos

Schabmüller GmbH es el líder del mercado en producción de motores eléctricos para maquinaria móvil. En colaboración con HBM, ha desarrollado un novedoso concepto de banco de ensayos para un nuevo tipo de accionamiento. Combina las ventajas de unos equipos de pruebas y medición precisos y sincronizados con los ciclos de los motores, con las de un entorno de desarrollo de bancos de ensayos muy cómodo de utilizar. El concepto facilita la integración de sensores en el sistema de medida y el control de los ensayos a partir de los datos adquiridos. Además, gracias a una base de datos de fórmulas —que incluye fórmulas para cálculos DSP en tiempo real—, Schabmüller puede generar cálculos individuales de forma rápida y sencilla, para crear tareas de pruebas y medición personalizables.

Las máquinas eléctricas son la llave del futuro y también del presente. La industria del automóvil se encuentra actualmente en un complejo proceso de transición, pero los motores eléctricos se utilizan desde más de cincuenta años en otros sectores, como las carretillas elevadoras, por citar solo un ejemplo. Por otro lado, a los motores se les exigen prestaciones y niveles de eficiencia cada vez mayores. Por todo ello, los fabricantes de motores eléctricos no dejan de trabajar en el desarrollo de nuevos mecanismos de propulsión. Paralelamente, se necesitan nuevos conceptos de bancos de ensayos para probar esos nuevos motores con el grado de exactitud necesario. El desafío es siempre el mismo: obtener resultados fiables controlando con precisión los procesos de pruebas. Schabmüller GmbH es el mayor fabricante independiente mundial de motores eléctricos para vehículos accionados por batería, y aplica estos mismos condicionantes a sus propios equipos de ensayo. En colaboración con HBM, este fabricante ha desarrollado un concepto de banco de ensayos que le permite adquirir datos medidos y evaluarlos conforme a los requisitos más exigentes.

Schabmüller diseña motores eléctricos que se emplean en carretillas elevadoras, camiones y autobuses híbridos, o maquinaria agrícola y de construcción. Para su nuevo banco de ensayos de motores síncronos, sus desarrolladores han confiado en la tecnología de medida de HBM; en concreto, en el sistema de adquisición de datos Genesis HighSpeed y el software Perception. Además, han implantado un entorno de desarrollo basado en el software LabVIEW*, de National Instruments, para automatizar y controlar el banco de ensayos. "El sistema de medida Genesis HighSpeed es increíblemente fácil de manejar, con todos los procesos funcionando en paralelo y en tiempo real. De este modo, los procesos de desarrollo de software para nuestro banco de ensayos resultan más sencillos y menos complejos", afirma el Dr. Martin Hafner, Director de desarrollo tecnológico para máquinas síncronas de imanes permanentes de Schabmüller. "Con Genesis HighSpeed, los costes de personal son considerablemente más bajos en comparación con un sistema de medida basado exclusivamente en componentes de National Instruments".

Problema

Schabmüller GmbH desarrolla motores eléctricos para una gran variedad de máquinas móviles y necesitaba un banco de ensayos de alta precisión para crear una nueva generación de motores síncronos. El sistema de medida del banco de ensayos debía ofrecer datos fiables, listos para integrarse con rapidez y con los que resultase fácil trabajar.

 

Solución

Schabmüller combinó el sistema de adquisición de datos Genesis HighSpeed con el software Perception, ambos de HBM, para procesar grandes volúmenes de datos de forma rápida y fiable. Perception intercambia los datos medidos con el software LabVIEW a través de una interfaz libremente programable. Por su parte, LabVIEW controla los componentes individuales del banco de ensayos y los procesos automatizados de pruebas.

 

Resultado
La base de datos de sensores de Perception permite integrar sensores muy variados en el sistema de medida, con solo instalarlos y ponerlos en funcionamiento. Genesis HighSpeed adquiere datos con absoluta fiabilidad, calcula resultados de medida en tiempo real y los pone a disposición del sistema de control del banco de ensayos. Es posible crear fórmulas de cálculo definidas por el usuario sin necesidad de conocimientos de programación. Las fórmulas pueden aplicarse tanto en tiempo real a los valores medidos como al posprocesamiento de los datos guardados. Como resultado, los procesos de pruebas son más eficientes y se reducen los costes de personal
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Nuevo concepto de banco de ensayos para motores eléctricos innovadores

Schabmüller es uno de los grandes innovadores del sector y, desde hace poco, ofrece a sus clientes motores eléctricos síncronos de imanes permanentes. Este nuevo tipo de unidades generan tanta potencia como los motores asíncronos comparables, pero ocupan bastante menos espacio. Y eso sin haber modificado todavía el concepto de refrigeración. Cuando la refrigeración se optimice o revise, son de esperar mejoras muy importantes. Para llevar a la práctica este avance, los motores síncronos deben cumplir requisitos muy exigentes de potencia y eficiencia energética. Además, deben tener rendimientos muy altos, para hacer un uso óptimo de la energía que se les suministra. Estos nuevos motores eléctricos requieren pruebas precisas; por eso, los expertos de HBM estuvieron al lado de Schabmüller para optimizar toda la cadena de medida de su banco de ensayos. En palabras de Stefan Lauck, ingeniero de desarrollo de Schabmüller:

"Decidimos combinar Genesis HighSpeed con el software Perception y el entorno de desarrollo LabVIEW porque Perception y LabVIEW son muy fáciles de conectar por medio de una interfaz"

"Y, gracias a la base de datos de sensores de Perception, nos resulta muy sencillo integrar en el sistema de medición una gran variedad de sensores de corriente, tensión y par. Solo hay que conectarlos. Es como insertar un dispositivo USB en un ordenador. Igualmente, podemos integrar sin dificultad sensores de vibración dentro del equipo de mediciones eléctricas. Todas estas posibilidades nos ahorran tiempo y recursos a la hora de configurar el banco de ensayos".

Schabmüller utiliza su banco de ensayos para distintas tareas de medición, todas ellas orientadas a determinar de manera fiable la potencia continua, la potencia a corto plazo y el rendimiento de conversión de energía de motores síncronos, o a identificar la vida útil y la fiabilidad de los componentes. Los expertos de Schabmüller miden velocidad de rotación y par, generan mapas de eficiencia y, a partir de los datos medidos, determinan las inductancias longitudinal y transversal. Adicionalmente, llevan a cabo experimentos para determinar la vida útil en condiciones de tensión mecánica máxima. Por último, se realizan experimentos para determinar cómo afectan al funcionamiento del motor distintos patrones de carga a largo plazo y a intervalos. "Los motores eléctricos deben tener una vida útil de al menos 50.000 horas", resume Stefan Lauck.

Cadena de medida optimizada: los expertos de HBM colaboraron con Schabmüller en el desarrollo de un nuevo concepto de banco de ensayos. La combinación del sistema de adquisición de datos Genesis HighSpeed y el software Perception —ambos de HBM— con el entorno de desarrollo LabVIEW permite realizar mediciones precisas y, al mismo tiempo, un análisis cómodo y rápido.
Tareas de medición exigentes: en el banco de ensayos de Schabmüller, varios transductores de par miden y transmiten resultados de par a tarjetas de adquisición de datos GN610B y GN1610B, de HBM, que registran los datos medidos con frecuencias de muestreo de alta resolución de hasta 2 MS/s.
Sincronización total: el software Perception de HBM se comunica con el entorno de desarrollo LabVIEW a través de una interfaz de software libremente programable. Los datos medidos y los resultados de cálculo en tiempo real se adquieren con el mismo horofechado, lo cual supone una ventaja enorme a efectos de análisis.

Un sistema optimizado para ensayos en tiempo real extremadamente rápidos

Para determinar todos los datos medidos de forma segura y fiable, los componentes individuales del banco de ensayos deben funcionar a la perfección como un conjunto. Los sensores adquieren señales de medida tales como corriente, tensión, temperatura y par, y las envían al sistema de adquisición de datos. El banco de ensayos de Schabmüller utiliza un sistema de adquisición de datos Genesis HighSpeed GEN7tA, junto con tarjetas de entrada GN610B. Los procesadores digitales de señal (DSP) de las tarjetas procesan los datos medidos y calculan los resultados iniciales en tiempo real. Los resultados de medida calculados se envían entonces a LabVIEW, para analizarlos, hasta 1000 veces por segundo, utilizando una conexión EtherCAT. En paralelo, el software Perception de HBM también guarda todos los datos en bruto adquiridos. "Los datos medidos y los resultados de cálculo en tiempo real se adquieren y envían simultáneamente y con el mismo horofechado, lo cual supone una ventaja enorme a efectos de análisis", insiste Stefan Lauck.

"Igualmente, podemos crear nuestras propias fórmulas para los cálculos en Perception y almacenarlas en la base de datos correspondiente. Los DSP pueden utilizar estas fórmulas tanto en cálculos en tiempo real como de posprocesamiento, sin necesidad de ninguna programación de la arquitectura".

Perception se comunica con el software LabVIEW a través de una interfaz de software libremente programable. El software LabVIEW tiene la misión de controlar y automatizar los procesos del banco de ensayos. Específicamente, utiliza los resultados de cálculo en tiempo real para controlar la carga y los inversores de las máquinas utilizadas como muestras de ensayo. "Los datos medidos se pueden procesar para obtener valores individuales sincronizados con los ciclos. A continuación, los resultados de cálculo de interés sincronizados con los ciclos se emplean para controlar y automatizar los procesos de ensayo; por ejemplo, los valores efectivos de corriente y tensión o los valores de par", comenta Stefan Lauck. "Los datos en bruto se graban también, por si los necesitamos para llevar a cabo análisis de posprocesamiento más a fondo". Aparte de los valores individuales sincronizados con los ciclos, los datos que se miden en continuo pueden vincularse con la base de datos de fórmulas de Perception y procesarse en tiempo real. Para ello, tampoco es necesario tener conocimientos de programación.

Integración de sensores y sincronización de canales: todo muy sencillo

"La combinación de LabVIEW con el software Perception de HBM nos aporta grandes ventajas", reconoce Stefan Lauck. Genesis HighSpeed graba datos medidos de sensores de forma sincronizada y admite frecuencias de muestreo de hasta 2 MS/s para un máximo de 51 canales de potencia. Por otro lado, sincroniza automáticamente las frecuencias de muestreo de los distintos canales y tarjetas de entrada. Todo ello reduce considerablemente la carga de trabajo de los usuarios. Incluso hemos podido explotar al máximo las ventajas de LabVIEW, como el formato de datos TDMS, para guardar con rapidez grandes volúmenes de datos. Eso, a su vez, simplifica el análisis posterior de los datos con una gran variedad de productos de software.

Durante la integración del sistema de adquisición de datos en el banco de ensayos, los desarrolladores de Schabmüller contaron con asistencia adaptada de los expertos en Perception de HBM. En palabras de Stefan Lauck: "Perception es un software muy eficiente que adquiere datos con total fiabilidad. HBM nos proporcionó una formación inicial que nos convirtió rápidamente en usuarios avanzados. Y, como es tan fácil trabajar con Perception, incluso podemos definir secuencias de medición adaptadas a nuestras necesidades específicas".


* LabVIEW is a trademark of National Instruments. Neither HBM, nor any software programs or other goods or services offered by HBM, are affiliated with, endorsed by, or sponsored by National Instruments.

Schabmüller GmbH

Schabmüller GmbH es el mayor fabricante independiente de motores eléctricos del mundo. Produce más de 300.000 unidades al año y tiene unas ventas anuales de más de 90 millones de euros. La empresa tiene su sede en Berching, Baviera, y lleva más de cincuenta años suministrando a productores internacionales de carretillas elevadoras, maquinaria de construcción y agrícola y autobuses y camiones híbridos. Dentro de su gama para carretillas elevadoras, Schabmüller fabrica motores de corriente alterna, asíncronos y síncronos, que se instalan en sistemas de propulsión y dirección, o que se emplean como motores de bombas para regular las maniobras de elevación de este tipo de vehículos. Uno de los motivos del éxito de la empresa radica en que no desarrolla motores estándar, sino exclusivamente motores a medida y adaptados a aplicaciones específicas de sus clientes.

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