高速アプリケーションにおけるトルク計測の課題 高速アプリケーションにおけるトルク計測の課題 | HBM

高速アプリケーションにおけるトルク計測技術の課題

内燃エンジンから電気モーターへのモビリティの概念の段階的な変化は、近い将来さらに顕著になるテストベンチ計測技術に影響を与えています。従来の内燃エンジンと比較して、電気駆動システムは、寸法が小さく、重量が軽いため、出力密度が大幅に高くなっています。電気モーターの熱損失はわずか約10％に減少しましたが、電気エネルギーの90％以上が機械的エネルギーに変換されています。さらに、車両の電気駆動装置はかなり高い回転速度で動作するため、e-モビリティ用のテストベンチでのトルク計測技術にも課題が生じています。

T11トルクセンサは、2004年に公称（定格）回転速度に関して新しい基準を設定しました。T11はモータースポーツの標準と長い間考えられていましたが、ローターの質量が小さく、質量の慣性モーメントが小さいため、最大30,000rpmの回転速度に達することができました。センサは継続的に開発され、2016年にT40シリーズに置き換えられました。次の表に、トルクセンサと達成可能な速度の概要を示します。

 

 

トルクセンサ  

回転速度

T40HS45,000
T40MS30,000
T40CB -　センターホール付き 37.5 mm, 46.5 mm 30,000
T40B24,000
T12HP22,000


一部のアプリケーションでは、T40HSシリーズの最大速度を最大60,000rpmまで上げることができます。

回転速度の増加に加えて、電気駆動装置の動的な動作は、将来のe-モビリティ用テストベンチの概念に高い要件を課します。したがって、高い剛性を確保しながら、重量と質量の慣性モーメントをさらに削減することは、開発目標のリストで上位にランクされました。

 

重量と慣性モーメントの減少が非常に重要です。

トルクセンサの重量は2つの方法で減らすことができます。1つはセンサの設計によるもので、もう1つは代替材料を選択することによるもので、使用する材料が軽量化に最も大きな影響を及ぼします。

適切な材料を選択することは、比重が大幅に低いだけでなく、センサ構造で一般的に使用されている鋼のバリエーションよりも一貫して優れた計測特性を備えている必要があるため、簡単ではありません。交互荷重やその他の計測学的側面に対する耐性が低いため、軽量化を確実にするためにアルミニウムを使用することは、トルクセンサのメーカーにとって選択肢ではありません。一方、チタンは、鋼と実質的に同じ引張強度と同じ計量特性を備えており、疲労強度と計測性能を損なうことなく軽量化を実現する必要がある場合に、トルクトランスデューサのメーカーに最適な材料です。HBKのT40HS、T40MS、およびT40CB高速トルクセンサは、標準でチタンから製造されています

Relative weight in % compared to steel
図1： 鋼鉄製と比較した相対重量(％)

サイズが小さくコンパクト設計であるため、結果として生じる質量慣性モーメントが小さくなり（eドライブアプリケーションや航空業界のコンポーネントテストなど）、これらのアプリケーションは、内燃エンジンを含むアプリケーションよりも大幅に優れた動的特性が必要になります。テストベンチで使用されるトルクセンサは、これらの状況を考慮に入れる必要があります。ユーザーの観点からの重要な側面は、センサの剛性と計測性能/精度に悪影響を与えてはならないということです。  

回転体の特性は、その質量だけでなく、回転軸周りの質量分布にも依存します。

ここで、rは、回転軸からの増分質量までの距離を表します。考えられるすべてのモーメントのうち、トルクのみが重要であり、その回転軸はシャフト軸によって指定されます。 

したがって、慣性モーメントは、質量がその運動の変化に対して発生する抵抗です。

Fig. 2: Rotation of a point mass about a rotational axis

図2: 回転軸を中心とした点質量の回転

 

単一の質量点の質量慣性モーメント[J]は次式で定義されます。

これは、考慮される質量点が回転軸（シャフト軸）に近いほど、その質量慣性モーメントが低くなることを意味します。動的な観点から、これはトルクセンサを回転させるために必要な力が小さいことを意味します。

1kNm範囲のさまざまなトルクセンサの質量慣性モーメントとそれらの最大速度の比較を図3に示します。

Relative mass moment of inertia in %
図3: 0.01kgm²の質量慣性モーメントと速度性能を備えた一般の市場センサと比較した相対質量慣性モーメント（％）。

結論：

チタンなどの適切な材料の選択による単なる軽量化に加えて、実際の計測体の設計は、質量慣性モーメントの低減に関して重要な役割を果たします。高速で動的なアプリケーションで使用するために、HBKのトルクセンサは、剛性や計測性能を損なうことなく、公称トルクに比べて慣性モーメントが従来のセンサと比較して大幅に減少するように設計されています。したがって、当社のセンサは、非常にコンパクトなドライブユニットのテストや、たとえば、車両の運転条件をシミュレートする動的負荷テストベンチに最適です。

一般的に環境意識の高まりと持続可能性の向上への傾向は、e-モビリティのさらなる発展に影響を与えます。ひずみゲージベースのトルクセンサは、今後も重要な役割を果たし、機械、航空機、および車両のコンポーネントを最適化するプロセスの不可欠な部分になります。

高回転トルク計測の変化

モビリティの概念は、燃料エンジンの登場と、最近の電気モーターの導入以来、劇的に変化してきました。これらの技術革新は、テストベンチやトルク測定技術にも大きな影響を与えています。特に古典的なアプリケーション分野でよく見られる傾向は、より高い回転数/分（RPM）と動的トルク計測の2つです。

この記事では、HBMが高回転数トルク計測の展望を探りながら、将来的に予想される課題や変化を概説しています。