고속 애플리케이션에서 토크 측정 기술의 과제

모빌리티의 개념은 엔진의 연소에서 전기 모터 점차 변화되어왔습니다. 이러한 현상은 모빌리티의 확장으로 더욱더 뚜렷해질 것으로 예측되며, 테스트 벤치  측정 기술에 많은 영향을 미칠 것입니다.  기존의 연소 엔진에 비해 전기 구동 시스템은 크기가 작고 무게가 가볍기 때문에 출력 밀도가 훨씬 높습니다. 전기 모터의 열 손실은 약 10 %로 감소하고, 전기 에너지의 90 % 이상이 기계 에너지로 변환됩니다. 또한 차량의 전기 드라이브는 훨씬 더 높은 회전 속도로 작동하므로 e-모빌리티 테스트 벤치에서 토크 측정 기술에 문제가 발생합니다.


T11 토크 트랜스듀서는 2004년에 공칭(정격) 회전 속도에 새로운 표준으로 등록되었습니다. T11은 오랫동안 모터 스포츠의 표준으로 간주되어 왔으며 회전 속도가 작고 회전 속도가 낮기 때문에 최대 30,000rpm의 회전 속도에 도달할 수 있습니다. 질량 관성 모멘트 센서는 지속적으로 개발되었으며 2016년에 T40시리즈로 대체되었습니다. 다음 표는 토크 센서별 RPM 정보입니다.

 

 

Torque Transducer 

Speed in RPM 

T40HS45,000
T40MS30,000
T40CB - with central bore 37.5 mm, 46.5 mm 30,000
T40B24,000
T12HP22,000

 

일부 응용 분야에서는 T40HS 시리즈의 최대 속도를 최대 60,000rpm까지 높일 수 있습니다.

증가된 회전 속도 외에도 전기 드라이브의 동적 동작은 미래의 e- 모빌리티 테스트 벤치의 정확한 데이터가 필요합니다. 따라서, 높은 강성과, 무게와 질량 관성 모멘트의 감소가 중요해졌습니다.

 

무게 및 질량 관성 모멘트 감소 – 필수!

토크 센서의 무게를 줄이는 방법은 두가지가 있습니다. 한 가지 방법은 센서 설계 변경이고, 두 번째는 소재(재료) 변경입니다. 사용된 소재(재료)는 중량 감소에 가장 큰 영향을 미칩니다.


올바른 소재(재료)를 선택하는 것은 생각보다 어려운 일입니다. 왜냐하면 재료의 비중량을 현저히 낮춰야하면서, 도량적 특성도 고려해야하기 때문입니다. 교대로 발생하는 로드나 기타 도량의 낮은 저항 때문에 알루미늄을 사용하여 무게를 줄이는 것은 토크 센서 제조업체의 선택 사항이 아닙니다. 반면에 티타늄은 강철과 거의 동일한 인장 강도와 동일한 도량형 특성을 가지며 피로 강도 및 측정 성능에 영향을 주지 않고 무게를 줄여야하는 경우, 토크 센서 업체가 선택하는 재료입니다. HBK의 T40HS, T40MS 및 T40CB 고속 토크 센서는 표준으로 티타늄으로 제조됩니다.

더 작은 크기와 더 콤팩트한 디자인으로 인해 결과적으로 더 낮은 관성 질량 모멘트(예 : 항공 산업의 e- 드라이브 응용 프로그램 또는 구성 요소 테스트)로 애플리케이션 프로그램은 내연 기관과 관련된 응용 프로그램보다 훨씬 더 높은 역학을 보여줍니다. 테스트 벤치에서 사용되는 토크 센서는 이러한 상황을 고려해야합니다. 사용자 관점에서 중요한 점은 센서의 강성 및 측정 성능이나 정확도에 부정적인 영향을주지 않아야한다는 것입니다.


회전체의 body는 질량뿐만 아니라 회전축에 대한 분포에 따라 달라집니다.

여기서 r은 회전축에서 증가된 질량 입자의 거리를 나타냅니다. 가능한 모든 모멘트 중에서 회전축이 샤프트 축에 의해 지정되는 토크만 중요합니다.


따라서 관성 모멘트는 stiff body가 움직임의 변화에 제공하는 저항을 정의합니다.

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

Figure 2: Rotation of a point mass about a rotational axis

 

정의된 단일 질량 점에 대한 질량 관성 모멘트[J]는 다음과 같습니다.

이는 고려되는 질량점이 회전축 (샤프트 축)에 가까울수록 질량 관성 모멘트가 낮아짐을 의미합니다. 역동적인 관점에서 이것은 토크 센서를 회전시키는데 더 작은 힘이 필요함을 의미합니다.


1kNm 범위의 서로 다른 토크 센서의 질량 관성 모멘트와 최대 속도의 비교가 그림 3에 나와 있습니다.

Conclusion:

티타늄과 같은 적절한 재료 선택으로  단순한 무게 감소 외에도 실제 측정 본체 설계는 질량 관성 모멘트를 줄이는데 중요한 역할을 합니다. 고속 및 동적 응용 분야에서 사용하기 위해 HBK의 토크 센서는 공칭 토크와 관련하여 강성 또는 측정 성능을 손상시키지 않으면서, 관성 모멘트가 기존 센서에 비해 크게 감소하도록 설계되었습니다. 따라서 HBK 센서는 매우 컴팩트한 구동 장치의 테스트나 차량 주행 조건을 시뮬레이션하는 동적 부하 테스트 벤치에 이상적입니다.


일반적으로 증가하는 환경 인식과 지속 가능성 증가 추세는 e-모빌리티의 발전에 영향을 미칠 것입니다. 스트레인 게이지 기반 토크 센서는 앞으로도 계속해서 중요한 역할을 할 것이며 기계, 항공기 및 차량 구성 요소를 최적화하는 프로세스의 필수적인 부분이 될 것입니다.

High RPM 토크 측정

내연기관이 등장하고 전기모터가 개발된 이래, 모빌리티의 개념은 매우 빠르게 변화했습니다. 이러한 혁신 덕분에 테스트 벤치와 토크 측정 기술 분야에도 큰 변화가 있었습니다. 특히 기존 적용 분야에서 가장 두드러지는 경향은 분당 회전수(RPM) 증가와 동적 토크 측정입니다

HBM은 이 글을 통해 High RPM 토크 측정 분야에서 현재 당면한 도전 과제들과 앞으로 기대되는 변화를 살펴보고자 합니다.

1:1 문의 이곳을 클릭하셔서 요청사항을 작성해 주세요