Sistem de măsură asistat de calculator pentru caracterizarea motoarelor de cuplu cu unghi limitat

Sistem de măsură asistat de calculator pentru caracterizarea motoarelor de cuplu cu unghi limitat Mihail-Iulian ANDREI, Mircea MODREANU, Mihai GUȚU, Liviu GHIȚULESCU Abstract The diversity of products fabricated by Icpe enforce us to increase the flexibility within the electric test division. Regardless of the motor stage, experimental model, prototype or series product, a flexible system for the measurement of on load torque is required. Due the fact that indirect methods do not take into account some special effects, a measurement system based on direct methods with torque transducer is recommended to be used. This paper present such a computer aided measurement system for the caracterization of limited angle torque motors. Keywords: torque measurement, torque transducer, limited angle torque motor 1. Introducere Diversitatea produselor fabricate în cadrul Icpe Centrul de mașini electrice speciale (MESSICO) impune creșterea gradului de flexibilitate în compartimentul de încercări electrice. Fiind un centru în care dezvoltarea de produse noi [1] reprezintă o latură importantă de activitate, se impune cunoașterea unor metode și existența unor dotări minime necesare pentru evaluarea performanțelor și caracterizarea rapidă și cu precizia solicitată a produselor aflate în dezvoltare, indiferent de stadiul la care se află: model experimental, prototip sau din producția de serie. În cazul dotărilor, soluțiile posibile ar fi achiziționarea unor sisteme de măsură existente pe piață [2,3,4] sau proiectarea unor standuri de încercări special concepute, încât să se reducă la minimum efortul depus pentru caracterizarea tipurilor de produse care se dezvoltă în cadrul centrului. Având în vedere specificul Icpe Centrul de mașini electrice speciale, concentrat, în principal, pe cercetarea, Mihail-Iulian ANDREI: Doc. Eng., Centrul de mașini electrice speciale, ICPE, Splaiul Unirii, nr. 313, RO-030138 București, România; iulianandrei.messico@icpe.ro Mircea MODREANU: Doc. Eng., Centrul de mașini electrice speciale, ICPE, Splaiul Unirii, nr. 313, RO-030138 București, România; mircea.messico@icpe.ro Mihai GUȚU: Eng., Centrul de mașini electrice speciale, ICPE, Splaiul Unirii, nr. 313, RO-030138 București, România; mihaidorugutu@yahoo.com Liviu GHIȚULESCU: Eng., Centrul de mașini electrice speciale, ICPE, Splaiul Unirii, nr. 313, RO-030138 București, România; liviu.messico@icpe.ro dezvoltarea și producția, în serii mici, de mașini electrice de mică putere, varianta a doua reprezintă alegerea cea mai bună. În lucrare, se prezintă un sistem de măsură asistat de calculator destinat caracterizării unei categorii reprezentative de mașini electrice din profilul Centrul de mașini electrice speciale, motoare de cuplu cu unghi limitat [5, 6, 7]. Sistemul a fost conceput și integrat în Icpe, în cadrul Contractului INOVARE 2SEH/2013 cu titlul Componente electromecanice pentru sisteme high-tech direct drive realizate cu linii tehnologice flexibile - HTDD. Pentru o caracterizare completă a acestui tip de motor de cuplu, cel puțin în fazele de model experimental și de prototip, este obligatorie testarea acestuia în sarcină. La funcționarea în sarcină executată la curent de alimentare constant, sunt importante caracteristicile cuplu unghi și cuplu curent, pentru executarea la unghi constant. Pentru a obține aceste caracteristici, la măsurarea cuplului, se poate opta fie la o metodă de măsurat cu greutăți etalonate sau cu dinamometru [8], fie la o metodă de măsurat cu ajutorul unui traductor de cuplu [9,10]. Acestea sunt metode directe [11] de a obține caracteristicile menționate mai sus. Pentru obținerea caracteristicii cuplu unghi, se pot aborda și altfel de metode, indirecte de această dată, ce au la bază măsurarea tensiunii electromotoare atunci când motorul este antrenat în regim de

12 ELECTROTEHNICĂ, ELECTRONICĂ, AUTOMATICĂ,vol. 62 (2014), Nr. 3 generator [12]. Această metodă din urmă este mai puțin recomandată la caracterizarea prototipurilor motoarelor de cuplu, deoarece măsurătorile nu au loc în sarcină, astfel nefiind considerate anumite efecte importante care apar doar la funcționarea în sarcină (saturația, reacția indusului) [13, 14]. Caracteristica reală, obținută la funcționarea în sarcină este puternic deformată de efectele menționate pe care funcționarea în regim de generator în gol nu le poate pune în evidență. Această lucrare prezintă un sistem de măsură a cuplului electromagnetic asistat de calculator, pentru motoarele de cuplu cu unghi limitat, bazat pe metoda directă cu traductor de cuplu. 2. Principiul de funcționare a sistemului de măsură În fig. 1, este prezentată schema de principiu a sistemului de măsură. Figura 1. Schema de principiu a sistemului de măsurat motoare de cuplu cu unghi limitat Sistemul de achiziție, prelucrarea datelor și prezentarea grafică au la bază achiziția simultană, automată, a perechilor de valori cuplu unghi măsurate de traductorul de cuplu cu sistem integrat de măsură a unghiului tip T20WN/0,5 Nm. Procesul este controlat de utilizator prin intermediul unui PC și al unui program de comandă dezvoltat în cadrul Icpe. Din interfața programului de comandă, se pornește procesul de măsurare executând următoarea secvență de pași: se trimite comandă de start sursei comandate care alimentează motorul de cuplu cu unghi limitat. Motorul alimentat generează cuplul care se transmite traductorului prin intermediul unui ax. Discul de divizare al unghiului, solidar cu axul traductorului are și rol de frână, el menținând în poziție fixă, pe timpul achiziției, ansamblul mobil format din rotorul motorului montat pe un ax, cuplat elastic cu axul traductorului; sistemul de achiziție citește valorile cuplului și ale unghiului măsurate de traductor; se trimite comandă de stop sursei comandate ce alimentează motorul de măsurat; se salvează într-un fișier datele măsurate; datele se prelucrează și se prezintă grafic de către utilizator. 3. Descrierea sistemului de măsură Standul de măsură are trei componente importante: structura mecanică, sistemul de măsură și achiziție și programul de comandă Torque-Angle. La rândul ei, structura mecanică prezentată în fig. 2 are următoarele părți componente: 1. placa de bază; 2. ghidaj transversal; 3. sanie transversală; 4. înălțători; 5. corp; 6. ax rotor; 7. cuplaj elastic; 8. corp fixare traductor; 9. ax manivelă și camă de reglare; 10. inel de fixare rotor; 11. traductor. Figura 2. Părțile mecanice ale standului de măsură Structura mecanică a fost astfel proiectată, încât să permită realizarea unei alinieri cu trei grade de libertate care să asigure condițiile de montaj impuse de traductorul de cuplu. În acest sens, specificația tehnică a traductorului prevede următoarele nealinieri maxime: 0,5 mm

ELECTROTEHNICĂ, ELECTRONICĂ, AUTOMATICĂ, vol. 62 (2014), Nr. 3 13 axial, 0,2 mm radial și 1,5 grade unghiular. Alinierea pe axa Ox este asigurată prin canalele în formă de T ale plăcii de bază. Ghidajul transversal permite deplasarea pe axa Oy a întregului ansamblu format din înălțători și sania transversală. Cama de reglare deplasează același ansamblu însă pe axa Oz. Procesul de aliniere mecanică este descris pe larg în [15]. Eventualele nealinieri care pot apărea după parcurgerea acestui proces sunt preluate de o cuplă elastică specială care asigură cuplarea mecanică a celor două axe (motor și traductor). Sistemul de măsură și achiziție este format dintr-un traductor de cuplu și o placă de achiziție de date. Placa de achiziție tip MX440 [16] este cea care face legătura între traductor și programul de comandă. Traductorul este de tip T20WN/0,5 Nm [17] și poate măsura atât static, cât și dinamic. Deoarece standul își propune să măsoare cuplul în anumite poziții unghiulare, el va fi folosit în mod static. Traductorul de cuplu tip T20WN/0,5 Nm este furnizat de firma HBM (Germania) și are următoarele caracteristici tehnice principale: cuplu nominal 0,5 Nm, clasă de precizie 0,2, transmitere semnal de măsură fără contact, semnal de ieșire de cuplu ±10 V. Este prevăzut cu sistem optic de măsură integrat pentru unghi sau turație care are la ieșire două semnale de undă pătratică defazate cu 90, cu 360 de pulsuri/rotație. În cadrul acestei aplicații, intrările traductorului sunt cuplul mecanic la ax în domeniul 0 0,5 Nm și poziția relativă a rotorului față de stator în domeniul 0 360, iar ieșirile sunt semnalul pentru cuplu în domeniul ±10 V și semnalul pentru unghi dat de cele două semnale de undă pătratică defazate cu 90, cu 360 de pulsuri /rotație. Programul de comandă Torque-Angle a fost dezvoltat cu ajutorul mediului de programare LabWindows [18] și are patru panouri prezentate în fig. 3: 1. panoul de comandă Start/Stop; 2. panoul de comandă al sursei HPD30-10 care alimentează motorul de măsurat; 3. panoul de comandă al sistemului de achiziție QuantumX Mx440; 4. panoul de afișare a datelor achiziționate. Figura 3. Interfața programului de comandă Măsurarea propriu-zisă se realizează executând următoarea secvență de pași: 1. Se montează motorul de măsurat și se execută alinierea mecanică. 2. Din potențiometrele aflate în Panoul 2, se setează valoarea tensiunii (Voltage), respectiv a curentului (Current), conform fișei tehnice a motorului de măsurat. 3. Din Panoul 3, se selectează fișierul de salvare a datelor în format.xlsx. 4. Se definește poziția de zero pentru unghi (butonul Set zero din Panoul 2) față de care traductorul de unghi va măsura. 5. Se pornește achiziția datelor (butonul Acquire din Panoul 3). În acest moment, programul va trimite sursei o comandă care va avea ca efect alimentarea motorului timp de 0,5 s, timp în care se va face și achiziția de cuplu și unghi, iar datele vor fi salvate în fișierul în format.xlsx deja selectat. 6. Pentru obținerea caracteristicii dorite, se repetă pasul 5 pentru diferite poziții ale discului de divizare prezentat în fig. 4 sau pentru diferiți curenți la aceeași poziție unghiulară. Figura 4. Discul de divizare pentru indexarea poziției După ce au fost achiziționate datele, se deschide fișierul mai sus menționat și se copiază datele în locația dorită de utilizator pentru prelucrare și afișare.

14 ELECTROTEHNICĂ, ELECTRONICĂ, AUTOMATICĂ,vol. 62 (2014), Nr. 3 4. Etalonarea sistemului de măsură Etalonarea sistemului de măsură are ca principal scop punerea în evidență, prin operații metrologice [19, 20], a conservării acurateții de măsurare a traductorului. În același timp, etalonarea întregului sistem de măsură are și un alt scop, acela de a determina domeniul de măsură în care rezultatele se încadrează într-o eroare de măsură acceptată, în cazul de fața ε<1 %. Pentru etalonare, se folosește metoda comparării valorii de cuplu măsurată cu traductorul de cuplu cu valoarea calculată pe baza folosirii unei greutăți etalonate cunoscute care generează cuplu la axul de măsură prin intermediul unei fulii de metrologizare de rază cunoscută. Datele de referință se calculează conform formulei cuplului: M = F r, (1) calculat unde r este brațul forței (raza fuliei de metrologizare), iar F este forța: F = G = mg, (2) unde m - masa greutăților și g - accelerația gravitațională. Datele achiziționate vor reprezenta valorile de cuplu măsurate M măsurat. Eroarea sistemului de măsură va fi calculată cu formula: M calculat M masurat ε = 100 (3) M calculat Pentru două poziții unghiulare decalate cu 90, alese arbitrar, a fost măsurat cuplul generat de greutăți între 1 g și 1 kg. Măsurătorile au fost făcute atât în sens crescător, cât și în sens descrescător. Rezultatele sunt prezentate în Tabelul 1. Calculat Măsurat crescător Măsurat descrescător M M_c M_m ε M_m ε [kg] [mnm] [mnm] [%] [mnm] [%] 0,5 251,92 251,76 0,06 251,78 0,06 0,6 302,30 302,59-0,09 302,24 0,02 0,7 352,69 353,18-0,14 352,47 0,06 0,8 403,07 403,11-0,01 403,8-0,18 0,9 453,46 452,32 0,25 453,63-0,04 1 503,84 496,89 1,38 Deși traductorul este de precizie ridicată (clasa de precizie 0,2), întregul sistem de măsură va introduce erori suplimentare de măsură datorate, în principal, frecărilor în rulmenți și erorilor de aliniere a axelor. Acesta este motivul pentru care procesul de etalonare are ca scop determinarea domeniului de măsură în care rezultatele se încadrează într-o eroare de măsură acceptată de ε<1 %. Valorile de cuplu măsurate care se încadrează în eroarea de măsură acceptată încep de la 50 mnm, deci intervalul de măsură deteminat experimental este 0,05 Nm 0,5 Nm. De asemenea, se observă o mică diferență între rezultatele obținute în sens crescător și cele obținute în sens descrescător. Aceste diferențe sugerează că sistemul prezintă histerezis. 5. Rezultate experimentale Sistemul de măsură are ca scop principal caracterizarea motoarelor de cuplu de curent continuu cu unghi limitat care au cuplul maxim în domeniul 0,05 Nm 0,5 Nm determinat în capitolul precedent. În lucrarea de față, sunt prezentate rezultatele experimentale obținute pentru patru astfel de motoare în talie 16, cu geometrii transversale diferite (fig. 5). Tabelul 1. Rezultate experimentale Calculat Măsurat crescător Măsurat descrescător M M_c M_m ε M_m ε [kg] [mnm] [mnm] [%] [mnm] [%] 0,01 5,04 5,52-9,56 5,59-10,95 0,05 25,19 25,42-0,90 25,65-1,82 0,06 30,23 30,41-0,59 30,78-1,82 0,07 35,27 35,57-0,85 35,75-1,36 0,08 40,31 40,41-0,25 40,77-1,15 0,09 45,35 45,62-0,60 45,85-1,11 0,1 50,38 50,7-0,63 50,67-0,57 0,2 100,77 101,26-0,49 101,1-0,33 0,3 151,15 151,44-0,19 151,48-0,22 0,4 201,54 201,71-0,09 201,98-0,22 Figura 5. Motoare de cuplu cu unghi limitat pentru testarea standului de măsură

ELECTROTEHNICĂ, ELECTRONICĂ, AUTOMATICĂ, vol. 62 (2014), Nr. 3 15 Toate motoarele sunt bipolare, iar domeniul unghiular de măsură este 180º. Cuplul de vârf și domeniul de lucru sunt două dintre caracteristicile tehnice specifice motoarelor de cuplu cu unghi limitat. Aceste caracteristici sunt puternic influențate de geometria transversală a motorului. Geometriile transversale pot diferi prin: forma și dimensiunile jugului rotor, poziționarea, forma și dimensiunile magneților din rotor dar și prin dimensiunile jugului stator și caracteristicile constructive ale înfășurării statorice (număr de spire, dispunere înfășurare număr de straturi și acoperire unghiulară). Geometriile prezentate în fig. 5 au statoarele identice, dar rotoare diferite. În acest mod, cercetarea experimentală executată cu sistemul de măsură descris în lucrare scoate în evidență influența parametrilor constructivi rotorici asupra celor două caracteristici tehnice menționate mai sus, la funcționarea în sarcină a motorului. De asemenea, prin modificarea curentului statoric, se evidențiază influența reacției indusului și a saturației asupra formei caracteristicii cuplu unghi a motorului. Caracteristicile cuplu unghi prezentate în fig. 6 sunt determinate pentru un curent statoric la jumătate, de 2 A. Figura 6. Rezultatele măsurătorilor la un curent de 2 A Caracteristicile cuplu unghi prezentate în fig. 7 sunt determinate pentru curentul statoric maxim de 4 A. Cuplu [mnm] Caracteristica cuplu unghi la 4A 100 80 60 40 20 0-90 -70-50 -30-10 10 30 50 70 90-20 Unghi [grade] Rotor 1 Rotor 2 Rotor 3 Rotor 4 Figura 7. Rezultatele măsurătorilor la un curent de 4A Se constată că rotorul 1, echipat cu doi magneți, având acoperire polară mică, favorizează o caracteristică cuplu-unghi cu domeniu de lucru mare, dar cu un cuplu de vârf scăzut. De asemenea, putem sesiza faptul că magnetul cu înălțime echivalentă mare diminuează deformarea caracteristicii datorată reacției indusului și a saturației magnetice a jugurilor. Rotorul 2 cu doi magneți, având acoperire polară mai mare, favorizează caracteristica cuplu unghi cu domeniul de lucru mai mic, dar având cuplu de vârf crescut. În același timp, magnetul cu înălțime echivalentă mai mică favorizează deformarea caracteristicii datorată reacției indusului și a saturației magnetice a jugurilor. Rotoarele 3 și 4 sunt echipate cu doi magneți principali care formează polii magnetici rotorici și doi magneți secundari cu rol de întărire a câmpului pe polul principal, plasați în axa interpolară. Aceste structuri rotorice au ca obiectiv creșterea valorii cuplului de vârf. Rotorul 3 cu magneții principali, având acoperire polară foarte mare, conduce la obținerea unei caracteristici cuplu unghi cu domeniu de lucru mic, dar având cuplu de vârf foarte ridicat. Faptul că magnetul principal are înălțime constant relativ mică favorizează deformarea puternică a caracteristicii cuplu-unghi. Rotorul 4 cu magneți permanenți principali similari cu cei din rotorului 2 prezintă comparativ cu acesta o caracteristică cuplu unghi mai ridicată și constantă pe domeniul de lucru (fig. 6, curbele 2 și 4). În același timp, magnetul principal cu înălțime echivalentă mică favorizează deformarea puternică a caracteristicii datorată reacției indusului și a

16 ELECTROTEHNICĂ, ELECTRONICĂ, AUTOMATICĂ,vol. 62 (2014), Nr. 3 saturației magnetice a jugurilor (fig. 7, curba 4). 6. Concluzii Lucrarea a prezentat un sistem de măsură asistat de calculator pentru caracterizarea motoarelor de cuplu cu unghi limitat în domeniul 0,05 Nm 0,5 Nm. Sistemul are la bază achiziția simultană, automată, a cuplului și a unghiului cu traductorul de cuplu cu sistem integrat de măsură a unghiului tip T20WN/0,5 Nm. S-au prezentat principiul de funcționare, descrierea sistemului și a procedurii de etalonare, precum și rezultatele experimentale obținute prin utilizarea standului la măsurarea a patru motoare de cuplu cu unghi limitat în talie 16, cu geometrii transversale diferite. Prin studiul experimental efectuat pe cele patru configurații, s-au evidențiat principalele efecte ce influențează puternic caracteristica cuplu-unghi la funcționarea în sarcină, și anume reacția indusului și saturația. În concluzie, acest sistem de măsură a cuplului este foarte util atât în activitatea de cercetare a Centrului de mașini electrice speciale din Icpe, deoarece permite testarea motoarelor aflate în fază experimentală sau prototip, cât și în activitatea de producție de serie, el putând fi folosit ca instrument de metrologizare pentru alte sisteme de măsură a cuplului ce au la bază alte principii. 7. Acknowledgment The work presented in this paper was obtained within the research project INOVARE 2SEH/2013. 8. Biography [1] Icpe, Special Electric Machines Catalogue Products, 2014. [2] Mark-10, Force and Torque Measurement Products, 2014. [3] Moutz, Torque Analyzers and Sensors, 2014. [4] IMADA, Torque Testers and Torque Measurement, 2014. [5] Modreanu M. and Andrei M.I., ''Numeric Modelling of a Two-Channel Limited Angle Torque Motor'', EEA-Electrotehnica, Electronica, Automatica, Electra Publisher, Vol. 62, No. 1, Jan-Mar 2014, ISSN 1582-5175. [6] Icpe, Componente electromecanice pentru sisteme high-tech direct drive realizate cu linii tehnologice flexibile - HTDD, etapa I, Oct. 2013, http://www.icpe.ro/htdd/ro. [7] R. Magureanu, Masini electrice speciale pentru sisteme automate, Editura tehnică, București, 1981. [8] GEARS Educational Systems LLC, "Build a GEARS-IDS Dynamometer", online http://www.gearseds.com/. [9] Model Engineering and Model IC Engine Projects, "How To Measure Model Engine Performance", 2009, online http://model enginenews.org/. [10] Vernon A. Lambson, Method and Apparatus for Measuring Torque, US Patent 6,269,702. [11] Stephen A. Dyer, Wiley Survey of Instrumentation and Measurement, March 2004, Wiley-IEEE Press, ISBN: 978-0-471-22165-4. [12] Schneider Electric Motion USA, "Electric Motors - white paper", April 2012. [13] Constantin Ghiță, Elemente fundamentale de mașini electrice, Editura PRINTECH, București, 2002. [14] Mihaela Morega, Mașini și acționări electrice. Note de curs, Facultatea de Electrotehnica, Universitatea POLITEHNICA din Bucuresti, 2007. [15] Icpe, Special Electric Machines Department, Stand de măsură pentru motoare de cuplu cu unghi limitat D-4078, document intern, 2014. [16] HBM, "4-Channel Universal MX440A Amplifier for QuantumX", Operating Manual. [17] HBM, "T20WN-Torque Meter with Cylindrical Shaft Stubs", data sheets. [18] National Instruments, "Getting Started With the LabWindows/CVI Manual", October 2010. [19] JCGM, International vocabulary of metrology Basic and general concepts and associated terms, 3rd edition, 2012. [20] A.K. Bewoor, V. Kulkarni, Metrology & Measurement, Tata Mcgraw Hill Education Publisher, 2009. Mihail-Iulian ANDREI was born on March 7th 1985, in Romania. He graduated from the Politehnica University of Bucharest, Faculty of Electrical Engineering, in 2009. In 2012, he received the PhD degree in Electrical Engineering from the same university. At present, he is a research engineer in ICPE. His research interests concern the electromagnetic modeling, high performance computing, electric machines design and software engineering.

ELECTROTEHNICĂ, ELECTRONICĂ, AUTOMATICĂ, vol. 62 (2014), Nr. 3 17 Mircea MODREANU was born in 1955 in Romania. He graduated from the University Politehnica of Bucharest, Faculty of Electrical Engineering, Romania, in 1980. In 1999 he received the PhD degree in Electrical Engineering from the University Politehnica of Bucharest. He continually worked as scientific researcher with ICPE. His activity is focused on the research, development, execution and testing of special low power electric machines. Mihai GUȚU was born in 1959 in Romania. He graduated from the University Politehnica of Bucharest, Faculty of Machine Construction Technology, Romania, in 1984. He continually worked as scientific researcher with ICPE. His activity is focused on the mecanical design for development, execution and testing of special low power electric machines. Liviu GHIȚULESCU was born in 1955 in Romania. He graduated from the University Politehnica of Bucharest, Faculty of Electrical Engineering, Romania, in 1980. He continually worked as scientific researcher with the Research Institute for Electrical Engineering ICPE Bucharest. His activity is focused on the research, development, execution and testing of special low power electric machines.