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Medida de temperatura en las piezas giratorias de un motor de vehículo eléctrico mediante un anillo colector en extremo de árbol

  • Temperatura de las piezas giratorias
  • Temperatura de los componentes del motor
  • Temperatura de la transmisión y del compresor
Anillos colectores de extremo de árbol y tubulares de Michigan Scientific
Anillos colectores en extremo de árbol y tubulares.

En resumen

Los termopares fijados en las piezas giratorias del motor se cablean a lo largo del árbol hasta un anillo colector montado en el extremo del árbol. Los amplificadores se encuentran en el rotor del anillo colector: cada canal se compensa allí en soldadura fría y atraviesa las pistas en forma de tensión de alto nivel. Para un ensayo de vehículo eléctrico, Michigan Scientific construyó una unidad de este tipo con amplificadores para termopares de tipo T en su rotor, diez conexiones de anillo colector y una velocidad nominal de 20 000 rpm.

20 000 rpm
velocidad nominal del anillo colector construido para el proyecto
14
bornes de soldadura para termopares de tipo T en la unidad del proyecto
125 °C
temperatura de funcionamiento máxima del amplificador AMP-TC-M1

Cadena de medida

Las piezas de interés giran, por lo que las señales de los termopares tienen que pasar del lado giratorio al registrador, desde un lugar caliente, vibratorio y con poco espacio. Un termopar entrega una señal del orden del milivoltio, y las pistas y escobillas de un anillo colector no son aleaciones de termopar: un gradiente de temperatura a través de ellas introduce un error en esos contactos de metales diferentes.

El amplificador se coloca, por tanto, en el lado giratorio, en el rotor del anillo colector en extremo de árbol. Asegura la compensación de unión fría y envía 10 mV/°C a través de las pistas, que el gradiente no puede afectar. Los cables de los termopares discurren a lo largo del árbol o por su interior hasta los bornes del rotor; el estator se conecta al sistema de adquisición de datos.

Temperaturas del rotor a través de un anillo colector en extremo de árbol con amplificadores en su rotor Vista en corte de un motor eléctrico. Los termopares del rotor se cablean a lo largo del árbol hasta el anillo colector montado en el extremo del árbol. Los amplificadores se encuentran en el rotor del anillo colector; así, la señal atraviesa las pistas en forma de tensión de alto nivel, 10 mV por grado Celsius, hasta el sistema de adquisición de datos. Termopares Rotor Amplificadores en el rotor 10 mV/°C Motor eléctrico Colector Adquisición
Vista en corte. Termopares en el rotor, cables en el árbol, amplificadores en el rotor del anillo colector en extremo de árbol.

Instrumentación

Anillo colectorSerie S en extremo de árbol, 4 a 10 canales, 500 mA por canal, 12 000 rpm en estándar y hasta 20 000 rpm en opción, −40 a 121 °C, rotor 41,28 mm
AmplificadorAMP-TC-M1, 1 a 3 termopares de tipo E, J, K o T, 10 mV/°C a 25 °C, ± 10 V, 1,16 kHz, alimentación ± 15 V CC, 30 × 20 × 6 mm
Temperatura del amplificador−55 a 125 °C en funcionamiento; error ± 2 °C a 25 °C, ± 5 °C de −55 a 125 °C, unión fría incluida
Aparato del proyecto14 bornes para soldar para termopares de tipo T y 2 para el común de los amplificadores, 10 conexiones de anillo colector, 20 000 rpm; conexiones internas modificadas para la vibración y la temperatura del motor
TelemetríaTransmisor modelo T8 en extremo de árbol, 8 canales de galga extensométrica o termopar, 16 bits, alimentación por inducción, probado a 24 000 rpm, −40 a 125 °C

Procedimiento

  1. 01

    Colocar los termopares

    En las piezas giratorias cuya temperatura se busca, con los cables dirigidos hasta el extremo del árbol.

  2. 02

    Amplificar en el lado rotativo

    Los termopares se cablean a los amplificadores en el rotor del anillo colector, un canal por termopar, con compensación de unión fría.

    Amplificador de termopar AMP-TC-M1
  3. 03

    Atravesar el anillo colector

    Las señales amplificadas pasan por las pistas hasta el estator y, después, hasta el registrador, a 10 mV/°C.

    Anillos colectores en extremo de eje serie S
  4. 04

    Verificar el calor en el amplificador

    Los amplificadores funcionan hasta 125 °C. Para ensayos más calientes, un adaptador de ruptura térmica entre el árbol y el anillo colector reduce el calor que les llega.

Calor y telemetría

Los amplificadores de acondicionamiento de señal estándar de Michigan Scientific toleran el calor hasta 125 °C. Para ensayos más calientes, el artículo describe un adaptador de ruptura térmica, fabricado para adaptarse al diámetro del estátor de un anillo colector con amplificador integrado, que reduce el calor que llega al amplificador cuando el espacio es reducido.

La telemetría inalámbrica es la otra forma de extraer las señales de los termopares de una pieza rotativa. El modelo T8 se monta en el extremo del árbol con dos tornillos M4, con los cables de los termopares pasando por su centro, y se alimenta por inducción desde una bobina colocada a unos 3 a 5 mm. Su receptor entrega ± 10 V por canal. La telemetría de Michigan Scientific también se utiliza para termopares en zonas de difícil acceso del motor y del tren motriz, incluidas transmisiones y compresores.

Resultado

Temperaturas en las piezas rotativas del motor, leídas a 10 mV/°C con la compensación de unión fría mantenida en el lado rotativo. Los datos muestran dónde se pierde la potencia en forma de calor en el motor.

Preguntas frecuentes

¿A qué velocidad puede girar un anillo colector en el árbol de un motor eléctrico?

La serie S funciona a 12 000 rpm como estándar y hasta 20 000 rpm como opción. El anillo colector de extremo de árbol diseñado para el proyecto de vehículo eléctrico tenía una velocidad nominal de 20 000 rpm.

¿Qué temperatura pueden soportar los amplificadores de un anillo colector?

El AMP-TC-M1 funciona de −55 a 125 °C. Para ensayos más calientes, un adaptador de ruptura térmica reduce el calor que llega al amplificador.

¿Qué termopares se utilizaron en el proyecto de motor eléctrico?

Termopares de tipo T. El anillo colector disponía de 14 bornes de soldadura para ellos, 2 para el común del amplificador, y de diez conexiones de anillo colector.

¿Puede la telemetría medir la temperatura del motor en lugar de un anillo colector?

Sí. El modelo T8 transmite por radio ocho canales de termopar o de galga extensométrica desde el extremo del árbol, alimentado por inducción, y ha demostrado su fiabilidad a 24 000 rpm.

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