Nuevos sensores de velocidad para vehículos eléctricos industriales desarrollados para abordar las duras condiciones de trabajo que comporta el cambio a motores de CA más potentes y compactos.

La acentuada tendencia de sustitución de los motores de CC por otros de CA impone nuevos retos a los diseñadores de soluciones mecatrónicas para aplicaciones de control y monitorización con sensores. Adoptando motores de accionamiento de CA más compactos y potentes se obtienen ahorros de espacio y material. No obstante, dado que el motor es de menor tamaño, todos los demás componentes, como la electrónica, rodamientos, etc. están más juntos y tienen que coexistir y funcionar en un entorno aún más exigente.

Para ciertos componentes como los sensores de electrónica incorporada, el entorno electromagnético y las condiciones ambientales adversas pueden resultar un verdadero obtáculo en la realización de las medidas. El principal problema hasta ahora ha sido el empleo de sensores basados en el efecto Hall para la sensorización de rodamientos, empleados habitualmente para la detección de la velocidad, dirección y posición del eje de accionamiento, no pudiendo funcionar de forma óptima, dadas las interferencias creadas por los fuertes campos magnéticos generados gracias al aumento de la intensidad (entre 600-800 A) en los motores de CA.

Nueva generación de sensores
SKF ha desarrollado una nueva gama de sensores de velocidad para motores eléctricos de AC que son insensibles a los efectos de los entornos altamente magnéticos. Además, sin que sea menos importante, el sensor puede integrarse en el diseño del rodamiento, siguiendo la tendencia general hacia una mayor integración de los componentes, y el uso de soluciones «plug and play» en vehículos eléctricos. SKF lleva muchos años incorporando sensores a sus rodamientos, con aplicaciones que abarcan el sector de la automoción, equipos industriales, locomotoras y turbinas eólicas. Por ello, los ingenieros de diseño de la empresa comprenden la necesidad de producir sensores robustos, que requieran poco mantenimiento y ofrezcan una larga vida de servicio.

Diseñados para las próximas generaciones
La experiencia obtenida por SKF en mecatrónica y tecnología de sensores ha fomentado el desarrollo de rodamientos sensorizados que puedan satisfacer, sin problemas de compatibilidad magnética, las necesidades actuales y futuras de los sistemas de accionamiento de los vehículos industriales.

Para esta aplicación en concreto, los ingenieros de diseño de SKF han intentado abordar varios retos. Uno de los planteamientos centrales en el encoder del motor ha sido diseñar el mismo como un sistema «plug and play», que ofrezca una alta fiabilidad y fácil integración. Al mismo tiempo, se ha procurado reducir los costes de mantenimiento. El dispositivo desarrollado no sólo puede emplearse con sistemas de accionamiento de nuevo diseño, sino que puede incorporarse también a los actuales vehículos eléctricos industriales.

Como es natural, uno de los estímulos más poderosos en la labor de desarrollo ha sido crear un producto robusto tanto para entornos mecánicos como electromagnéticos. La nueva unidad de encoder, designada como la serie BMH, combina la gama de rodamientos rígidos de bolas compactos SKF Explorer –caracterizada por su tamaño pequeño, alto rendimiento y larga vida de servicio– con la novedosa tecnología de sensores. El primer modelo en ser lanzado al mercado se encuentra basado en el más popular y compacto de los rodamientos empleados en vehículos industriales, el rígido de bolas 6206. El elemento sensor adicional sólo incrementa en 6 mm la anchura total del producto. El encoder BMH está disponible con un diseño estándar, o puede personalizarse para incluir cables y conectores especialmente adaptados. Dispone de dos salidas a colector abierto que pueden incorporarse al sistema de control general del equipo de accionamiento mediante una carga resistiva apropiada.

Sistema inductivo innovador
El sistema emplea dos arrays provistos de microbobinas inductivas (utilizadas por primera vez en la sensorización de rodamientos), que detectan los pulsos electromagnéticos (EM) que interactúan con una rueda metálica que gira con el aro interior del rodamiento. Las microbobinas transforman la señal EM en corriente eléctrica, que luego es convertida en tensión por un Schmitt Trigger que genera pulsos directamente relacionados con la velocidad de rotación. La señal generada es claramente identificable y diferenciable de cualquier ruido de fondo, proporcionando una versátil señal de salida. Una de las cualidades de este sistema de sensorización es que puede usarse a velocidades extremadamente bajas y ofrecer mediciones precisas en una gama desde cero hasta alrededor de 20.000 rpm. Muchas otras técnicas de sensorización de la velocidad tienen dificultades en realizar mediciones precisas a velocidades muy bajas. Otra característica del encoder BMH es su capacidad para trabajar a temperaturas ambiente de hasta 150°C. Estas prestaciones térmicas son importantes en los entornos donde se experimeran choques térmicos, vibraciones intensas y condiciones electromagnéticas extremas.

Esta tecnología es insensible a las perturbaciones magnéticas, siendo por tanto innecesario incorporar cualquier tipo de protección o apantallamiento magnético en los componentes, factor que incrementa la flexibilidad del diseño general del sistema. Estos elementos pueden montarse dentro del bobinado del motor o de los frenos magnéticos, por ejemplo. A los ingenieros de diseño de equipos de accionamiento eléctrico, esto les abre la posibilidad de desarrollar diseños nuevos más ligeros y compactos, que incorporan el encoder, la electrónica de potencia y control, además de frenos eléctricos.

Las ventajas del «plug and play»
Asimismo, el hecho de que la unidad sea un auténtico dispositivo «plug and play» significa que el personal de desarrollo del equipo no necesite tener presente los requisitos específicos del sensor respecto al entorno. Esto también elimina los ensayos y requerimientos adicionales de los rodamientos sensorizados. Para los fabricantes, además de ser un sistema construido teniendo en cuenta los futuros avances en equipos eléctricos, ofrece menos mantenimiento y reparaciones durante los periodos de garantía. Debido a que el encoder BMH para motores es un producto de existencias, su disponibilidad no constituye ningún problema y en general los plazos de entrega de las piezas de repuesto son breves.

Considerando que los vehículos industriales emplean cada vez más motores de CA, SKF ha observado un crecimiento en las ventas de sus rodamientos sensorizados. El nuevo sistema completo de sensorización de rodamientos ofrece la ventaja a la hora de ser más controlable, eficiente y de diseño compacto, en una solución estándar, fácil de incorporar tanto a vehículos nuevos, como antiguos.

SKF ofrece muchas otras soluciones de mecatrónica para vehículos industriales, incluyendo entre ellas los mecanismos de dirección, un componente esencial en los sistemas «Steer-by-Wire» que combina la fiabilidad de la tecnología de los encoder con la sencillez de los sistemas «plug-and-play». Su formato compacto permite ubicar el volante en el lugar más apropiado, lo que significa que el conductor puede aumentar su eficiencia gracias a una mayor ergonomía y mejores condiciones de trabajo.