Prüfstand für Axialflussmotoren: Testen von Pancake-Motoren für Elektroantriebe und die Luft- und Raumfahrt

Axialflussmotoren gehen in Produktion – Tests müssen folgen

Axialflussmotoren haben sich schneller als von den meisten Ingenieuren erwartet von Kuriositäten aus der Luft- und Raumfahrt zu Mainstream-Elektrofahrzeugkomponenten entwickelt. Ferraris SF90 Stradale verwendet einen von YASA abgeleiteten Axialflussmotor für seine Hybrid-Heckeinheit. Mercedes-Benz hat YASA vollständig übernommen 2021 um die Technologie für sein AMG-Angebot zu sichern. Emrax- und Magnax-Liefereinheiten für Flugzeuge, Rennen, und OEMs für Schiffsantriebe. Turntide und Saietta adressieren jeweils den Nutzfahrzeug- und den Zweiradmarkt.

Das gemeinsame Merkmal ist eine Pfannkuchengeometrie: Die Rotor- und Statorscheiben sind gegenüberliegend angeordnet, durch einen kleinen axialen Luftspalt getrennt. Leistungsdichtewerte von 5–10 kW/kg in der Spitze werden routinemäßig nachgewiesen, etwa das Doppelte dessen, was eine vergleichbare Radialflussmaschine leistet. Doch der Prüfstandsingenieur steht vor mehreren Herausforderungen, die in der konventionellen Motorenprüfung ihresgleichen suchen.

Warum der Formfaktor alles auf dem Prüfstand verändert

Ein Radialflussmotor hat eine Welle, die an beiden Enden eines zylindrischen Gehäuses hervorsteht – die Prüfstandkopplung ist unkompliziert. Die Abtriebswelle eines Axialflussmotors kann aus einem sehr flachen Gehäuse nur auf einer Seite herausragen, oder im Doppelrotor / Einzelstator (TRSM) Konfigurationen kann die Welle eine ungewöhnlich kurze Lagerspannweite haben. Der Prüfstand muss Platz bieten:

• Kundenspezifische Adapterflansche: Axialflussgehäuse verwenden selten die Standard-IEC- oder NEMA-Fußmontage. Ein präzisionsgefertigter Glockengehäuseadapter, der zum Lochkreisdurchmesser und Zentrierzapfen des Motors passt, ist zwingend erforderlich. Fehlausrichtung von mehr als 0.05 mm TIR an der Kupplungsfläche führt zu parasitären Biegemomenten, die die Drehmomentmessung verfälschen.
• Axiales Lastmanagement: In Konfigurationen mit zwei Rotoren, Die Anziehungskraft zwischen Rotorscheiben und Stator kann den Nennschub des Motors um den Faktor drei oder mehr übersteigen. Der Prüftisch des Prüfstands muss in der Lage sein, dieser axialen Vorlast standzuhalten, ohne dass sich der Motor verschiebt, Dies würde den Luftspalt verändern und die Effizienzwerte verfälschen.
• Thermischer Zugang: Der Stator in TRSM-Bauweise wird beidseitig von rotierenden Scheibenrotoren umschlossen, Dies macht die Messung der Statorschlitztemperatur mittels Thermoelement äußerst schwierig. Bevorzugt werden faseroptische Sonden, die durch die Statorwicklungen geführt werden; alternativ, Die Messung des Wicklungswiderstands im thermischen Gleichgewicht liefert eine durchschnittliche Leitertemperatur.

Kerntestaufgaben

1. Back-EMF-Wellenform und harmonische Analyse

Axialflussmotoren mit konzentrierten Wicklungen weisen häufig eine Gegen-EMK-Wellenform auf, die eher trapezförmig als sinusförmig ist. Dies wirkt sich auf die Interaktion des Motors mit einem Sinuswechselrichter aus und muss vor der Steuerungsabstimmung charakterisiert werden. Der Prüfstand dreht den Motor ohne angelegte Last mit Nenndrehzahl; Die Leerlaufphasenspannungen werden mit einer Abtastrate von mindestens erfasst 50 kS/s. Oberwellenanteile bis zur 50. Ordnung werden gemeldet.

Schlüsselkennzahlen: THD der Gegen-EMK-Spannung im Leerlauf; Grundfrequenz; maximale Gegen-EMK von Leitung zu Leitung bei Nenngeschwindigkeit; Größe des Rastmoments und Winkelperiode aus derselben Spin-Down-Messung.

2. Effizienzkartierung (Geschwindigkeits-Drehmoment-Gitter)

Axialflussmotoren erreichen üblicherweise einen Spitzenwirkungsgrad oben 96%, Aber die schmale, hocheffiziente Insel kann an Betriebspunkten, die nicht der Auslegung entsprechen, schnell zusammenbrechen. Ein Mindestraster von 10 × 10 Drehzahl-Drehmoment-Punkte werden empfohlen, mit feinerer Auflösung (20 × 20) im Bereich des erwarteten WLTP / NEFZ-gewichtete Betriebspunkte. Die Eingangsleistung muss am DC-Bus gemessen werden; Allein die Phasenstrom- und Spannungsmessung übersieht die Schaltverluste des Wechselrichters.

Schlüsselkennzahlen: Höchste Systemeffizienz (Motor + Wechselrichter); Effizienz bei 50% Geschwindigkeit / 50% Drehmoment; gewichteter Wirkungsgrad pro WLTP-Zyklus.

3. Thermal Mapping unter Dauerlast

Die Wärmeableitung ist die Hauptbeschränkung des Axialflussmotors. Der Stator, eingeklemmt zwischen zwei rotierenden Scheiben, hat eine begrenzte konvektive Kühlung, es sei denn, aktive Flüssigkeitskühlkanäle sind in das Statorjoch eingebettet. Kontinuierliche Belastungstests bei 100% Nennleistung für 30 Es sind mindestens einige Minuten erforderlich, um etwaige thermische Hotspots zu identifizieren. Wenn der Motor einen Wassermantel verwendet, die Kühlmitteleintrittstemperatur, Durchflussmenge, und der Druck muss während des gesamten Testlaufs konstant gehalten werden.

4. NVH- und Strukturmodustests

Die dünne Scheibenstruktur eines Axialflussrotors ist bei bestimmten Drehzahl-Drehmoment-Kombinationen anfällig für akustische Resonanzen. Die Scheibe kann als Trommelfell dienen, Abstrahlung von Körperschall mit der doppelten elektrischen Grundfrequenz plus Oberwellen der Rotornut. Beschleunigungsmesser an den Motorgehäuseflanschen und eine Schallleistungsmessung in einer halbreflexionsarmen Umgebung sind Standard. Identifizieren Sie alle oben genannten Betriebspunkte 80 dB(A) bei 1 Ich bin früh dran, damit das Antriebssteuerungsteam die harmonische Injektion zur Abschwächung anwenden kann.

5. Risikobewertung der Entmagnetisierung (PM-Axialfluss)

Permanentmagnet-Axialflussrotoren (Z.B., TRSM) sind bei Kurzschlussfehlern anfällig für eine teilweise Entmagnetisierung, da die Magnettiefe in axialer Richtung durch die Kompaktscheibenkonstruktion begrenzt ist. Beim Testen wird ein kontrollierter negativer d-Achsen-Spitzenstromimpuls angelegt, der dem Zweifachen des Nennspitzenstroms für entspricht 100 ms und sofortige erneute Messung der Spitzenflussverknüpfung. Jede Reduzierung größer als 0.5% zeigt eine irreversible Entmagnetisierung an.

Anpassung eines vorhandenen Prüfstands für Axialflussarbeit

Die meisten Motorprüfstände können für Axialflussarbeiten nachgerüstet werden, ohne dass der Lastprüfstand oder die Leistungselektronik ausgetauscht werden müssen. Die wesentlichen Änderungen betreffen die mechanische Befestigung (kundenspezifischer Glockengehäuseadapter und axialer Halterahmen), die thermische Instrumentierung (faseroptische Sonden oder berührungsloses IR), und die Datenerfassungskonfiguration. Unser Ingenieurteam hat Axialflussprogramme unterstützt, die von reichen 10 kW E-Bike-Mittelmotoren 250 kW-Motorsport-Fahrmotoren. Kontaktieren Sie uns, um Ihre Bewerbung zu besprechen.