Prüfstand für Servomotoren: 8 Leistungstests, die jeder Ingenieur durchführen muss

Warum das Testen von Servomotoren nicht übersprungen werden kann

Ein Servomotor, der die werksseitigen Stichprobenprüfungen besteht, kann vor Ort dennoch ausfallen – da Stichprobenprüfungen selten den gesamten Betriebsbereich abbilden. Ein geeigneter Servomotor-Prüfstand lässt den Motor jeden Lastpunkt durchlaufen, jedes thermische Regime, und jeden Grenzfall, bevor er jemals die Maschine eines Kunden erreicht.

Dieser Leitfaden behandelt die 8 Leistungstests, die ein Prüfstand für serienmäßige Servomotoren durchführen muss, die Instrumente hinter jedem Test, und was Ihnen die Daten sagen. Der Testablauf folgt dem chinesischen Nationalstandard Gb/t 30549 (Allgemeine technische Bedingungen für permanenterregte AC-Servomotoren), auf das jetzt Beschaffungsteams in Europa verweisen, Südostasien, und die GUS-Region als Basis.

Was ist ein Servomotorprüfstand??

Ein Servomotor-Prüfstand ist ein integriertes System, das den zu prüfenden Motor koppelt (MUT) über einen Präzisions-Drehmoment-Drehzahl-Sensor an einen Lastprüfstand übertragen. Der Prüfstand kontrolliert die Belastung, erfasst gleichzeitig elektrische und mechanische Daten, und erstellt standardisierte Prüfberichte.

Ein produktionstaugliches System besteht typischerweise aus:

• Belastungsprüfstand — AC-Servomotor fungiert als steuerbare Last (absorbiert oder treibt Drehmoment an)
• Drehmoment-Geschwindigkeitssensor — Inline-Wellenmontage, Genauigkeit ±0,1 % bis ±0,5 % FS
• Leistungsanalysator — misst die 3-Phasen-Spannung, aktuell, Leistungsfaktor, Harmonische
• SPS-Schaltschrank — automatisiert Lastprofile und Sicherheitsverriegelungen
• Industrie-PC + Software — Datenerfassung in Echtzeit, Kurvengenerierung, Berichtsexport
• Sicherheitsschutz — obligatorisches Gehäuse für Hochgeschwindigkeitswellenrotation

Zu den optionalen Instrumenten für erweiterte Tests gehört ein dynamischer Signalanalysator (für NVH), ein LCR-Messgerät (Wicklungswiderstand), ein Gleichstrom-Widerstandsmessgerät, ein Signalgenerator, und einen Temperaturdatenlogger.

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Systemschema, das den MUT zeigt, der über einen Drehmomentsensor mit dem Lastprüfstand verbunden ist, mit Leistungsanalysator auf der elektrischen Eingangsseite

Der 8 Grundlegende Leistungstests für Servomotoren

Prüfen 1 — Belastungscharakteristiktest

Der Lastcharakteristiktest ist das Rückgrat der Servomotorvalidierung. Der Prüfstand durchläuft automatisch die voreingestellten Lastpunkte (Drehmomentgesteuerter Modus), Aufnahme an jedem Punkt:

• Eingangsspannung, aktuell, Leistung, Leistungsfaktor
• Ausgangsdrehmoment und -geschwindigkeit
• Eingangs- und Ausgangsleistung
• Effizienz
• Temperatur an vordefinierten Messpunkten
• Oberschwingungsgehalt von Spannung und Strom

Das Ergebnis ist ein umfassendes Leistungsdiagramm über den gesamten Nennbetriebsbereich des Motors. Die Testsoftware zeichnet jede Parameterkombination auf der X-Y-Achse auf und exportiert Datentabellen zur weiteren Analyse.

Schlüsselinstrumente: Belastungsprüfstand, Drehmoment-Geschwindigkeitssensor, Power Analyzer, Datenlogger

Prüfen 2 — Leerlauftest

Bei ausgeschaltetem Lastprüfstand, Der MUT läuft mit Nennspannung und Nenndrehzahl. Die Testmaße:

• Leerlaufstrom (Eisenverlustindikator)
• Genauigkeit der Leerlaufgeschwindigkeit
• Stromverbrauch im Leerlauf

Ein erhöhter Leerlaufstrom weist typischerweise auf Kernblechfehler oder eine Entmagnetisierung von Permanentmagneten hin – Probleme, die bei einer statischen Inspektion nicht sichtbar sind.

Schlüsselinstrumente: Drehmoment-Geschwindigkeitssensor, Power Analyzer

Prüfen 3 — Blockierter Rotor (Stall) Prüfen

Der Lastprüfstand wendet ein zunehmendes Drehmoment an, bis der MUT eine Drehzahl nahe Null erreicht (Stallzustand). Der Prüfstand erfasst gleichzeitig Stillstandsmoment und Stillstandsstrom. Das Design der Vorrichtung ist von entscheidender Bedeutung: Sowohl MUT als auch Lastmaschine müssen auf einem Gleitschienensystem montiert sein, um eine Ausrichtung der Wellenausrichtung unter Last zu ermöglichen.

Das Stillstandsdrehmoment ist ein Schlüsselparameter für Anwendungen, die ein hohes Anlaufdrehmoment erfordern – Robotergelenke, Pressenzuführungen, Spritzgießachsen.

Schlüsselinstrumente: Belastungsprüfstand, Drehmoment-Geschwindigkeitssensor, Power Analyzer

Prüfen 4 — T-N-Kennlinie

Die Drehmomentgeschwindigkeit (T-N) Die Kurve definiert den Betriebsbereich des Motors. Der Prüfstand durchläuft die Geschwindigkeit von Null bis zum Maximum und zeichnet dabei das Ausgangsdrehmoment an jedem Punkt auf, Erzeugen der Kennlinie, die die Dauerbetriebszone von der intermittierenden Spitzenzone unterscheidet.

Eine richtig geformte T-N-Kurve zeigt:

• Flaches Drehmoment von der Drehzahl Null bis zur Grunddrehzahl (Bereich mit konstantem Drehmoment)
• Feldschwächbereich oberhalb der Grundgeschwindigkeit (Konstantleistungsbereich)
• Spitzendrehmomentfähigkeit (typischerweise 2–3× Nenndrehmoment für 10–30 Sekunden)

Schlüsselinstrumente: Belastungsprüfstand, Drehmoment-Geschwindigkeitssensor, Power Analyzer

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Beispiel für ein T-N-Kurvendiagramm, das eine kontinuierliche Zone zeigt, Spitzenzone, und Feldschwächungsbereich

Prüfen 5 — Effizienz-MAP

Die Effizienz-MAP (wird auch als Effizienzwolkenkarte oder Konturkarte bezeichnet) ist mittlerweile eine Pflichtlieferung für Servomotoren, die in der Robotik eingesetzt werden, EV-Hilfsantriebe, und Präzisionsmaschinen. Der Prüfstand durchläuft ein Raster von Drehmoment-Drehzahl-Betriebspunkten, Messung der Effizienz bei jedem:

• Geschwindigkeitsbereich: 0 auf maximale Nenngeschwindigkeit
• Drehmomentbereich: 0 auf Nenndrehmoment (Einige Tests erstrecken sich auf das Spitzendrehmoment)
• Rasterauflösung: typischerweise 10×10 bis 20×20 Punkte

Das Ergebnis ist ein 2D-Konturdiagramm, das Effizienzinseln zeigt – die hocheffizienten Betriebszonen, in denen Systementwickler normale Betriebsbedingungen anstreben sollten. Für einen gut konzipierten Servomotor, Der Spitzenwirkungsgrad liegt in der Nähe des Nennbetriebspunkts typischerweise über 90–95 %.

Schlüsselinstrumente: Belastungsprüfstand, Drehmoment-Geschwindigkeitssensor, Power Analyzer

Prüfen 6 — Arbeitsbereichsvalidierung

Tests in der Arbeitszone bestätigen, dass der Motor innerhalb der thermischen Grenzen sowohl Dauer- als auch Spitzenbetriebsbedingungen aushalten kann. Der Prüfstand hält den Motor über einen längeren Zeitraum bei Nennlast (typischerweise 30–60 Minuten pro GB/T 30549), Überwachung:

• Anstieg der Wicklungstemperatur (darf die Grenzwerte der Isolationsklasse nicht überschreiten)
• Lagertemperatur
• Gehäusetemperatur
• Effizienzstabilität im Laufe der Zeit

Ein Motor, der die Kurzzeittests besteht, kann aufgrund einer unzureichenden Kühlkonstruktion dennoch nicht im Dauerbetrieb laufen.

Prüfen 7 — Temperaturanstiegstest

Getrennt von der Arbeitsbereichsvalidierung, Der spezielle Temperaturanstiegstest verwendet einen Mehrkanal-Datenlogger mit Thermoelementen, die an den Wicklungsendwindungen angebracht sind, Lager (DE und NTE), und Wohnen. Der Test läuft, bis das thermische Gleichgewicht erreicht ist (Temperaturänderung <2°C pro Stunde).

Temperaturanstiegsgrenzen nach Isolationsklasse:

Isolationsklasse	Maximaler Temperaturanstieg (K)	Maximale absolute Temperatur (° C)
Klasse B	80 K	130° C
Klasse F	105 K	155° C
Klasse H	125 K	180° C

Schlüsselinstrumente: Mehrkanal-Datenlogger, Thermoelemente, Power Analyzer

Prüfen 8 — Rastmomentmessung

Das Rastmoment – ​​die periodische Drehmomentschwankung, die durch die Wechselwirkung zwischen Permanentmagneten und Statornuten verursacht wird – ist ein entscheidender Qualitätsparameter für Servomotoren, die bei der Präzisionspositionierung eingesetzt werden. Schon ein kleines Rastmoment führt bei niedrigen Drehzahlen zu Drehzahlschwankungen, Verschlechterung der Positionierungsgenauigkeit.

Der Prüfstand nutzt einen hochauflösenden dynamischen Drehmomentsensor (kistler oder gleichwertig, Auflösung zu 0.01 N·m) kombiniert mit einem hochpräzisen Winkelencoder, um Drehmomentschwankungen über einen vollständigen elektrischen Zyklus abzubilden. Das System ist vertikal montiert, um Auswirkungen des Rotorgewichts auf die Messung zu vermeiden.

Das Rastmoment wird normalerweise als Prozentsatz des Nenndrehmoments ausgedrückt. Akzeptanzkriterien für Präzisionsservomotoren: <0.5% Zu <2% je nach Anwendungsanforderungen.

Schlüsselinstrumente: Dynamischer Drehmomentsensor (mN·m-Auflösung), Winkelgeber, Dynamischer Signalanalysator

Beispiel für die Konfiguration eines Servomotor-Prüfstandsystems

Nachfolgend finden Sie eine repräsentative Konfiguration für a 7.5 kW-Servomotor-Prüfstand, der alles abdeckt 8 Tests oben:

Komponente	Spezifikation	Zweck
Dynamometer laden	AC-Servo, 15 kW, 0–6000 U/min	Kontrollierbare Belastung / Energierückgewinnung
Drehmoment-Geschwindigkeitssensor	0–50 N·m, ±0,1 % FS, 10000 U/min	Drehmoment und Drehzahl der Welle
Leistungsanalysator	4-Kanal, 600V / 20A, 0.05% Genauigkeit	Elektrische Eingangsmessung
Dynamischer Signalanalysator	16-Kanal, 24-bisschen, 51.2 kS/s	NVH / Schwingungsanalyse
LCR-Messgerät	20 Hz – 1 MHz-Bereich	Wicklungsimpedanz
Datenlogger	16-Kanal-Thermoelementeingang	Temperaturkartierung
Industrie-PC	Intel Core i7, 16 GB RAM, 1 TB-SSD	Testsoftware, Datenspeicherung
Testsoftware	Automatische Lastprofile, Berichterstellung	Gb/t 30549 konforme Berichte

Software: Von Rohdaten bis hin zu zertifizierten Testberichten

Moderne Servomotor-Testsoftware leistet mehr als nur das Sammeln von Daten. Ein gut durchdachtes System sorgt dafür:

• Automatische Lastprofilausführung — vorprogrammierte Testsequenzen mit Pass/Fail-Kriterien
• Kurvendarstellung in Echtzeit — T-N-Kurve, Effizienz-MAP, Temperaturanstiegskurven
• Harmonische Analyse — FFT von Spannungs- und Stromwellenformen
• Export von Berichten in mehreren Formaten — PDF, Excel, CSV für Qualitätsaufzeichnungen
• Standardkonformitätsprüfung — automatischer Vergleich mit GB/T 30549, IEC 60034

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Screenshot der Testsoftware mit Effizienz-MAP-Konturdiagramm und Datentabelle

Häufig gestellte Fragen

Was ist der Unterschied zwischen einem Servomotorprüfstand und einem normalen Motorprüfstand??

Ein Servomotorenprüfstand ist auf die spezifischen Eigenschaften von Closed-Loop-Servomotoren optimiert: Vier-Quadranten-Betrieb (Fahren und Regenerieren in beide Richtungen), dynamische Hochgeschwindigkeitsbelastung, und Rastmoment-Messmöglichkeit. Ein allgemeiner Motorprüfstand deckt in der Regel nur Einquadranten-Lasteigenschaften ab und verfügt nicht über die Hardware zur dynamischen Signalanalyse, die für NVH- und Rastmomenttests von Servomotoren erforderlich ist.

Wie lange dauert ein vollständiger Servomotor-Testzyklus??

Ein vollständiger 8-Testzyklus an einem 7,5–15-kW-Servomotor dauert normalerweise 4–8 Stunden pro Motor. Allein der Temperaturanstiegstest benötigt 60–120 Minuten, um das thermische Gleichgewicht zu erreichen. Automatisierte Prüfstände können über Nacht mit minimaler Bedieneraufsicht betrieben werden.

Welche Genauigkeit des Drehmomentsensors ist für die Prüfung von Servomotoren erforderlich??

Allgemeine Leistungstests (Belastungskennlinie, T-N-Kurve, Effizienz-MAP) erfordern eine Drehmomentsensorgenauigkeit von ±0,1 % bis ±0,5 % FS. Für die Messung des Rastmoments ist ein dynamischer Sensor mit einer Auflösung von bis zu erforderlich 0.01 N·m oder besser – Standard-Wellendrehmomentsensoren reichen für diesen Test nicht aus.

Kann ein Prüfstand mehrere Servomotorgrößen abdecken??

Ja, mit der richtigen Vorrichtungskonstruktion. Ein modularer Prüfstand kann Motoren von aufnehmen 0.5 kW zu 50+ kW durch Austausch des Kupplungsadapters und Anpassung der Parameter des Lastprüfstands. Der Bereich des Drehmoment-Drehzahl-Sensors ist in der Regel die verbindliche Einschränkung – er muss für den größten Motor dimensioniert sein und gleichzeitig die Genauigkeit für den kleinsten Motor beibehalten.

Welche nationalen Normen gelten für die Prüfung von Servomotoren??

Der primäre chinesische Standard ist GB/T 30549-2014 (Permanentmagnet-AC-Servomotoren – Allgemeine technische Bedingungen). Zu den internationalen Äquivalenten gehört IEC 60034-1 (Allgemeine rotierende Maschinen) und IEC 60034-30-1 (Effizienzklassen). Viele Exportmärkte akzeptieren mittlerweile neben der IEC-Dokumentation auch GB/T-Testberichte.

Benötigt der Prüfstand eine Energierückgewinnung??

Für Motoren oben 7.5 kW, eine Energierückkopplungseinheit (AFE – Aktives Frontend) wird dringend empfohlen. Es regeneriert absorbierte Energie zurück ins Netz, anstatt sie als Wärme abzugeben, Dadurch werden die Betriebskosten für großvolumige Produktionstests erheblich gesenkt. Für Motoren unten 3 kW, Widerstandslast ist akzeptabel.

Abschluss

Ein kompletter Prüfstand für Servomotoren ist kein einzelnes Instrument, sondern ein kalibriertes mechanisches System, elektrisch, und Softwarekomponenten, die zusammenarbeiten, um alle Betriebsbedingungen zu reproduzieren und zu dokumentieren, denen der Motor im Betrieb ausgesetzt sein wird. Der 8 Die oben beschriebenen Tests bilden die Grundlage jedes GB/T 30549-konformen Validierungsprogramms.

EconoTest entwickelt und liefert Prüfstände für Servomotoren von 0.5 kW zu 500 kW, deckt alle in diesem Handbuch beschriebenen Tests ab. Unsere Systeme der SFT-Serie werden komplett mit kalibrierten Sensoren geliefert, Testsoftware, und vollständige Dokumentation.

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