Test termico del motore: Aumento della temperatura, Isolamento degli avvolgimenti & Procedure di prova

A cura del team di ingegneri di EconoTest · Produttore di banchi prova, Shangai

Cos'è il test termico del motore?

Il test termico del motore misura la distribuzione della temperatura negli avvolgimenti di un motore, nucleo, cuscinetti, e telaio in condizioni di carico specificate. L'output primario è aumento della temperatura (ΔT) — la differenza tra il punto misurato più caldo e la temperatura ambiente durante la prova. Questo valore determina se il sistema di isolamento del motore funziona entro la classe termica nominale e prevede l'affidabilità a lungo termine.

Per i test di produzione di fine linea, un ciclo termico conferma che un'unità specifica è stata caricata correttamente e non presenta cortocircuiti parziali o difetti di raffreddamento. Per r&D e certificazione, un test completo di aumento della temperatura convalida il progetto rispetto a IEC 60034-1 o GB/T 755 limiti prima del lancio del prodotto.

Classi termiche e limiti di temperatura

CEI 60034-1 definisce le classi termiche in base alla temperatura calda massima consentita dell'isolamento dell'avvolgimento:

Classe Termica	Punto caldo massimo (° C.)	Aumento consentito a 40°C ambiente	Tipi di motori tipici
Classe A	105° C.	60 K (metodo di resistenza)	Bassa potenza, applicazioni non critiche
Classe B	130° C.	80 K	Motori industriali standard
Classe F	155° C.	105 K	Trazione elettrica, servo, Motori IE4/IE5
Classe H	180° C.	125 K	Ambienti ad alta temperatura, aerospaziale
Classe N (200)	200° C.	145 K	Motori speciali ad alta temperatura

Nota: I valori di aumento consentiti superiori presuppongono la misurazione con il metodo della resistenza allo stato stazionario con una temperatura ambiente di riferimento di 40°C.

Tre metodi per misurare la temperatura degli avvolgimenti

Metodo 1: Metodo di resistenza (Più accurato)

Misurare la resistenza CC di ciascun avvolgimento di fase prima del test (resistenza al freddo R₁ a T₁ ambiente) e immediatamente dopo il caricamento allo stato stazionario (resistenza al caldo R₂). Calcolare l'aumento della temperatura:

∆T = (R₂ − R₁) / R₁× (235 + T₁) − (T₂ − T₁)

Dove 235 è la costante del coefficiente di temperatura del rame (utilizzo 225 per avvolgimenti in alluminio), T₁ è la temperatura ambiente iniziale, e T₂ è la temperatura ambiente al termine della prova. Questo metodo fornisce la temperatura media dell'avvolgimento: lo standard richiede che la sequenza di prova avvenga all'interno 30 secondi di rimozione del carico per ridurre al minimo l'errore di raffreddamento.

Metodo 2: Sensori di temperatura incorporati (PT100 / Termistori NTC)

Termistori o rilevatori di temperatura a resistenza PT100 incorporati nelle fessure dell'avvolgimento durante la produzione forniscono letture continue della temperatura durante il test. Non possono raggiungere il vero hotspot (centro conduttore) ma si correlano bene quando calibrati. Richiesto per motori con cavi sensore accessibili secondo IEC 60034-1 Clausola 8.3.

Metodo 3: Mappatura della superficie della termocoppia

Termocoppie di tipo K fissate su superfici esterne (telaio, scudi terminali, alloggiamenti dei cuscinetti) identificare i gradienti termici e le carenze di raffreddamento. Questo metodo non fornisce la temperatura dei punti caldi dell'avvolgimento ma non è invasivo ed è utile per confrontare unità di produzione in serie o identificare guasti di raffreddamento asimmetrici.

Sequenza di test standard per i test di aumento della temperatura

Fare un passo 1 — Misurare la resistenza al freddo

Con il motore a temperatura ambiente nota T₁ (stabilizzato almeno 2 ore), misurare la resistenza CC di ciascuna fase utilizzando un cavo a 4 fili (Kelvin) misurazione. Registrare la temperatura ambiente immediatamente prima della misurazione. Per motori trifase, misurare tutte e tre le coppie di fase e fare la media.

Fare un passo 2 — Eseguire lo stato di stabilità termica

Applicare il carico nominale utilizzando un dinamometro impostato sulla coppia e sulla velocità nominali. Monitorare la temperatura dell'avvolgimento (tramite sensori incorporati) o temperatura superficiale (tramite termocoppie). Lo stato stazionario termico è definito come inferiore a 1 Variazione K all'ora. Tempo tipico per raggiungere lo stato stazionario: 60–180 minuti per i piccoli motori (<10 KW), 3–8 ore per macchine di grandi dimensioni (>100 KW).

Fare un passo 3 — Rimuovere il carico e misurare la resistenza al caldo

Rimuovere il carico contemporaneamente alla rimozione dell'alimentazione. Misurare la resistenza al caldo R₂ il più rapidamente possibile, all'interno 30 secondi per i motori sotto 50 KW. Registrare la temperatura ambiente T₂ nello stesso istante. Calcolare ΔT utilizzando la formula di resistenza sopra. Confrontare con il limite di classe termica del sistema di isolamento dichiarato.

Fare un passo 4 — Controllo della temperatura dei cuscinetti

La temperatura del cuscinetto viene misurata separatamente. CEI 60034-1 limita l'aumento della temperatura del cuscinetto 50 K per cuscinetti a strisciamento e 60 K per cuscinetti volventi al di sopra della temperatura ambiente, indipendentemente dalla classe termica del motore. I guasti in questo caso indicano una lubrificazione inadeguata, problemi di precarico dei cuscinetti, o disallineamento, non problemi di isolamento.

Test termici per motori di trazione EV: Requisiti aggiuntivi

I motori di trazione dei veicoli elettrici affrontano profili di potenza di impulso che i test termici industriali standard non catturano. Requisiti aggiuntivi chiave:

• Test termico della coppia di picco: applicare 3 volte la coppia nominale per 30-60 secondi e verificare che l'hotspot non superi i limiti di Classe H durante il transitorio
• Calore di frenata rigenerativa: il dinamometro a quattro quadranti simula i cicli di recupero; misurare la temperatura dell'avvolgimento durante la guida combinata e la generazione
• Test termico del ciclo di guida: riprodurre il ciclo di guida WLTP o CLTC sul banco di prova e monitorare l'accumulo di calore cumulativo nell'arco di 30-60 minuti
• Convalida del sistema di raffreddamento: misurare il delta-T di ingresso/uscita del liquido refrigerante per verificare la capacità del circuito di raffreddamento del liquido alla potenza nominale

Requisiti del banco di prova per i test termici

Non tutti i dinamometri sono adatti per le prove termiche. I requisiti chiave sono:

• Indice di carico continuo: il dinamometro deve sostenere 100% coppia nominale per almeno 3 volte la costante di tempo termica del motore, in genere 2-6 ore. I freni a correnti parassite con prestazioni di servizio intermittenti non sono adatti; i dinamometri a corrente parassita o CA raffreddati ad acqua sono la scelta standard
• Condizioni ambientali stabili: la temperatura ambiente deve rimanere entro ±1 K durante il test. Se la tua sala prove presenta fluttuazioni HVAC, è necessaria una camera termica controllata
• 4-canale di misurazione della resistenza del filo: il sistema di acquisizione dati deve supportare la misurazione della resistenza Kelvin con risoluzione mΩ con il motore in prova diseccitato
• Registrazione dati a ≥1 Hz: canali di temperatura (ambientale, superficie, cuscinetto) devono essere registrati continuamente per documentare la curva temperatura-tempo richiesta per i rapporti di certificazione

I dinamometri CA EconoTest e le unità a correnti parassite raffreddate ad acqua sono classificati per 100% servizio continuo. Per le specifiche del banco di prova termico, vedi il nostro modulo di richiesta di ingegneria.

Domande frequenti

Qual è la differenza tra aumento di temperatura e temperatura assoluta nei test sui motori?

Aumento della temperatura (ΔT) è l'aumento rispetto alla temperatura ambiente, misurato in Kelvin (K). La temperatura assoluta è il valore effettivo misurato in gradi Celsius (° C.). CEI 60034-1 i limiti sono espressi come aumento della temperatura perché le condizioni ambientali variano in base al luogo di prova: un motore che funziona a 125°C in una stanza a 40°C ha un 85 Aumento K, mentre lo stesso motore a 125°C in una stanza a 20°C ha a 105 Aumento K. Lo standard confronta ΔT, temperatura non assoluta, per garantire un confronto equo tra le diverse strutture.

Quanto dura un test di aumento della temperatura?

La maggior parte dei motori sotto 30 i kW raggiungono lo stato stazionario termico in 60–120 minuti. I motori tra 30 e 200 kW richiedono in genere 2-4 ore. Grandi macchine sopra 200 kW possono richiedere 6-10 ore. La prova non può essere abbreviata; fermarsi prima dello stato stazionario produce un ottimismo (non conservatore) risultato che non riflette le condizioni di funzionamento in servizio continuo.

È possibile eseguire il test termico senza un dinamometro?

Per motori che possono essere testati con il metodo di ingresso equivalente (funzionante sotto carico da un alimentatore calibrato), non è strettamente necessario un dinamometro. Tuttavia, questo metodo si applica solo a tipi di motore e sequenze di test specifici. Per tutti i veicoli elettrici, servo, e motori a velocità variabile, per produrre dati termici significativi è necessario un dinamometro che replichi i profili di coppia e velocità di carico effettivi.

Che cosa fa sì che un motore non superi un test di aumento della temperatura?

Le cause più comuni sono: passo dell'avvolgimento o sezione trasversale del rame inadeguati (questione di progettazione), cortocircuiti tra le spire dovuti a difetti del processo di avvolgimento (questione di produzione), flusso d'aria di raffreddamento bloccato o ridotto (questione dell'assemblaggio), ed etichettatura errata della classe termica (mancata corrispondenza delle specifiche). Quando un motore si guasta, i dati di misurazione della resistenza individuano quale fase ha l'hotspot, che aiuta a isolare la causa principale.

Sono richiesti test termici per ogni motore di produzione?

Test completi di aumento della temperatura secondo IEC 60034-1 vengono generalmente eseguiti su campioni di qualificazione del progetto (primi articoli) e campioni di prova periodica di tipo, non tutte le unità produttive. I test di fine linea di produzione utilizzano controlli proxy più rapidi: corrente a vuoto, equilibrio della resistenza degli avvolgimenti, e resistenza dielettrica, che rilevano i difetti di fabbricazione senza l'investimento di tempo di un ciclo termico completo.