Banco de teste de motor de fluxo axial: Testando motores panqueca para trens de força EV e aeroespacial

Motores de fluxo axial estão entrando em produção – testes devem ser seguidos

Os motores de fluxo axial passaram de curiosidades aeroespaciais para componentes EV convencionais mais rápido do que a maioria dos engenheiros previa. O SF90 Stradale da Ferrari usa um motor de fluxo axial derivado de YASA para sua unidade traseira híbrida. Mercedes-Benz adquiriu a YASA em 2021 para garantir a tecnologia para sua linha AMG. Emrax e Magnax fornecem unidades para aeronaves, corrida, e OEMs de propulsão naval. Turntide e Saietta atendem aos mercados de veículos comerciais e de duas rodas, respectivamente.

A característica comum é uma geometria de panqueca: os discos do rotor e do estator são dispostos face a face, separados por um pequeno entreferro axial. Valores de densidade de potência de 5–10 kW/kg no pico são demonstrados rotineiramente, aproximadamente o dobro do que uma máquina de fluxo radial comparável consegue. Mas o engenheiro de bancada de testes enfrenta vários desafios que não têm equivalente nos testes de motores convencionais.

Por que o formato muda tudo na bancada de testes

Um motor de fluxo radial tem um eixo que se projeta de ambas as extremidades de uma carcaça cilíndrica – o acoplamento da bancada de testes é simples. O eixo de saída de um motor de fluxo axial pode sobressair apenas de um lado de uma carcaça muito plana, ou em rotor duplo / estator único (TRSM) configurações, o eixo pode ter uma extensão de rolamento excepcionalmente curta. A bancada de testes deve acomodar:

• Flanges de adaptador personalizados: Carcaças de fluxo axial raramente usam montagem em pés padrão IEC ou NEMA. É obrigatório um adaptador de alojamento de sino usinado com precisão que corresponda ao diâmetro do círculo do parafuso do motor e à torneira de centralização. Desalinhamento de mais de 0.05 mm TIR na face do acoplamento introduzirá momentos de flexão parasitas que distorcem a medição de torque.
• Gerenciamento de carga axial: Em configurações de rotor duplo, a força atrativa entre os discos do rotor e o estator pode exceder o empuxo nominal do próprio motor por um fator de três ou mais. A mesa de teste da bancada deve ser capaz de resistir a esta pré-carga axial sem permitir que o motor se desloque., o que alteraria o entreferro e corromperia as leituras de eficiência.
• Acesso térmico: O estator em um projeto TRSM é fechado em ambas as faces por rotores de disco giratórios, tornando a medição da temperatura da ranhura do estator por termopar extremamente difícil. Sondas de fibra óptica roteadas através dos enrolamentos do estator são preferidas; alternativamente, a medição da resistência do enrolamento em equilíbrio térmico fornece uma temperatura média do condutor.

Itens principais de teste

1. Forma de onda Back-EMF e análise harmônica

Motores de fluxo axial com enrolamentos concentrados geralmente exibem uma forma de onda de contra-EMF que é mais trapezoidal do que senoidal. Isto afeta a forma como o motor interage com um inversor de onda senoidal e deve ser caracterizado antes do ajuste do controle.. A bancada de testes gira o motor na velocidade nominal sem carga aplicada; as tensões de fase de circuito aberto são registradas a uma taxa de amostragem de pelo menos 50 kS/s. O conteúdo harmônico até a 50ª ordem é relatado.

Métricas principais: THD da tensão back-EMF de circuito aberto; frequência fundamental; back-EMF linha a linha de pico na velocidade nominal; magnitude do torque de engrenagem e período angular da mesma medição de spin-down.

2. Mapeamento de Eficiência (Grade de velocidade-torque)

Os motores de fluxo axial geralmente atingem eficiência máxima acima 96%, mas a ilha estreita de alta eficiência pode entrar em colapso rapidamente em pontos operacionais fora do projeto. Uma grade mínima de 10 × 10 pontos de velocidade-torque são recomendados, com resolução mais fina (20 × 20) na região do WLTP esperado / Pontos operacionais ponderados NEDC. A potência de entrada deve ser medida no barramento CC; A medição de corrente e tensão de fase por si só perde perdas de comutação do inversor.

Métricas principais: Eficiência máxima do sistema (motor + inversor); eficiência em 50% velocidade / 50% torque; eficiência ponderada por ciclo WLTP.

3. Mapeamento térmico sob carga contínua

A dissipação de calor é a principal restrição do motor de fluxo axial. O estator, imprensado entre dois discos giratórios, tem resfriamento convectivo limitado, a menos que canais ativos de resfriamento líquido estejam incorporados na forquilha do estator. Testes de carga contínuos em 100% potência nominal para 30 minutos mínimos são necessários para identificar quaisquer pontos quentes térmicos. Se o motor usar uma camisa de água, a temperatura de entrada do refrigerante, taxa de fluxo, e a pressão deve ser mantida constante durante todo o teste.

4. Teste de NVH e Modo Estrutural

A estrutura de disco fino de um rotor de fluxo axial é suscetível a ressonâncias acústicas em combinações específicas de velocidade-torque. O disco pode funcionar como uma pele de bateria, irradiando som transmitido pela estrutura com o dobro da frequência fundamental elétrica mais harmônicos nas ranhuras do rotor. Acelerômetros nos flanges da carcaça do motor e medição de potência sonora em ambiente semianecoico são padrão. Identifique quaisquer pontos operacionais acima 80 dB(UM) no 1 m cedo para que a equipe de controle de acionamento possa aplicar injeção harmônica para mitigar.

5. Avaliação de risco de desmagnetização (Fluxo Axial PM)

Rotores de fluxo axial de ímã permanente (por exemplo, TRSM) são vulneráveis ​​à desmagnetização parcial sob condições de falha de curto-circuito porque a profundidade do ímã na direção axial é limitada pelo design do disco compacto. O teste envolve a aplicação de um pulso de corrente de pico negativo controlado no eixo d igual a 2× a corrente de pico nominal para 100 ms e ​​imediatamente medindo novamente a ligação do fluxo de pico. Qualquer redução superior a 0.5% indica desmagnetização irreversível.

Adaptando uma bancada de testes existente para trabalho de fluxo axial

A maioria das bancadas de teste de motores pode ser adaptada para trabalho de fluxo axial sem substituir o dinamômetro de carga ou a eletrônica de potência. As principais modificações envolvem a fixação mecânica (adaptador de caixa de sino personalizado e estrutura de retenção axial), a instrumentação térmica (sondas de fibra óptica ou IR sem contato), e a configuração de aquisição de dados. Nossa equipe de engenharia tem apoiado programas de fluxo axial que vão desde 10 kW e-bike mid-drives para 250 motores de tração kW para automobilismo. Entre em contato para discutir sua aplicação.