Испытание электрического турбокомпрессора и двигателя с электронным усилителем: Сверхвысокоскоростная проверка электрифицированных повышающих систем напряжением 48 В и высокого напряжения

Почему электрифицированное наддув меняет тестирование двигателей

Электрические турбокомпрессоры и электронные усилители являются одними из наиболее требовательных применений двигателей в автомобилестроении.. Они должны разогнать несущие винты с места до 100 000–200 000 об/мин за менее чем 100 000 об/мин. 300 миллисекунды, выдерживают температуру на стороне выхлопа, превышающую 900°C в непосредственной близости, и пережить десятилетия циклической усталости без доступа для обслуживания. Стандартных протоколов испытаний двигателей, разработанных для тяговых приводов, работающих со скоростью 5 000–20 000 об/мин, недостаточно.. Специализированные высокоскоростные испытательные стенды со специальной опорой подшипников., аэродинамические погрузочные приспособления, и сбор данных микросекундного класса необходимы для квалификации этих компонентов, прежде чем они пойдут в серийное производство..

Стремление к созданию мягких гибридных архитектур на 48 В и полностью гибридных силовых агрегатов на 400–800 В ускорило внедрение электрического усилителя в легковых автомобилях., коммерческие автомобили, и внедорожная техника. Электронные усилители устраняют турболаг на низких оборотах двигателя., в то время как турбокомпрессоры с электроприводом восстанавливают энтальпию выхлопных газов для приведения в действие генератора и одновременно предварительно раскручивают колесо компрессора.. Обе конфигурации предъявляют экстремальные электрические и механические требования к встроенному двигателю BLDC или PMSM — требования, которые невозможно проверить на обычных испытательных стендах для двигателей..

Анатомия двигателя E-Turbo и E-Booster

• Конструкция ротора: Гильзы из высококачественного углеродного волокна или титана удерживают редкоземельные магниты против центробежных нагрузок при 200,000 об/мин. Допуск на дисбаланс ротора измеряется в микрограммах·миллиметрах..
• Подшипниковая система: В большинстве электронных усилителей используются фольгированные воздушные подшипники или гибридные керамические шарикоподшипники.; В электронных турбинах часто используются масляные подшипники с плавающими кольцами, общие с валом турбокомпрессора.. Каждый тип подшипника имеет различные механизмы потерь и требования к испытаниям..
• Топология двигателя: Поверхностные СДПМ с сосредоточенными обмотками доминируют по компактности и эффективности на номинальной скорости.. Отказоустойчивые 6-фазные обмотки обеспечивают резервирование в авиационных конструкциях..
• Термальная среда: Температура горячих точек обмотки должна оставаться ниже 200°C, в то время как соседний корпус турбины работает при температуре 800–950°C.. Теплозащитные покрытия и каналы активного теплоносителя являются конструктивными особенностями, проверенными на испытательном стенде..
• Интеграция силовой электроники: Инвертор часто поставляется в комплекте с двигателем., требующие одновременных электрических и тепловых испытаний системы привода.

Основные тестовые задания

1. Максимальная скорость и устойчивость к превышению скорости

Испытательный стенд должен раскрутить узел ротора до номинальной максимальной скорости — обычно 100 000–200 000 об/мин для электронных усилителей — а затем применить определенный запас по превышению скорости., обычно +10–15 % в зависимости от спецификации OEM, на период удержания 30–60 секунд. Рост ротора и любой контакт с сепаратором подшипника контролируются датчиками осевого и радиального смещения..

Ключевые показатели: Максимальная непрерывная скорость, запас выживания при превышении скорости, осевой рост ротора при пиковой температуре, Повышение температуры подшипника в зависимости от скорости.

2. Ускорение и переходный процесс

Электронные бустеры выбраны потому, что они реагируют менее 300 РС. Испытательный стенд измеряет время реакции на переход от нулевой скорости до 90% целевой скорости, пик тока при разгоне, и пульсации крутящего момента во время разгона. Предпочтительны регенеративные динамометры переменного тока, поскольку они могут применять программируемую кривую аэродинамической нагрузки, которая воспроизводит сопротивление колеса компрессора в каждой точке скорости..

Ключевые показатели: 0–90% скорости времени, пиковый пусковой ток, процент превышения скорости, Амплитуда пульсаций крутящего момента во время линейного изменения.

3. Картирование эффективности двигателя

Согласно МЭК 60034-2-1, потери разделяются на потери в меди, потери в стали, механическое трение, и случайная потеря нагрузки. На сверхвысокой скорости, Преобладают механическое трение от подшипников и парусность на поверхности ротора, часто составляющая 30–40% общих потерь на максимальной скорости.. Карты эффективности записываются по всему рабочему диапазону скорости и крутящего момента., включая точки частичной нагрузки, представляющие фактические циклы потребности в наддуве двигателя.

Ключевые показатели: Пиковая эффективность, эффективность в стандартных рабочих точках, отдельные доли компонентов потерь в процентах.

4. Термическая характеристика

Повышение температуры обмотки измеряется при постоянной номинальной нагрузке., с испытательным стендом, контролирующим расход охлаждающей жидкости и температуру на входе для воспроизведения тепловых граничных условий автомобиля.. Термическое сопротивление обмотки и охлаждающей жидкости извлекается и сравнивается с расчетными показателями.. Идентификация горячих точек с использованием распределенных термопар или оптоволоконных датчиков является стандартной для двигателей с электронным турбонаддувом из-за их закрытой геометрии..

Ключевые показатели: Температура горячей точки обмотки при номинальной нагрузке, термическое сопротивление обмотки-охлаждающей жидкости, время достижения теплового установившегося состояния, градиент температуры подшипника в диапазоне скоростей.

5. Балансировка ротора и характер вибрации

Iso 1940-1 Для роторов электронного бустера характерна марка G0,4 или выше.. Испытательный стенд измеряет спектры вибрации на всех заданных рабочих скоростях для выявления резонансов., критические точки пересечения, и частоты шума, создаваемого подшипником. Диаграммы Кэмпбелла отображают зависимость амплитуды вибрации от скорости., и любая резонансная частота в рабочем диапазоне помечается как требующая перепроектирования ротора..

Ключевые показатели: Остаточный дисбаланс в г·мм, амплитуда вибрации на критических скоростях, Минимальный уровень шума подшипника, дБ, Идентификация резонанса диаграммы Кэмпбелла.

6. Коммутация BLDC и взаимодействие инвертора

В 150,000 об/мин, основная электрическая частота достигает 5 000–15 000 Гц в зависимости от количества полюсов.. Испытательный стенд характеризует гармоники тока, скачки напряжения, вызванные переключением, и электромагнитные помехи, создаваемые комбинацией инвертора и двигателя.. Предварительные испытания на соответствие ЭМС проводятся в экранированных испытательных камерах согласно CISPR. 25 Требования к автомобильным электрическим системам.

Ключевые показатели: Текущий THD на фазу, dV/dt на клеммах двигателя, спектр излучаемых излучений, кондуктивные выбросы ниже 30 МГц.

7. Ресурсные и усталостные испытания

Репрезентативный рабочий цикл — обычно тысячи событий ускорения, имитирующих движение по городу и шоссе — воспроизводится в ускоренной форме.. Испытательный стенд регистрирует скорость ротора., температура обмотки, и постоянная вибрация подшипников. Виды отказов включают усталость подшипников., ухудшение изоляции обмотки из-за термоциклирования, и размагничивание постоянных магнитов из-за повторяющихся высокотемпературных отклонений..

Ключевые показатели: Общее количество часов работы до первого отказа, Тенденция сопротивления изоляции в течение срока службы, Изменение сигнатуры вибрации как индикатор раннего выхода из строя подшипника, степень размагничивания после термоциклирования.

Конфигурация испытательного стенда для приложений E-Turbo и E-Booster

Стандартные испытательные стенды для двигателей не могут обеспечить работу на сверхвысоких скоростях без специального оборудования.. Ключевые требования к стенду включают сверхжесткую опору шпинделя с радиальным биением субмикронного размера., аэродинамические нагрузочные турбины или программируемые блоки электрических нагрузок, откалиброванные в соответствии с реальными картами компрессора, сверхвысокоскоростные датчики крутящего момента, рассчитанные на 200,000 об/мин, и выборка данных с высокой пропускной способностью на 1 МГц или выше для регистрации переходных событий. Стенд должен соответствовать фактической системе подшипников испытуемого устройства, а не заменять стандартный подшипник., поскольку потери в подшипниках и тепловое поведение зависят от устройства.

Что это означает для выбора испытательного стенда

Инженеры, выбирающие решения для испытаний электронного турбонаддува или электронного усилителя, сталкиваются с узким кругом квалифицированных поставщиков.. Скамья должна быть рассчитана на определенный диапазон скоростей., уровень мощности, и тип подшипника устройства. Стандартные стенды для проверки двигателей редко бывают адекватными.. Кастомизация обычно распространяется на оснастку шпинделя., моделирование аэродинамической нагрузки, высокоскоростное измерение крутящего момента, и контроль тепловых граничных условий. Если ваша команда разрабатывает или аттестует электрический турбокомпрессор или двигатель с электронным усилителем, наша команда инженеров имеет опыт настройки высокоскоростных систем проверки для этих приложений.. Связаться с нами чтобы обсудить вашу конкретную скорость, нагрузка, и требования к испытательному циклу.