Mittwoch, 22. Januar 2025 · 0 min read
Test und Validierung kleiner Elektromotoren mit einem effizienten Prüfstandsdesign
LOGICDATA hat sich zum Ziel gesetzt, die Prüfung und Validierung kleiner Elektromotoren durch ein flexibles, effizientes Prüfstandsdesign zu verbessern. Die Komplexität der Komponenten von Elektromotoren erfordert eine präzise Datenerfassung, die bei herkömmlichen Aufbauten zeitaufwändig und fehleranfällig ist. Der fortschrittliche Prüfstand optimiert die Antriebsprüfung, minimiert die Rüstzeiten und verbessert die Datengenauigkeit. Das Unternehmen nutzte die Motoranalyse-Funktion der DewesoftX-Software, um den Wirkungsgrad des Motors zu messen und so das Design und die Produktion zu optimieren.
Bei der Entwicklung unseres Prüfstands standen wir vor der besonderen Herausforderung, mehrere Antriebskomponenten effizient zu handhaben,
sagt Andreas Pichler, der für die Entwicklung des Prüfstands verantwortliche Mechanik-Experte.
Unser Ziel war es, einen Aufbau zu entwickeln, die einen einfachen und schnellen Austausch dieser Komponenten ermöglicht. Dies würde uns helfen, mit minimalen Stillstandszeiten zu testen und die für unseren Entwicklungsprozess erforderliche Flexibilität und Geschwindigkeit zu gewährleisten
LOGICDATA ist seit über zwei Jahrzehnten führend in der Entwicklung fortschrittlicher mechatronischer und elektronischer Komponenten für verstellbare Möbel. In diesem Fall mussten Andreas Pichler und die Techniker des Unternehmens Gleichstrommotoren testen: Inline-Aktoren mit integrierten Steuerungen.
Im Allgemeinen besteht ein Gleichstrommotor aus drei Hauptkomponenten:
dem Rotor, bestehend aus Kupfer- oder Motorwicklungen,
dem stationären Teil oder Stator, der einen Satz von Magneten umfasst, und
dem Kommutator, der das Drehmoment gleichmäßig auf den Rotor verteilt.
Das finale Design des Gleichstrommotors sollte das definierte Drehmoment und die definierte Leistung bei hohem Wirkungsgrad und effektivem Wärmemanagement liefern. Aufgrund der Komplexität der in einem Elektromotor verbauten Komponenten ist die Testphase ein wesentlicher Schritt zur Validierung der Auslegungspunkte.
Der Prüfling ist eine „Black Box“, bei der die Techniker nur die Eingangs- und Ausgangsvariablen der Leistung kennen. LOGICDATA verwendet daher das Motoranalysemodul der Datenerfassungssoftware DewesoftX, um den Wirkungsgrad η [%] des Elektromotors zu bestimmen, der sich aus dem Verhältnis von Ausgangs- zu Eingangsvariablen ergibt.
Über LOGICDATA
Das österreichische Unternehmen LOGICDATA entwickelt und fertigt seit 25 Jahren mechatronische Systeme für die Möbelindustrie und andere Branchen. 13 Millionen verkaufte Steuerungen und 4 Millionen verkaufte Antriebe unterstreichen die Kernkompetenz bei synchronisierten Motor- und Antriebslösungen.
Außerdem belegen mehr als 100 Patente und 90 F&E-Experten die Qualität und Innovationskraft des steirischen Unternehmens, das sich vor allem durch seine individuell angepassten Produkte für verschiedene Branchen auszeichnet.
Die interne Entwicklung aller Antriebssystemkomponenten durch LOGICDATA zielt darauf ab, maßgeschneiderte Lösungen anzubieten, die optimal auf spezifische Kundenanforderungen abgestimmt sind. Diese Lösungen erreicht das Unternehmen durch die Fokussierung auf eine Kostenoptimierung durch höhere Stückzahlen. Zu den entscheidenden Aspekten dieser Strategie gehören:
Maßgeschneiderte DC- und PMSM-Motoren, entwickelt für spezifische Betriebspunkte
Kostenoptimierte Kunststoff-, Planeten-, Schnecken- und Stirnradgetriebe
NVH- und Kostenoptimierung durch kosteneffiziente Reduzierung von Geräuschen und Vibrationen
Entwicklung von Bremssystemen für aktive (elektromechanische) und passive Systeme
Entwicklung von Kunststoff-, Stahl- und Aluminiumspindeln mit optimierter Effizienz und Tribologie
Entwicklung von Prüfständen für spezielle betriebsinterne Anforderungen
Das Problem
Die Datengenerierung ist aufgrund komplizierter und langwieriger Messaufbauten mit zahlreichen Sensoren und Varianten sehr zeitintensiv. Zudem bringt der komplexe Messaufbau auch eine hohe Fehleranfälligkeit mit sich. Da Simulationen nur so genau sein können wie die Daten, mit denen die Techniker sie versorgen, trägt die Erfassung von Messdaten entscheidend zur ihrer Optimierung bei.
In diesem Fall stellt der kleine Antrieb ein komplexes System dar, das durch Eigenentwicklungen und maßgeschneiderte Komponenten umfassend an spezifische Kundenwünsche angepasst werden kann. Eine effiziente Anpassung und das Verständnis der Einflussparameter sind entscheidend für alle Entwicklungsphasen vom schnellen Erstentwurf und der Machbarkeitsprüfung über die Prototypenvermessung, die Serienstabilität und das Produktlebenszyklusmanagement bis hin zur Qualitätssicherung.
In der Motorenentwicklung gibt es mehrere essenzielle Elemente:
die Erstellung und Optimierung datenbasierter Vorhersagemodelle,
die Qualitätssicherung von Produktionskomponenten auf Bauteilebene, einschließlich des Stators und des Rotors mit ihren aktiven Komponenten,
die Kenntnis von Leistungsmetriken, wie Kennfeldern und Wirkungsgrad, für Verifizierungsschleifen, die Berechnungen und Messungen umfassen.
Der Prüfstand - die Lösung
Im Rahmen eines internen Projekts entwickelte LOGICDATA einen universellen Prüfstand, der eine flexible Lösung für verschiedene Messaufbauten darstellt. Auf diesem Prüfstand können diverse Motorkonfigurationen, Bremsen und Getriebe sowie komplette Gesamtsysteme getestet werden.
Innovative Merkmale
Vier-Quadranten-Betrieb: LOGICDATA implementierte eine automatische Erkennung der Betriebsmodi des Motors (Motor/Generator in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung), was die Leistungsüberwachung und die Problemerkennung in Echtzeit vereinfachte.
Wirkungsgradkennfelder: DewesoftX ermöglichte die Ermittlung von Wirkungsgradkennfeldern über verschiedene Motorbetriebspunkte hinweg, die wertvolle Einblicke in die Motorleistung bieten.
Integration von Thermografie: Die Integration von Wärmebildkameras in DewesoftX ermöglichte die Erkennung von Heißstellen (Hotspots) am Motor und verbesserte die Fehlererkennung.
Mechanisches Design
LOGICDATA konzipierte den Prüfstand als Gleitschienensystem. Alle Sensoren, Aktoren, Motoren usw. (DUT) werden auf separaten Schlitten montiert. Sie teilen sich eine koaxiale Achse – die rotierende Messachse – und können mittels eines Handrads in Richtung der Achse bewegt werden. Dieser Freiheitsgrad erlaubt die schnelle und einfache Montage der Metallbalgkupplungen. Sobald die komplette Messachse mechanisch verbunden ist, können alle Schlitten über einen Hebel selbsthemmend verriegelt werden.
Eine weitere montagefreundliche Funktion ist das Entfernen oder Austauschen einzelner Schlitten aus dem montierten Messaufbau ohne die Notwendigkeit, die anderen Schlitten zu bewegen. Dazu nutzen Andreas Pichler und die Techniker die Markierungen an der Schiene oder am Schlitten. Diese mechanische Konfiguration reduziert die Rüstzeiten für den Prüfstand erheblich.
Verkabelung und Signalschnittstelle
Oberhalb der Messachse befindet sich eine vielseitige Signalschnittstelle, die maximale Flexibilität bei der elektrischen Verbindung der einzelnen Komponenten auf dem Prüfstand bietet. Dank der steckbaren Ausführung aller Signalleitungen werden nur die Schnittstellen verwendet, die für den jeweiligen Messaufbau erforderlich sind. So wird eine lange und unübersichtliche Verkabelung vermieden und die korrekte Verriegelung der Sicherheitseinrichtungen gewährleistet.
Integrierte Mess- und Steuerungstechnik
Das Herzstück des Prüfstandes ist das Datenerfassungssystem DEWE-43. Die Techniker verwenden vier der acht Analogeingänge für die Messung von Strom- und Spannungspegeln. DSI-Adapter ermöglichen das automatische Auslesen der Sensordaten, wodurch der Zeitaufwand für eine manuelle Konfiguration und das Risiko von Konfigurationsfehlern reduziert werden.
DSI Adapter sind mit TEDS nach IEEE 1451.4 ausgestattete Sensoradapter, die die universellen analogen Eingangsverstärker von Dewesoft mit DSUB9-Stecker in direkte IEPE-, Ladungs-, Thermoelement-, Shunt-, Spannungs-, LVDT- oder RTD-Eingänge umwandeln.
Die verbleibenden vier Eingänge stehen für die universelle Nutzung an der Signalschnittstelle zur Verfügung. Die Drehmoment- und Drehzahlsignale der verwendeten Messwandler liegen an den digitalen Eingängen des Messwandlers als frequenzmodulierte Signale an.
Die verwendeten Prüfgeräte
Dewesoft-Messaufbau
DEWE-43a: Datenerfassungssystem mit universellen Messverstärkern und A/D-Wandlern
Motoranalysemodul der Datenerfassungs- und digitalen Signalverarbeitungssoftware DewesoftX
Stromshunt-Adapter DSli-20A für 50-Ω-Shunt-Widerstand mit einer Genauigkeit von 0,01 % für Strommessungen bis 20 mA
Spannungsadapter DSI-V-200, der jeden DSUB9-Analogeingang in die Lage versetzt, einen Spannungsbereich von ±200 V und einen differenziellen Eingang über den BNC-Anschluss zu verarbeiten.
ETH Messtechnik
ETH DRVL-I and DRVL-II: Dynamic torque and speed sensors.
Beckhoff-SPS und Lenze-Aktoren
CX5130-0195: Embedded-PC für DIN-Tragschiene
MCS 09H41 und MCS 06C41: Servo-Synchronmotoren
I950: Servoumrichter
Steuerbare Stromversorgung
Keysight Technologies E3640A
TTi CPX400DP
Die Testergebnisse
LOGICDATA testet sowohl den Motor- als auch den Generatorbetrieb. Zur Fehlervermeidung automatisierten Andreas Pichler und die Techniker die Erkennung des Betriebsmodus des Motors in DewesoftX. Die Automatisierung ermöglicht es, potenzielle Probleme schnell auf dem Prüfstandsmonitor zu identifizieren, was eine effiziente Überwachung und Fehlererkennung während der Tests gewährleistet.
Test der Motorbetriebszustände
Die Techniker bestimmen den Betriebszustand eines Motors anhand der Richtung des Leistungsflusses an seinen Anschlüssen. Bei diesen handelt es sich um eine elektrische und eine mechanische Verbindung. Wird das System mit Energie versorgt, ist das Leistungsvorzeichen positiv. Ist das Vorzeichen negativ, dann gibt das System Leistung ab.
Die beim Betrieb erzeugte Wärme wird ebenfalls als Verlustleistung (negativ) betrachtet, obwohl ihr Verbindungselement nur theoretisch existiert.
Die elektrische Leistung wird über das Produkt der direkt gemessenen Größen, wie Strom- und Spannungspegel, ermittelt. Für die Bestimmung der mechanischen Wellenleistung werden entsprechend Drehzahl und Drehmoment genutzt. Diese Größen müssen mit dem korrekten Vorzeichen gemessen werden, da sich die Eingangs- und Ausgangsleistung des Motors während des Betriebs oder Tests ändern kann.
LOGICDATA implementierte eine automatische Erkennung der Betriebszustände 1 bis 5. Dabei erkennt die Vorzeichenregel automatisch, ob dem Motor mechanische oder elektrische Energie zugeführt oder entzogen wird. Der jeweilige Pfeil zeigt dabei die Flussrichtung der resultierenden Leistung an.
Bei Zustand 1 wird dem Motor elektrische Energie zugeführt und in mechanische Energie umgewandelt. Die dabei entstehende Verlustwärme wird aus dem System abgeführt.
Bei Zustand 2 wird im Gegensatz zu Zustand 1 die zugeführte mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt und abgeführt.
Bei Zustand 3, wenn die internen Reibungsverluste im Motor größer sind als die zugeführte elektrische Leistung, wird der Motor auch mechanisch angetrieben, um diese Verluste auszugleichen.
Bei Zustand 4 wird der Leerlauf des Motors erkannt, auch wenn keine Last anliegt.
Bei Zustand 5 wird im Falle eines Fehlers in der Verkabelung der Stromsensoren die zugeführte elektrische Energie als Verlustleistung angezeigt.
Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass der Prüfstandsbetreiber die Betriebszustände leicht erkennen und Fehler schnell identifizieren kann, wodurch die Aufzeichnung falscher Messdaten vermieden wird.
Messaufbau für die Motoranalyse
Da der zu prüfende Motor ausschließlich mit Gleichstromkomponenten betrieben wird, lässt sich DewesoftX entsprechend einfach konfigurieren. Im Leistungsmodul lassen sich Strom, Spannung und mechanische Größen wie Motordrehzahl und -geschwindigkeit definieren. Ziel der Motoranalyse ist es, aus den Eingangsgrößen automatisch die resultierende elektrische und mechanische Leistung zu berechnen und daraus den Wirkungsgrad ihres Verhältnisses zu ermitteln. Eine solche Analyse kann auch für 3-Phasensysteme durchgeführt werden.
Die Ermittlung von Wirkungsgradkennfeldern ist ein nützliches Werkzeug für die Prüfung und Bewertung von Motoren. Dabei wird der Wirkungsgrad des Motors als Funktion von Drehzahl und Drehmoment in einem Kennfeld dargestellt. Dieses Kennfeld zeigt das genaue Verhältnis zwischen mechanischer und elektrischer Leistung und ist hilfreich bei der Auswahl eines geeigneten Motors oder der Optimierung der Betriebspunkte.
Thermografie als Fehlerindikator
DewesoftX erlaubt die Einbindung von Wärmebildkameras, wie z. B. IR-Kameras von Optris, über eine USB-Schnittstelle.
Während der Tests werden thermografische Bilder des Prüflings mit der definierten Bildrate (z. B. 30 fps) aufgenommen, um mögliche Fehlerquellen zu identifizieren.
Auf diese Weise lassen sich lokale Hotspots mit hohen Temperaturen, die in den Gesamtverlusten des Systems auftreten, erkennen und präziser als Wärmeverluste identifizieren.
Fazit
Das innovative Prüfstandsdesign von LOGICDATA hat den Testprozess für kleine Elektromotoren mit Unterstützung der Technologie von Dewesoft drastisch verbessert. Das modulare und flexible Design ermöglichte kürzere Rüstzeiten, eine zuverlässigere Datenerfassung und eine verbesserte Wirkungsgradanalyse, was für die Optimierung des Motordesigns und der Qualitätssicherung entscheidend war. Die automatisierte Erkennung der Betriebsmodi und die Ermittlung von Wirkungsgradkennfeldern lieferten wertvolle Erkenntnisse zur Motorleistung, während die Thermografie die Identifikation von Fehlerquellen erleichterte.
„Mit unserem neuen Messaufbau sind wir nun in der Lage, Komponenten schnell und effizient zu testen“, sagt der Mechanik-Experte Andreas Pichler und fügt hinzu: „Durch die Automatisierung des Prozesses haben wir das Fehlerpotenzial auf der Software- und Hardwareseite deutlich reduziert, was einen reibungsloseren und zuverlässigeren Betrieb gewährleistet.“
Insgesamt hat der Prüfstand LOGICDATA geholfen, die Präzision zu steigern, die Testzeiten zu verkürzen und die Produktqualität zu verbessern, was ihn zu einem unschätzbaren Werkzeug in ihrem Entwicklungsprozess macht.