Dienstag, 5. November 2024 · 0 min read
Ein neues Werkzeug zur Maximierung des Wirkungsgrades von Hybrid- und Elektromotoren
Einhergehend mit dem zunehmend stärkeren Trend zu nachhaltigen und effizienten Technologien wird es immer wichtiger, die Feinheiten der Effizienz von Elektromotoren zu verstehen. Das Motoranalyse-Softwaremodul von Dewesoft spielt dabei eine führende Rolle und ermöglicht Ingenieuren eine umfassende Visualisierung der elektrischen Leistung sowie der mechanischen Leistung und Eigenschaften eines Motors. In Kombination mit dem DewesoftX-Leistungsmodul bietet dieser integrierte Ansatz eine revolutionäre Methode zur Berechnung und Nutzung elektrischer Leistungsparameter.
Anhand dieses Artikels werden Sie
verstehen, wie der Wirkungsgrad von Elektromotoren berechnet wird;
sehen, wie eine Wirkungsgradanalyse durchgeführt wird;
erfahren, welche Schlüsselelemente bei der Prüfung von Elektromotoren eine Rolle spielen.
Das Motoranalyse- und das DewesoftX-Leistungsmodul kombinieren die Erfassung elektrischer Daten mit mechanischen Drehmoment- und Rotationsmessungen. Diese nahtlose Integration hebt sich deutlich von der Nutzung separater Leistungsanalysatoren und Datenerfassungsinstrumente ab, die häufig in unsynchronisierten und unzusammenhängenden Daten resultiert. Die Dewesoft-Lösung bietet synchronisierte und kohärente Daten und ebnet den Weg für ein umfassendes Verständnis der Wirkungsgrade und Verluste eines Motors anhand anpassbarer 2D/3D-Wirkungsgrad-Karten.
Die Bedeutung der Analyse von Elektromotoren
Die Analyse von Elektromotoren, insbesondere bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen, ist heute unverzichtbar. Das Motoranalyse-Modul konvertiert die Zeitbereichskomponenten einer dreiphasigen Leistung mithilfe von Clarke- und Park-Transformationen in orthogonale stationäre Rahmen (αβ). Dabei werden Wechselspannung und -strom in Gleichstrom umgerechnet, was die Wirkungsgradberechnungen vereinfacht und eine klarere Phasenauswertung und Überprüfung der mechanischen Rotation ermöglicht.
Die Clarke-Transformation wandelt die Zeitbereichskomponenten eines ABC-Systems in zwei Komponenten in einem stationären αβ-Rahmen um, während die Park-Transformation den αβ-Rahmen in einen dq-Referenzrahmen konvertiert. Insbesondere in Anwendungen, bei denen regeneratives Bremsen und die Optimierung des Kraftstoffverbrauchs eine Rolle spielen, ist diese Kombination für die Analyse des Wirkungsgrads von Elektromotoren unerlässlich.
Zusammen eingesetzt vereinfachen die beiden Methoden die Wirkungsgradberechnung, indem sie Wechselspannung und -strom effektiv in Gleichstrom umrechnen. Zudem bieten sie verbesserte Möglichkeiten zur Phasenanalyse (Clarke) und Überprüfung von Spannungs- und Stromverläufen in Bezug auf die mechanische Rotation (Park).
Optimierte Systemkonfiguration
Das Motoranalyse-Modul zeichnet sich durch eine schnelle und intuitive Konfiguration aus. Techniker brauchen nur die gewünschten Messungen und Ausgangssignale auszuwählen, und die Software kümmert sich um alles andere. Die benutzerfreundliche Bedienoberfläche des Systems gewährleistet, dass alle Daten schon während der Messungen eingesehen und später wiedergegeben werden können. Es ist möglich, per Cursor in die Schreiberdiagramme hinein- oder herauszoomen, so dass die Techniker die Daten sowohl auf der Zeit- als auch auf der Amplitudenachse in beliebiger Auflösung betrachten können. Diese Funktion ist entscheidend für eine gründliche Analyse und macht die Dewesoft-Lösung zum idealen Tool für die Verbesserung des Wirkungsgrads bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen.
Die Grundeinstellungen der Clarke/Park-Transformationen werden an einem statischen Motorbetriebspunkt angezeigt. Der Wirkungsgrad des Frequenzumrichters wird auf Grundlage der Motor- und Batterieleistung berechnet, und zur Ermittlung des mechanischen Winkels und der Drehzahl wird ein Resolver-Sensor verwendet.
Die Systemkonfiguration innerhalb des Motoreffizienz-Moduls ist schnell und einfach. Techniker brauchen nur die gewünschten Messungen und Ausgangssignale auszuwählen, und die Software erledigt alles andere.
Alle Daten sind schon während der Messung sichtbar und können später erneut wiedergegeben werden. Es ist möglich, per Cursor in die Schreiberdiagramme hinein- oder herauszoomen, so dass die Daten sowohl auf der Zeit- als auch auf der Amplitudenachse in beliebiger Auflösung betrachtet werden können. Alle grafischen Widgets sind vor, während und nach der Messung frei konfigurierbar.
Erweiterte Signalaufbereitung für genaue Messungen
Eine präzise Signalaufbereitung ist für die Prüfung des Wirkungsgrads von Elektromotoren von entscheidender Bedeutung. Dewesoft bietet Optionen für eine genaue, isolierte Signalaufbereitung mit hoher Bandbreite. Dies umfasst Verstärker für Hochspannungs- und Hochstromsignale und die Kompatibilität mit einer breiten Vielfalt an Sensoren wie Dehnungsmessstreifen, Beschleunigungssensoren, Thermoelementen und Widerstandsthermometern. Diese Flexibilität ist für Anwendungen wie die Datenerfassung (DAQ) in verschiedenen Branchen unerlässlich.
Die Kompatibilität des Systems umfasst alle wichtigen Arten von Zählern, Encodern, Drehzahlsensoren, Drehmomentsensoren und mehr. Zudem kann jeder Stromsensortyp – von AC/DC-Stromzangen bis hin zu Fluxgate-Sensoren – eingesetzt werden, was eine umfassende Datenerfassung gewährleistet. Die Möglichkeit, weitere Sensoren und Schnittstellen wie CAN-Bus, CAN-FD, IMU und GNSS sowie High-Speed- und Low-Speed-Videokameras anzuschließen, erhöht die Vielseitigkeit des Systems zusätzlich.
Kombination von elektrischer Leistungs- und mechanischer Motoranalyse
Die Kombination von elektrischer Leistungs- und mechanischer Motoranalyse bietet zahlreiche Vorteile. Durch das Verständnis der Wirkungsgrad-Karte eines Motors können die Betreiber eine optimale Performance und Langlebigkeit sicherstellen. Die Kombination erlaubt die Beobachtung des Motorbetriebs in allen vier Quadranten, also die Quantifizierung der Leistung im Antriebs- und Generatorbetrieb sowohl in Vorwärts- als auch in Rückwärtsrichtung. Diese Möglichkeit ist entscheidend für Anwendungen, die einen höheren Wirkungsgrad anstreben, wie es z. B. bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen der Fall ist.
Die Analyse von Parametern wie der Drehmomentwelligkeit kann potenzielle mechanische Probleme aufdecken und so eine planmäßige Wartung ermöglichen und Ausfälle verhindern. Die frühzeitige Erkennung von Anomalien erhöht die Sicherheit und verhindert gefährliche Betriebszustände. Detaillierte Leistungsanalysen helfen den Technikern, Regelalgorithmen zur Betriebsoptimierung anzupassen und die Leistung verschiedener Motorkonstruktionen zu vergleichen, um die beste Lösung für ihre Anwendungen zu finden.
Die wichtigsten Funktionen des Motoranalysesystems
Das Motoranalysesystem ist mit mehreren Schlüsselfunktionen ausgestattet, die seine Funktionalität verbessern:
Clarke- und Park-Transformationen: Diese mathematischen Transformationen vereinfachen Wirkungsgradberechnungen durch die Umrechnung von Wechselspannung und -strom in Gleichstrom. Dies ist unerlässlich für die Echtzeit-Bewertung der von den mechanischen Sensoren an der Welle berechneten Ausgangsleistung des Motors.
Kompatibilität mit jedem Zähler-/Drehzahl-/Encodersensor: Das integrierte Zähler-Mathematikmodul erlaubt die Überwachung der Motorleistung unter verschiedenen Betriebsbedingungen und die Identifizierung der Bereiche mit dem höchsten Wirkungsgrad.
Verarbeitung von Signalen und Sensordaten aller Art: Das System kann Signale von Hochspannungs- und Hochstromeingängen sowie von Messverstärkern für Dehnung, Druck, Drehmoment, Temperatur, Weg und andere Größen verarbeiten.
Digitale Eingänge und Busdaten: Das System unterstützt analoge Quellen, digitale Ausgänge und Busdaten von verschiedenen Schnittstellen und gewährleistet so eine synchronisierte Datenerfassung.
Wirkungsgrad-Kartierung: Techniker können die Leistung eines Motors unter verschiedenen Betriebsbedingungen visualisieren und so die optimalen Punkte für Energieeinsparungen und die Verlängerung der Lebensdauer identifizieren.
Phasenanalyse: Das System kann Motoren in Einphasen-, Zweiphasen-, Dreiphasen- und weiteren Konfigurationen analysieren, um eine umfassende Bewertung und einen reibungslosen Betrieb zu gewährleisten.
Hohe Abtastrate: Die Datenerfassung in kurzen Intervallen gewährleistet Einblicke in das Verhalten des Motors in hoher Auflösung und hilft bei der Erkennung von transienten Ereignissen und Anomalien.
Wechselrichterprüfung: Die Bewertung der Leistung und des Wirkungsgrads von Wechselrichtern gewährleistet eine saubere und stabile Stromversorgung und optimiert die Effizienzkurve des Elektromotors.
Leistungsstarke Berichtserstellung: Die DewesoftX-Software erlaubt die Erstellung hochgradig grafischer Berichte unmittelbar nach der Aufzeichnung und somit eine einfache Datenauswertung.
Ideale Datenerfassungshardware für die Motoreffizienzprüfung
Für die höchste Bandbreite ist das Datenerfassungssystem SIRIUS XHS von Dewesoft ideal. Das kleine, robuste Modul ist mit 16-Bit-SAR-A/D-Wandlern ausgestattet, die eine Abtastrate von bis zu 15 MS/s pro Kanal erreichen. Für Anwendungen, die einen hohen Dynamikbereich erfordern, kann es als 24-Bit-Delta-Sigma-A/D-Wandler mit einer Abtastrate von bis zu 2 MS/s pro Kanal konfiguriert werden. Das SIRIUS-XHS-Modul kann über USB 3.0 an jeden Windows-Computer angeschlossen werden, auf dem die Software läuft, und wird so zu einem vielseitigen Werkzeug für verschiedene Testszenarien.
Für weniger anspruchsvolle Anwendungen bieten die SIRIUS-DualCore®-Geräte eine Abtastrate von 200 kS/s, eine 24-Bit-Auflösung und einen Dynamikbereich über 150 dB. Diese Geräte gewährleisten eine zuverlässige und genaue Datenerfassung und eignen sich für Anwendungen in der Industrie- und Unterhaltungselektronik.
Erfahren Sie mehr über SIRIUS XHS:
Für weniger anspruchsvolle Anwendungen in der Industrie- und Unterhaltungselektronik können SIRIUS-DualCore®-Geräte mit einer Abtastrate von 200 kS/s, 24-Bit-Auflösung und einem Dynamikbereich über 150 dB eingesetzt werden.
Erfahren Sie mehr über SIRIUS DualCore:
Prüfung von Verbrennungsmotoren
Obwohl der Schwerpunkt heute auf Elektromotoren liegt, darf nicht außer Acht gelassen werden, dass Hybridfahrzeuge auch über einen Verbrennungsmotor verfügen - also Indiziermesstechnik unumgänglich ist. Das Verbrennungsanalyse-Plugin für die Indizierung Ihres Motors ermöglicht Tests von Benzin-, Ethanol-, Diesel-, Wasserstoff- und andere Motortypen. Dieses Indiziermesssystem wird für Forschungs- und Entwicklungszwecke, zur Motoroptimierung sowie zur Prüfung von Zündsystemen, Abgassystemen und Ventilsteuerungen eingesetzt.
Die gleiche SIRIUS-Datenerfassungshardware kann auch mit Druck- und andere Sensoren am Motor verbunden werden. Jedes Modul bietet acht analoge Eingänge für die wichtigsten Sensoren (Ladung, IEPE, Spannung, Dehnung, Drehmoment, Temperatur ...). Zudem können Standard-Drehzahlsensoren wie InCar (z. B. 60-2), Encoder, CDM/Trigger usw. angeschlossen werden. Für die direkte und synchronisierte Hochgeschwindigkeits-Datenerfassung über CAN steht ein vollständig synchronisierter CAN- oder CAN-FD-Port zur Verfügung. Zusätzlich unterstützt die DewesoftX-Software OBDII-, J1939- und CAN-DBC-Dateien für eine einfache Kanalkonfiguration.
Dewesoft-Verbrennungsanalysatoren senden Analyseergebnisse über das AK-Protokoll an Prüfstände oder über CAN an ETAS INCA und ähnliche Systeme.
Über die Motoreffizienzprüfung hinausgehende Anwendungen
Die erweiterte Motoranalyse geht über die Prüfung des Wirkungsgrads von Elektromotoren hinaus und spielt in zahlreichen Bereichen, darunter Industriemaschinen, Luft- und Raumfahrt, Schifffahrt, Forschung und Haushaltsgeräte, eine entscheidende Rolle. Die Effizienzoptimierung ist das gemeinsame Ziel all dieser Anwendungen. Hier sind einige weitere Verwendungszwecke:
Bestimmung der idealen Betriebsparameter: Ermittlung optimaler Bedingungen für den Motorbetrieb zur Verbesserung von Leistung und Effizienz
Prüfung der Motorleistung im Zeitverlauf: langfristige Leistungsüberwachung und -analyse zur Erkennung von Trends und potenziellen Problemen
Störungserkennung und -vorhersage: frühzeitige Identifizierung von Störungen zur Vermeidung von Ausfällen und Minimierung von Ausfallzeiten
Elektrische und mechanische Abstimmung: Sicherstellung des harmonischen Zusammenwirkens der elektrischen und mechanischen Komponenten
Wechselrichterkonfiguration und -feinabstimmung: Optimierung der Wechselrichterkonfiguration zur Verbesserung der Leistung und des Wirkungsgrads des Motors
Analyse der Drehmomentwelligkeit: Erkennung und Korrektur der Drehmomentwelligkeit zur Vermeidung mechanischer Probleme und Verbesserung des Betriebs
Optimierung von Steuerungsalgorithmen: Anpassung der Algorithmen zur Optimierung der Steuerung und des Wirkungsgrads des Motors
Visualisierung des Vier-Quadranten-Betriebs: Analyse der Motorleistung in allen Betriebsmoden für eine umfassende Bewertung
Konfiguration und Optimierung der Wechselrichtersteuerung: Feinabstimmung von Wechselrichtern zur Maximierung von Effizienz und Leistung
Fazit
Die rasanten Fortschritte in der Elektro- und Hybridfahrzeugtechnologie erfordern eine schnellere und genauere Motoranalyse. Die Motoranalysesoftware von Dewesoft bietet in Kombination mit dem DewesoftX-Leistungsmodul eine ideale Lösung für Techniker, die die Leistung und den Wirkungsgrad von Motoren optimieren möchten.
Der integrierte Ansatz gewährleistet eine umfassende Datenerfassung und -analyse, die einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung und Optimierung von Elektromotoren und Leistungselektronik leistet.
Ob in Hybridfahrzeugen, Industriemaschinen oder Unterhaltungselektronik: Die Fähigkeit, den Wirkungsgrad zu messen und zu optimieren, ist überall von entscheidender Bedeutung. Die Dewesoft-Tools ermöglichen es Technikern, die Effizienz zu steigern, den Kraftstoffverbrauch zu senken und den CO2-Fußabdruck ihrer Anwendungen zu minimieren. Mit Funktionen wie der Wirkungsgrad- und Verlustkartierung, der Analyse des regenerativen Bremsens und der detaillierten Berichterstellung stellt Dewesoft sicher, dass sie über die Werkzeuge verfügen, die sie zur Förderung der Innovation und Nachhaltigkeit bei der Prüfung des Motorwirkungsgrads benötigen.