Testning och validering av små elmotorer med hjälp av en effektiv testbänksdesign

LOGICDATA hade som mål att förbättra testning och validering av små elmotorer med hjälp av en flexibel och effektiv testbänksdesign. Komplexiteten hos elmotorernas komponenter kräver noggrann datainsamling, vilket i traditionella uppställningar är tidskrävande och känsligt för fel. Den avancerade testbänken effektiviserade drivlinetestningen, minskade uppställningstiden och förbättrade datanoggrannheten. Företaget använde MotorAnalysis-funktionaliteten i DewesoftX-programvaran för att mäta motorns verkningsgrad och därmed optimera design och produktion.

När vi utvecklade vår testbänk på LOGICDATA stötte vi på en specifik utmaning: att effektivt hantera flera drivkomponenter.

tillägger Mechanical Expert Andreas Pichler, ansvarig för testbänksdesignen.

Vårt mål var att skapa en uppställning som möjliggjorde ett enkelt och snabbt byte av dessa komponenter. En sådan uppställning skulle hjälpa oss att testa med minimal stilleståndstid och bibehålla den flexibilitet och hastighet som är avgörande i vår utvecklingsprocess.

LOGICDATA har i över två decennier varit en marknadsledande utvecklare av avancerade mekatroniska och elektroniska komponenter för justerbara möbler. I detta fall behövde Andreas Pichler och ingenjörerna testa DC-elmotorer, linjära ställdon med integrerade styrenheter.

Generellt består en DC-elmotor av tre huvudkomponenter:

1. “Rotorn”, som består av kopparlindningar, motorlindningar,

2. Den stationära delen, “statorn”, som inkluderar en uppsättning magneter, och

3. “Kollektorn”, som jämnt fördelar vridmomentet till rotorn.

Den slutliga designen av DC-motorn ska leverera definierat vridmoment och effekt samtidigt som hög verkningsgrad och effektiv värmehantering upprätthålls. På grund av komplexiteten hos komponenterna i en elmotor är testfasen ett avgörande steg för att validera konstruktionsmålen.

Testobjektet är en svart låda där ingenjörerna endast känner till in- och utgångsvariablerna för effekt. Därför använder LOGICDATA Motor Analysis-modulen i DewesoftX datainsamlingsprogramvara för att bestämma elmotorverkningsgraden “η” [%], som baseras på förhållandet mellan utgångs- och ingångsvariabler.

 Om LOGICDATA

Det österrikiska företaget LOGICDATA har utvecklat och tillverkat mekatroniska system för möbelindustrin och andra branscher i 25 år. 13 miljoner styrenheter och 4 miljoner drivsystem som sålts understryker dess kärnkompetens inom synkroniserade motor- och drivlösningar.

Mer än 100 patent och 90 FoU-experter vittnar om kvaliteten och innovationsstyrkan hos det steiriska företaget. Det kännetecknas framför allt av sina individuellt anpassade produkter för olika industrier.

LOGICDATAs interna utveckling av alla drivsystemkomponenter syftar till att erbjuda skräddarsydda lösningar som är optimalt anpassade till specifika kundkrav. Företaget uppnår dessa lösningar genom att fokusera på kostnadsoptimering för högre volymer. De kritiska aspekterna av denna strategi inkluderar:

• Skräddarsydda DC- och PMSM-motorer utvecklade för specifika driftpunkter

• Kostnadsoptimerade plast-, planet-, snäck- och cylindriska växellådor

• Optimering av NVH och kostnader genom att minska buller och vibrationer till låg kostnad

• Utveckling av bromssystem, både aktiva (elektromekaniska) och passiva system

• Design av spindlar i plast, stål och aluminium, optimerade för verkningsgrad och tribologi

• Utveckling av testbänkar för specialbehov internt

Problemet

Datagenerering är mycket tidskrävande på grund av komplicerade och långvariga mätuppställningar med många sensorer och varianter. Dessutom är risken för fel hög eftersom mätuppställningen är komplex. Simuleringar är endast så exakta som den data som ingenjörerna matar in i dem. Därför bidrar mätdata i hög grad till optimeringen av simuleringar.

I detta fall är den lilla drivenheten ett komplext system som möjliggör olika anpassningar till kundkrav tack vare intern utveckling och skräddarsydda komponenter. Effektiv anpassning och förståelse av påverkansparametrar är avgörande i alla utvecklingsfaser. Dessa faser sträcker sig från snabb initial design och genomförbarhetstestning till prototypmätning, seriestabilitet, livscykelhantering och kvalitetssäkring.

Inom motorutveckling är flera element avgörande:

• Optimering och framtagning av databaserade prognosmodeller

• Kvalitetskontroll av produktionsdelar på komponentnivå, inklusive stator och rotor med aktiva delar

• Kunskap om prestandamått, såsom kartor och verkningsgrad, för verifieringsloopar som involverar beräkning och mätning

Testbänken – lösningen

Som en del av ett internt projekt utvecklade LOGICDATA en universell testbänk som är en flexibel lösning för olika mätuppställningar. Denna testbänk kan testa olika motorkonfigurationer, bromsar och transmissioner samt kompletta system.

Innovativa funktioner

• Fyrkvadrantsdriftläge: LOGICDATA implementerade automatisk detektering av motorns driftlägen (motor/generator i framåt- och bakåtriktning), vilket gör det enklare att övervaka prestanda och upptäcka problem i realtid.

• Verkningsgradskartläggning: DewesoftX möjliggjorde kartläggning av verkningsgrad över olika driftpunkter för motorn, vilket ger värdefulla insikter i motorprestanda.

• Termografi-integration: Integrationen av värmekameror i DewesoftX möjliggjorde detektering av hotspots på motorn, vilket förbättrar feldetektering.

Mekanisk design

LOGICDATA utformade testbänken som ett skenbaserat system. Alla sensorer, aktuatorer, motorer (DUT) osv. är monterade på separata slädar. De delar en gemensam koaxiell axel, den roterande mätaaxeln, och kan flyttas mot axeln med hjälp av ett handhjul. Denna frihetsgrad gör det möjligt att snabbt och enkelt montera metallbälgkopplingar. Så snart hela mätaaxeln är mekaniskt sammankopplad kan alla slädar låsas självlåsande med en spak.

En annan installationsvänlig funktion är att enskilda slädar kan tas bort eller ersättas från den monterade mätuppställningen utan att flytta andra slädar. Andreas Pichler och ingenjörerna använder markeringarna på skenan eller släden för detta ändamål. Denna mekaniska uppställning minskar drastiskt tiden för att ställa in testbänken.

Kabel- och signalgränssnitt

Ett mångsidigt signalgränssnitt är placerat ovanför mätaaxeln och erbjuder maximal flexibilitet när det gäller den elektriska anslutningen av de enskilda komponenterna i testfältet. Tack vare den modulära och anslutningsbara designen av alla signaler används endast de gränssnitt som krävs för den aktuella mätuppställningen. Denna uppställning undviker långa och förvirrande kablage och säkerställer att säkerhetslåsningarna fungerar korrekt.

Integrerad mät- och styrteknik

Hjärtat i testbänken är datainsamlingssystemet DEWE-43 . Ingenjörerna använder fyra av dess åtta analoga ingångar för mätning av ström- och spänningsnivåer. DSI-adaptrar möjliggör automatisk avläsning av sensordata, vilket sparar tid vid manuell konfiguration och minskar konfigurationsfel.

DSI-adaptrar är TEDS IEEE 1451.4-utrustade sensoradaptrar som gör Dewesoft DSUB9 universella analoga ingångsförstärkare till direkta ingångar för IEPE, laddning, termoelement, shunt, spänning, LVDT eller RTD.

De återstående fyra ingångarna är tillgängliga för universell användning vid signalgränssnittet. Moment- och hastighetssignalerna från de använda givarna är tillgängliga som frekvensmodulerade signaler vid givarnas digitala ingångar.

Använd testutrustning

Dewesoft mätsystem

• DEWE-43a: Datainsamlingssystem med universella mätförstärkare och AD-omvandlare.

• Motor Analysis-modul i DewesoftX datainsamlings- och digital signalbehandlingsprogramvara.

• DSI-20A strömshuntadaptrar för 50 Ω shunt med 0,01 % noggrannhet för 20 mA strömmätningar.

• DSI-V-200 spänningsadapter gör det möjligt för vilken DSUB9 analog ingång som helst att hantera ±200 V spänningsområde och differentialingång via BNC-kontakt.

ETH Messtechnik

• ETH DRVL-I och DRVL-II: Dynamiska moment- och hastighetssensorer.

Beckhoff PLC och Lenze-aktuatorer

• CX5130-0195: Industri-PC för DIN-skena.

• MCS 09H41 och MCS 06C41: Servomotorer.

• I950: Servodrivning.

Styrbar strömförsörjning

• Keysight Technologies E3640A

• TTi CPX400DP

Testresultat

LOGICDATA testar både motor- och generatordrift. För att undvika fel automatiserade Andreas Pichler och ingenjörerna detekteringen av motorns driftläge i DewesoftX. Automatiseringen gör det möjligt att snabbt identifiera potentiella problem på testbänkens monitor, vilket säkerställer effektiv övervakning och felidentifiering under testningen.

Testade driftlägen för motorn

Ingenjörerna bestämmer motorns driftläge utifrån effektflödets riktning i dess anslutningar. Dessa är en elektrisk och en mekanisk anslutning. Om effekt tillförs systemet är effektens tecken positivt. Om tecknet är negativt avges energi från systemet.

Den värme som genereras under drift betraktas också som avgiven effekt (negativ), även om dess anslutning endast existerar abstrakt.

Ingenjörerna bestämmer den elektriska effekten genom produkten av de direkt uppmätta variablerna, såsom ström- och spänningsnivåer. Detsamma gäller den mekaniska axeleffekten via rotationshastighet och vridmoment. Dessa variabler måste mätas med rätt tecken, eftersom motorns in- och uteffekt kan förändras under drift eller test.

LOGICDATA implementerade automatisk detektering av driftlägen från 1 till 5. Här känner teckenregeln automatiskt igen om mekanisk eller elektrisk energi tillförs eller avges från motorn. Den respektive pilen visar därmed riktningen på det resulterande effektflödet.

• I fall 1 tillförs elektrisk energi till motorn och omvandlas till mekanisk energi. De resulterande värmeförlusterna avges från systemet.

• I fall 2, till skillnad från 1, avges elektrisk energi från tillförd mekanisk energi.

• I fall 3, om de interna friktionsförlusterna i motorn är större än den tillförda elektriska effekten, drivs motorn mekaniskt för att övervinna dessa förluster.

• I fall 4 identifieras tomgångsdrift av motorn även om ingen last appliceras.

• I fall 5, vid ett fel i kopplingen av strömsensorerna, visas den tillförda elektriska energin som avgiven effekt.

Sammanfattningsvis kan testbänksoperatören enkelt identifiera driftläget och snabbt upptäcka fel, vilket förhindrar registrering av felaktiga mätdata.

Mätuppställning för motoranalys

Ingenjörerna driver endast motorn som testas med DC-komponenter, vilket gör att de enkelt kan implementera detta i DewesoftX. De kan definiera ström, spänning och mekaniska variabler såsom motorhastighet och vridhastighet i effektmodulen. Syftet med motoranalysen är att automatiskt beräkna den resulterande elektriska och mekaniska effekten från indata och därigenom bestämma verkningsgraden som förhållandet mellan dessa. En sådan analys är även möjlig för trefassystem.

Verkningsgradskartläggning är ett användbart verktyg för att testa och utvärdera motorer. Kartläggningen visualiserar motorns verkningsgrad via ett karakteristiskt diagram över motorhastighet och vridmoment. Verkningsgradskartan visar det exakta förhållandet mellan mekanisk och elektrisk effekt. Sammanfattningsvis är den användbar vid val av lämplig motor eller optimering av driftpunkter.

Thermography as a failure indicator

DewesoftX möjliggör integration av värmekameror, såsom Optris IR-kameror, via ett USB-gränssnitt.

Under testkörningen registreras termografiska bilder av testobjektet med den definierade bildfrekvensen (t.ex. 30 fps) och hjälper till att identifiera fel.

På så sätt kan lokala punkter med höga temperaturer, så kallade hot spots, identifieras i de uppmätta totala förlusterna, som mer exakt motsvarar värmeförluster.

Slutsats

LOGICDATAs innovativa testbänksdesign, stödd av Dewesofts teknik, förbättrade avsevärt testprocessen för små elmotorer. Den modulära och flexibla designen möjliggjorde kortare uppställningstider, mer tillförlitlig datainsamling och förbättrad analys av verkningsgrad, vilket var avgörande för optimering av motordesign och kvalitetssäkring. Automatisk detektering av driftlägen och verkningsgradskartläggning gav värdefulla insikter i motorprestanda, medan termografi förbättrade feldetektering.

“Med vår nya uppställning kan vi nu testa komponenter snabbt och effektivt”, säger Mechanical Expert Andreas Pichler och tillägger: “Genom att automatisera processen har vi avsevärt minskat potentiella fel både på mjukvaru- och hårdvarusidan, vilket säkerställer smidigare och mer tillförlitlig drift.”

Sammanfattningsvis hjälpte testbänken LOGICDATA att uppnå högre precision, minska testtiden och förbättra produktkvaliteten, vilket gör den till ett ovärderligt verktyg i deras utvecklingsprocess.