Test og effektangivelser for elmotorer

Tal for elmotorer i køretøjer giver kun mening, når prøvens systemgrænse, varighed, temperatur, spænding og driftspunkt er kendt. Spidseffekt, kontinuerlig effekt, motorvirkningsgrad, drivenhedens virkningsgrad, akselmoment og hjulmoment beskriver forskellige målinger og kan ikke erstatte hinanden.

Begynd med målingens systemgrænse

En motor kan prøves alene på et dynamometer, sammen med sin inverter, med reduktionsgear, som en komplet aksel eller inde i et køretøj. Hver systemgrænse omfatter forskellige tab.

Motorvirkningsgraden sammenligner den mekaniske akseleffekt med den elektriske effekt ved motorens klemmer. Virkningsgraden for motor og inverter tager udgangspunkt i inverterens jævnstrømsindgang. Drivenhedens virkningsgrad kan desuden omfatte tandhjul, differentiale, lejer, tætninger, smørepumper og effekt til styring. Virkningsgraden fra batteri til hjul omfatter endnu mere: batterimodstand, kabler, kontaktorer, hjælpeudstyr, dæk og andre belastninger i køretøjet.

To resultater med samme procentsats kan først sammenlignes, når deres indgangs- og udgangsgrænser er ens. Retningen har også betydning, fordi motordrift og regenerering har forskellige forhold for strøm, spænding og tab.

Drejningsmoment, omdrejningstal og effekt

Akslens effekt er produktet af drejningsmoment og vinkelhastighed:

power = torque × rotational speed

Et højt drejningsmoment ved nul hastighed giver ingen mekanisk effekt i det øjeblik. Effekten stiger, efterhånden som hastigheden øges gennem området med konstant drejningsmoment. Over grundhastigheden tvinger grænserne for spænding og mod-EMK normalt drejningsmomentet ned, hvilket giver et område med omtrent konstant effekt.

Et dynamometer måler akslens drejningsmoment og omdrejningstal. Elektriske instrumenter måler samtidig fase- eller jævnspænding og strøm. Præcise virkningsgradsmålinger kræver synkroniserede målinger, fordi en lille tids- eller kalibreringsfejl kan dominere det beregnede tab, når virkningsgraden er høj.

Motormoment må ikke forveksles med aksel- eller hjulmoment. Et reduktionsgear ganger omtrent drejningsmomentet med sin udveksling og virkningsgrad. Kraften ved hjulet afhænger derefter af dækkets effektive radius.

Spids-, kontinuerlig og 30-minutters effekt

Spidseffekt er den højeste tilgængelige ydelse under bestemte forhold. Den kan være begrænset af batteriets afladningseffekt, inverterstrøm, motorstrøm, spænding, rotorhastighed, dækkenes vejgreb eller software og ikke kun af motoren. En spidsværdi uden varighed og starttemperatur siger ikke meget om gentageligheden.

Kontinuerlig effekt er et begreb for termisk ligevægt: Den varme, der dannes ved driftspunktet, kan fjernes, uden at temperaturerne fortsætter forbi deres grænser. Værdien ændres med kølemidlets temperatur og gennemstrømning, omgivelsesforhold, olietemperatur, køretøjets hastighed og hvilke komponenter der deler det termiske kredsløb.

FN-regulativ nr. 85 definerer procedurer for nettoeffekt og maksimal 30-minutters effekt fra elektriske drivlinjer, som anvendes ved typegodkendelse af køretøjer. Tredive-minutters effekt er en reguleret måling, ikke et universelt synonym for en effekt, der kan leveres kontinuerligt på ubestemt tid. Køretøjets batteri kan også begrænse den effekt, der kan opnås ved en prøve af hele køretøjet.

Disse definitioner forklarer, hvorfor en elbil kan markedsføres med en høj accelerationseffekt og samtidig have en meget lavere kontinuerlig eller 30-minutters mærkeeffekt i typegodkendelsesdataene. Begge dele kan være korrekt.

Virkningsgradskort

En motor har ikke én bestemt virkningsgrad. Et dynamometerkort registrerer virkningsgraden i et gitter af punkter for omdrejningstal og drejningsmoment. Konturlinjer viser, hvor maskinen er mest effektiv, og hvor bredt dette område er.

Ved lav hastighed og højt drejningsmoment er strømmen stor, og kobbertabet er fremtrædende. Ved høj hastighed og lavt drejningsmoment kan jerntab, luftmodstandstab, lejetab, inverterens koblingstab og feltsvækningsstrøm dominere. Nær nul drejningsmoment er de faste tab store i forhold til den nyttige effekt, så den procentvise virkningsgrad kan være lav, selv om det absolutte effekttab er beskedent.

Et virkningsgradskort bør oplyse:

om det dækker motoren, motoren sammen med inverteren eller den komplette drivenhed;
jævnspænding og inverterens koblingsforhold;
kølemiddel- og olietemperaturer samt gennemstrømning;
motordrift, regenerering eller begge dele;
grænser for maksimalt og kontinuerligt drejningsmoment;
om hjælpepumper og styreenheder er medregnet;
måleusikkerhed og interpolationsmetode.

Den bedste virkningsgrad i et enkelt punkt er nyttig til at kontrollere det tekniske potentiale, men energiforbruget i en kørecyklus afhænger af, hvor køretøjet faktisk arbejder på kortet.

Termiske prøver

Ved termiske prøver placeres sensorer i viklinger, stator, kølemiddel, olie, lejer, invertermoduler og nogle gange rotor. Nogle temperaturer måles direkte; andre bestemmes ud fra modstand, observatører eller kalibrerede modeller.

Prøvning i stationær tilstand fastlægger den kontinuerlige kapacitet. Transiente prøver undersøger, hvor meget maksimalt drejningsmoment der kan leveres fra forskellige starttemperaturer, og hvor hurtigt systemet genvinder sin kapacitet. Gentagne accelerationer, vedvarende høj hastighed, bjergkørsel, kørsel med anhænger, terrænkørsel ved lav hastighed og gentagen regenerering belaster systemet forskelligt.

Den varmeste komponent kan ændre sig med driftspunktet. Høj strøm kan begrænse statorviklinger eller halvledere, mens høj hastighed kan belaste rotormagneter, lejer, olie eller elektroplade. Styresystemet bruger disse modeller til at reducere drejningsmomentet, før hardwaren når en skadelig temperatur.

Mekaniske og elektriske grænser

Overhastighedsprøvning kontrollerer rotor, aksel, lejer og fastholdelsessystemer over den normale maksimale hastighed med en passende sikkerhedsmargen. Rotationstest kan udføres uden elektromagnetisk belastning, mens kombinerede dynamometerprøver tilføjer drejningsmoment og varme.

Elektriske prøver omfatter isolationsmodstand, dielektrisk styrke, partielle udladninger, hvor det er relevant, impulsadfærd, fasemodstand, induktans, mod-EMK, resolverjustering og drift under inverterens spændingstransienter. Permanentmagnetmotorer skal desuden kontrolleres for irreversibel afmagnetisering og sikker tomgangsspænding.

Holdbarhedsprogrammer tilføjer vibrationer, mekaniske stød, termiske cyklusser, fugtighed, salt, påvirkning fra kølemiddel eller olie, forurening og gentagne vendinger af drejningsmomentet. Tandhjuls- og lejeholdbarhed er afgørende, når det mærkede produkt er en integreret drivenhed og ikke en løs motor.

NVH og drejningsmomentets kvalitet

Det gennemsnitlige drejningsmoment kan skjule variationer. Måling af drejningsmoment med høj opløsning og ordensanalyse identificerer elektromagnetiske harmoniske frekvenser, coggingmoment, inverterpåvirkning, tandhjulsindgreb, lejefrekvenser og strukturelle resonanser.

Akustiske prøver bruger mikrofoner, accelerometre, strømprober og hastighedsreferencer til at forbinde hørbare toner med deres kildeorden. Prøvning ved positivt drejningsmoment, friløb, regenerering, forskellige temperaturer og forskellige koblingsstrategier er nødvendig, fordi et støjsvagt punkt ved fuld belastning ikke nødvendigvis forudsiger kabinestøj ved lav belastning.

Standarder og gentagelighed

SAE J2907 indeholder en anbefalet praksis til gentagelig karakterisering af ydeevnen i motor- og drevundersystemer til elektrificerede drivlinjer. FN-regulativ nr. 85 omhandler typegodkendelsesmålinger af nettoeffekt og maksimal 30-minutters effekt. Disse procedurer besvarer forskellige spørgsmål.

Forskningslaboratorier og producenter bruger også interne metoder til kortlægning af virkningsgrad, termiske grænser, holdbarhed og NVH. Fraværet af én universel offentlig prøve betyder, at offentliggjorte resultater kun bør betragtes som sammenlignelige, når metode og systemgrænse er oplyst.

Uafhængig gentagelighed kræver kalibrerede instrumenter, stabiliserede temperaturer, definerede væsker, korrektion for tab i dynamometer og kobling samt tilstrækkelig stabiliseringstid. Angivelse af usikkerhed er en del af resultatet, især når systemer sammenlignes, hvis virkningsgrad kun afviger med tiendedele af et procentpoint.

Sådan læses køretøjets specifikationer

Kontrollér følgende, når en oplysning om en elbilmotor vurderes:

Gælder værdien én motor, én aksel eller hele køretøjet?
Er det effekt og drejningsmoment ved motorakslen, gearkassens udgang eller hjulene?
Er effekten en spids-, 30-minutters eller kontinuerlig værdi?
Hvilken batterispænding og ladetilstand var tilgængelig?
Var motoren og batteriet allerede varme?
Omfatter virkningsgraden inverter, gearkasse, pumper og hjælpeudstyr?
Er tallet et enkelt driftspunkt eller resultatet af en kørecyklus?

Hvis disse svar mangler, kan tallet beskrive køretøjet korrekt, men det kan ikke bruges til en detaljeret teknisk sammenligning.

Fortsæt gennem motorserien

Vend tilbage til Electric Motors and Drive Units, og brug kapitlet motor cooling til at forstå, hvorfor vedvarende ydelse ændres med de termiske forhold.