Testing og effektangivelser for elmotorer

Tall for elmotorer i kjøretøy er bare meningsfulle når testens systemgrense, varighet, temperatur, spenning og driftspunkt er kjent. Toppeffekt, kontinuerlig effekt, motorvirkningsgrad, drivenhetens virkningsgrad, akselmoment og hjulmoment beskriver ulike målinger og kan ikke brukes om hverandre.

Begynn med målingens systemgrense

En motor kan testes alene på et dynamometer, sammen med vekselretteren, med reduksjonsgir, som en komplett aksel eller inne i et kjøretøy. Hver systemgrense omfatter ulike tap.

Motorvirkningsgraden sammenligner den mekaniske akseleffekten med den elektriske effekten ved motorterminalene. Virkningsgraden for motor og vekselretter starter ved vekselretterens likestrømsinngang. Drivenhetens virkningsgrad kan i tillegg omfatte tannhjul, differensial, lagre, tetninger, smørepumper og effekt til styring. Virkningsgraden fra batteri til hjul omfatter enda mer: batterimotstand, kabler, kontaktorer, hjelpeutstyr, dekk og andre belastninger i kjøretøyet.

To resultater med samme prosentverdi kan ikke sammenlignes før inngangs- og utgangsgrensene samsvarer. Retningen har også betydning, fordi motordrift og regenerering har ulike forhold for strøm, spenning og tap.

Dreiemoment, turtall og effekt

Akseleffekten er produktet av dreiemoment og vinkelhastighet:

power = torque × rotational speed

Et høyt dreiemoment ved null hastighet gir ingen mekanisk effekt i det øyeblikket. Effekten øker når hastigheten stiger gjennom området med konstant dreiemoment. Over grunnturtallet tvinger grensene for spenning og mot-EMF vanligvis dreiemomentet ned, slik at det oppstår et område med tilnærmet konstant effekt.

Et dynamometer måler akselens dreiemoment og turtall. Elektriske instrumenter måler samtidig fase- eller likespenning og strøm. Nøyaktige virkningsgradsmålinger krever synkroniserte målinger, fordi en liten tids- eller kalibreringsfeil kan dominere det beregnede tapet når virkningsgraden er høy.

Motormoment må ikke forveksles med aksel- eller hjulmoment. Et reduksjonsgir ganger dreiemomentet omtrent med utvekslingen og virkningsgraden. Kraften ved hjulet avhenger deretter av dekkets effektive radius.

Topp-, kontinuerlig og 30-minutters effekt

Toppeffekt er den høyeste tilgjengelige ytelsen under angitte forhold. Den kan være begrenset av batteriets utladingseffekt, strømmen i vekselretteren, motorstrømmen, spenningen, rotorhastigheten, dekkgrepet eller programvaren og ikke bare av motoren. En toppverdi uten varighet og starttemperatur sier lite om repeterbarheten.

Kontinuerlig effekt er et begrep for termisk likevekt: Varmen som genereres ved driftspunktet, kan fjernes uten at temperaturene fortsetter forbi grensene. Verdien endres med temperaturen og gjennomstrømningen i kjølevæsken, omgivelsesforhold, oljetemperatur, kjøretøyets hastighet og hvilke komponenter som deler varmekretsen.

FN-regulativ nr. 85 definerer prosedyrer for nettoeffekt og maksimal 30-minutters effekt fra elektriske drivlinjer som brukes ved typegodkjenning av kjøretøy. Tretti-minutters effekt er en regulert måling, ikke et universelt synonym for effekt som kan leveres kontinuerlig på ubestemt tid. Kjøretøyets batteri kan også begrense effekten som kan oppnås i en test av hele kjøretøyet.

Disse definisjonene forklarer hvorfor en elbil kan markedsføres med høy akselerasjonseffekt, men vise en langt lavere kontinuerlig verdi eller 30-minuttersverdi i typegodkjenningsdata. Begge kan være riktige.

Virkningsgradskart

En motor har ikke én bestemt virkningsgrad. Et dynamometerkart registrerer virkningsgraden i et rutenett av punkter for turtall og dreiemoment. Konturlinjer viser hvor maskinen er mest effektiv, og hvor stort dette området er.

Ved lavt turtall og høyt dreiemoment er strømmen høy, og kobbertapet er fremtredende. Ved høyt turtall og lavt dreiemoment kan jerntap, luftmotstandstap, lagertap, koblingstap i vekselretteren og feltsvekkingsstrøm dominere. Nær null dreiemoment er de faste tapene store i forhold til den nyttige effekten, slik at den prosentvise virkningsgraden kan være lav selv om det absolutte effekttapet er beskjedent.

Et virkningsgradskart bør opplyse:

om det omfatter motoren, motoren sammen med vekselretteren eller den komplette drivenheten;
likespenning og vekselretterens koblingsforhold;
temperaturer og gjennomstrømning for kjølevæske og olje;
motordrift, regenerering eller begge deler;
grenser for maksimalt og kontinuerlig dreiemoment;
om hjelpepumper og styreenheter er inkludert;
måleusikkerhet og interpolasjonsmetode.

Den beste virkningsgraden i ett enkelt punkt er nyttig for å vurdere det tekniske potensialet, men energiforbruket i en kjøresyklus avhenger av hvor kjøretøyet faktisk arbeider på kartet.

Termisk testing

Ved termiske tester plasseres sensorer i viklinger, stator, kjølevæske, olje, lagre, vekselrettermoduler og noen ganger rotor. Noen temperaturer måles direkte, mens andre baseres på motstand, observatører eller kalibrerte modeller.

Testing i stabil tilstand fastslår den kontinuerlige kapasiteten. Transiente tester undersøker hvor mye maksimalt dreiemoment som kan leveres fra ulike starttemperaturer, og hvor raskt systemet gjenvinner kapasiteten. Gjentatte akselerasjoner, vedvarende høy hastighet, fjellkjøring, kjøring med tilhenger, terrengkjøring ved lav hastighet og gjentatt regenerering belaster systemet forskjellig.

Hvilken komponent som er varmest, kan endre seg med driftspunktet. Høy strøm kan begrense statorviklinger eller halvledere, mens høyt turtall kan belaste rotormagneter, lagre, olje eller elektroblikk. Styringssystemet bruker disse modellene til å redusere dreiemomentet før maskinvaren når en skadelig temperatur.

Mekaniske og elektriske grenser

Overhastighetstesting kontrollerer rotor, aksel, lagre og festesystemer over normal maksimal hastighet med en passende sikkerhetsmargin. Rotasjonstester kan utføres uten elektromagnetisk belastning, mens kombinerte dynamometertester tilfører dreiemoment og varme.

Elektriske tester omfatter isolasjonsmotstand, dielektrisk styrke, partielle utladninger der det er relevant, respons på spenningsstøt, fasemotstand, induktans, mot-EMF, resolverjustering og drift under spenningstransienter fra vekselretteren. Permanentmagnetmotorer må også kontrolleres for irreversibel avmagnetisering og sikker tomgangsspenning.

Holdbarhetsprogrammer legger til vibrasjoner, mekaniske støt, temperatursykluser, fuktighet, salt, eksponering for kjølevæske eller olje, forurensning og gjentatte vendinger av dreiemomentet. Holdbarheten til tannhjul og lagre er avgjørende når det klassifiserte produktet er en integrert drivenhet og ikke en frittstående motor.

NVH og dreiemomentkvalitet

Gjennomsnittlig dreiemoment kan skjule variasjoner. Dreiemomentmåling med høy oppløsning og ordensanalyse identifiserer elektromagnetiske harmoniske frekvenser, tannmoment, virkninger fra vekselretteren, tannhjulsinngrep, lagerfrekvenser og strukturelle resonanser.

Akustiske tester bruker mikrofoner, akselerometre, strømprober og hastighetsreferanser til å knytte hørbare toner til kildeordenen. Testing med positivt dreiemoment, frirulling, regenerering, ulike temperaturer og forskjellige koblingsstrategier er nødvendig, fordi et stillegående punkt ved full belastning ikke nødvendigvis forutsier kupéstøy ved lav belastning.

Standarder og repeterbarhet

SAE J2907 gir en anbefalt praksis for repeterbar ytelseskarakterisering av delsystemer med motor og drivenhet i elektrifiserte drivlinjer. FN-regulativ nr. 85 omhandler typegodkjenningsmålinger av nettoeffekt og maksimal 30-minutters effekt. Disse prosedyrene besvarer ulike spørsmål.

Forskningslaboratorier og produsenter bruker også interne metoder for kartlegging av virkningsgrad, termiske grenser, holdbarhet og NVH. Fraværet av én universell offentlig test betyr at publiserte resultater bare bør anses som sammenlignbare når metode og systemgrense er oppgitt.

Uavhengig repeterbarhet krever kalibrerte instrumenter, stabiliserte temperaturer, definerte væsker, korrigering for tap i dynamometer og kobling samt tilstrekkelig stabiliseringstid. Oppgitt usikkerhet er en del av resultatet, særlig ved sammenligning av systemer der virkningsgraden bare skiller seg med tideler av et prosentpoeng.

Slik leses kjøretøyspesifikasjoner

Kontroller følgende når en opplysning om en elbilmotor vurderes:

Gjelder verdien én motor, én aksel eller hele kjøretøyet?
Er det effekt og dreiemoment ved motorakselen, girkassens utgang eller hjulene?
Er effekten en topp-, 30-minutters eller kontinuerlig verdi?
Hvilken batterispenning og ladetilstand var tilgjengelig?
Var motoren og batteriet allerede varme?
Omfatter virkningsgraden vekselretter, girkasse, pumper og hjelpeutstyr?
Er tallet ett enkelt driftspunkt eller resultatet av en kjøresyklus?

Hvis disse svarene mangler, kan tallet beskrive kjøretøyet riktig, men det kan ikke danne grunnlag for en detaljert teknisk sammenligning.

Fortsett gjennom motorserien

Gå tilbake til Electric Motors and Drive Units, og bruk kapittelet motor cooling til å forstå hvorfor vedvarende ytelse endres med de termiske forholdene.