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Prüfstandsmesstechnik: Hohe Drehzahlen bei E-Motoren zuverlässig aufnehmen

| Redakteur: Hendrik Härter

Die temperatur- und drehzahlkompensierten Drehmomentaufnehmer liefern über den gesamten Betriebsbereich eine gleichbleibende und hohe Genauigkeit.
Die temperatur- und drehzahlkompensierten Drehmomentaufnehmer liefern über den gesamten Betriebsbereich eine gleichbleibende und hohe Genauigkeit. (Bild: Manner)

Die Prüfstandkonzepte für E-Motoren müssen komplett überdacht und angepasst werden. Hier sind es vor allem die hohen Drehzahlen, die präzise aufgenommen werden müssen.

Ziel bei der Entwicklung von E-Antrieben ist es, durch die höheren Drehzahlen das Gewicht der Motoren bei gleicher Leistung zu senken. Damit lassen sich Bauraum und Kosten einsparen. Schon heute sind die geforderten Drehzahlen für E-Mobility von bis zu 22.000 U/min deutlich über dem der Verbrennungsmotoren und damit etwa auf Rennsport Niveau wie in der Formel 1.

Es besteht noch mehr Einsparpotenzial durch einen weiteren Anstieg dieser ohnehin sehr hohen Drehzahlen. Erste Konzepte für Drehzahlen von 35.000 U/min sind bereits entwickelt. Mit solch hohen Drehzahlen kam die Automobilindustrie bisher nicht in Berührung und deshalb bewegt man sich hier auf technischem Neuland. Bekannt und gut erforscht sind solche hohen Drehzahlen in der Luftfahrt bei Turbinenherstellen. Die klassische Prüfstandkonzepte der Automobilindustrie mit ihrem modulare Aufbau und der damit verbunden Komponentenbetrachung sind jetzt nicht mehr ausreichend. Prüfstandkonzepte für die Elektromobilität der Zukunft müssen mit diesem Hintergrund neu entwickelt werden.

Das Drehmoment erfassen

Für die Auslegung hoher Drehzahlen muss der gesamte Antriebsstrang schwingungstechnisch betrachtet werden. Die Eigenfrequenzen der einzelnen Komponenten gehen entscheidend in die Gesamtstabilität des Wellenstrangs ein. Torsionale Weichteile wie Kupplungen zur Entkopplung von parasitären Kräften sind bei den hohen Drehzahlen äußerst kritisch.

Die parasitären Kräfte haben nicht nur Auswirkungen auf die Antriebstechnik, sondern auch auf deren Messtechnik. Die hochgenaue Erfassung des Drehmoments zur Bestimmung des Wirkungsgrades ist von zentraler Bedeutung. Allerdings sind herkömmliche Konzepte zur Drehmomenterfassung nicht mehr ausreichend. Die geforderten hohen Resonanzen, ein geringes Übersprechen von parasitären Kräften auf die Drehmomentmessung und hohe Radialkräfte erfordern neuartige Designs der Drehmomentaufnehmer. Für diese Aufgabenstellung sind Designkriterien wie die für Turbo-Maschinen bzw. Turbinenprüfstände anzuwenden.

Durch die ständige Weiterentwicklung beim Entwurf und der Realisierung von Spezialaufnehmern für Turbinen- und Turboladerprüfstände hat Manner Sensortelemetrie in den letzten 15 Jahre sehr viel Wissen aufgebaut. Die Kompetenz reicht vom mechanischen Design bis hin zur hochgenauen Erfassung des Drehmoments auch bei hohen Umgebungstemperaturen von bis zu 160 °C und der entsprechend kontaktlosen Übertragungstechnik, der sogenannten Sensortelemetrie.

Der Prüfstandsbetrieb zur Erprobung von Elektromotoren fordert hochpräzise Messmittel. Standard ist heute die Genauigkeitsklasse von 0.05. Diese Genauigkeit sollte jedoch nicht nur am statischen Kalibrierstand mit einer Normtemperatur von 22 °C gewährleistet sein, sondern über die gesamte Betriebstemperatur. Eine besondere Herausforderung stellt bei Prüfständen für E-Motoren die erhöhte und stetig wechselnde Umgebungstemperatur dar. Bekanntlich ändert sich der E-Modul eines Messkörpers über der Temperatur mit ca. 2,5 Prozent, das ist erheblich. Zudem gibt es bei diesen Drehzahlen einen drehzahlabhängigen Fehler des Nullpunktes.

Drehmoment aufnehmen

Dazu hat Manner temperatur- und drehzahlkompensierte Drehmomentaufnehmer entwickelt, welche über den gesamte Betriebsbereich eine gleichbleibende und hohe Genauigkeit liefern. Das erfasste Drehmoment wird bereits im Rotor digitalisiert. Die Messwerte werden digital und kontaktlos zur Signal Pick Up übertragen. Die Kompensation wir über einen integrierten Signalprozessor in der Auswerteeinheit erreicht. Dieser rechnet in Echtzeit die Rohwerte des Messkörpers in die korrigierten Werte um. Als Basis dienen die parallel erfasste Messkörpertemperatur und die Drehzahl. In der Regel werden bei Prüfstandskonzepten die erfassten Daten digital via EtherCAT, CAN oder Ethernet an die Prüfstandsdatenerfassung übergeben.

Der Nachweis der Güte des Messaufnehmers wird mittels eines klimatisierten Kalibrierstandes, welcher mit Umgebungstemperaturen von -40 bis 160 °C arbeitet, geführt. Entsprechende Drehzahltesteinrichtung sichern die Drehzahlunabhängigkeit des Messaufnehmers ab. Für Standardanwendungen gibt es die HS-Torque-Baureihe. Die Nenndrehzahlen von bis zu 35.000 min-1 sind für die HS-Torque-Bauform unproblematisch. Die Baureihe umfasst die Ausführungen von 200 und 500 Nm sowie 1 und 2 kNm.

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