Hochgenaue Prüfstandsdrehmomentmesstechnik für E-Mobility

MANNER: Für die Entwicklung der E-Mobility sind neue Prüfstandskonzepte notwendig. Im Gegensatz zu den Verbrennungsmotoren sind bei den E-Motoren die Drehzahlen deutlich höher. Damit müssen Prüfstandskonzepte für die Elektromobilität der Zukunft komplett überdacht und für die neuen Anforderungen angepasst werden. Basierend auf der jahrelangen Erfahrung als Partner der Turbinenindustrie bietet MANNER Drehmomentaufnehmerdesigns, die diesen Anforderungen gerecht werden.

Typische Aufgabenstellung

Ziel der Entwicklungen im Bereich der E-Mobility ist es, durch die höheren Drehzahlen das Gewicht der Motoren bei gleicher Leistung deutlich zu verringern. Hierdurch kann sowohl beim Bauraum, als auch bei den Kosten, deutlich eingespart werden.  Schon heute sind die geforderten Drehzahlen für E-Mobility von bis zu 22.000 Umdr./min deutlich über denen 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 Umdr./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 Prüfstandskonzepte der Automobilindustrie mit ihrem modulare Aufbau und der damit verbunden  Komponentenbetrachtung sind jetzt nicht mehr ausreichend.  Prüfstandskonzepte für die Elektromobilität der Zukunft müssen mit diesem Hintergrund neu entwickelt werden.

Herausforderung

Für die Auslegung derartig hoher Drehzahlen muss der gesamte Antriebstrang 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 wie Biegemoment, Seitenkräften und Axialkraft sind bei den hohen Drehzahlen äußerst kritisch. Diese parasitären Kräfte haben nicht nur Auswirkungen auf die Antriebstechnik, sondern auch auf deren Messtechnik.
Natürlich ist auch hier die hochgenaue Drehmomenterfassung zur Bestimmung des Wirkungsgrades 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.

Des Weiteren müssen derartige Messaufnehmer in Prüfstandsgetriebe integriert werden. Zusätzliche Forderungen nach Schmierung von Gleitlagern erfordern häufig auch Hohlwellenausführungen. In den Bohrungen wird häufig das Schmiermittel transportiert. Auch die notwendige Temperaturfestigkeit ist deutlich höher als die bisher üblichen +85°C. Bei Klimaprüfständen umfasst der Temperaturbereich -40 bis +150°C. Durch die integrierte Ausführung ist ein angepasstes Design häufig unabdingbar. Dabei ist die Robustheit des Messmittels von besonderer Bedeutung.

Lösung

Als langjähriger Partner der Luftfahrt- und insbesondere Turbinenindustrie hat die Firma MANNER Sensortelemetrie in der Herstellung derartiger Aufnehmer sehr viel Erfahrung.
Durch die ständige Weiterentwicklung beim Entwurf und der Realisierung von Spezialaufnehmern für Turbinen- und Turboladerprüfstände hat MANNER in den letzten 15 Jahre sehr viel Know-How 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 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 +22°C Normtemperatur 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 %, dies ist erheblich. Desweitern gibt es bei diesen Drehzahlen einen drehzahlabhängigen Fehler des Nullpunktes.

Für diese Herausforderungen baut die Firma MANNER temperatur- und drehzahlkompensierte Drehmomentaufnehmer, welche über den gesamten 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 Auswerteinheit 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 modernen Prüfstandskonzepten die erfassten Daten digital via EtherCAT, CAN oder Ethernet an die Prüfstandsdaten-erfassung 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 hohen Nenndrehzahlen von bis zu 35.000 min-1 sind für die HS-Torque Bauform unproblematisch. Der HS-Torque Aufnehmer ist seit mehr als 15 Jahre erfolgreich in Turbinenprüfständen im Einsatz.

Die Baureihe umfasst die Ausführungen von 200 Nm; 500 Nm;
1 kNm; 2 kNm.

Die Option Hohlwelle erlaubt komplexe Prüfstandskonzepte. Ölversorgung im Zentrum oder Aktorik sind kein Problem.