Provning och effektangivelser för elmotorer

Uppgifter om elmotorer för fordon är meningsfulla först när provets systemgräns, varaktighet, temperatur, spänning och driftpunkt är kända. Toppeffekt, kontinuerlig effekt, motorverkningsgrad, drivenhetens verkningsgrad, axelvridmoment och hjulvridmoment beskriver olika mätningar och kan inte ersätta varandra.

Börja med mätningens systemgräns

En motor kan provas ensam på en dynamometer, tillsammans med sin växelriktare, med reduktionsväxlar, som en komplett axel eller inuti ett fordon. Varje systemgräns omfattar olika förluster.

Motorverkningsgraden jämför den mekaniska axeleffekten med den elektriska effekten vid motoranslutningarna. Verkningsgraden för motor och växelriktare utgår från växelriktarens likströmsingång. Drivenhetens verkningsgrad kan dessutom omfatta kugghjul, differential, lager, tätningar, smörjpumpar och effekt till styrsystem. Verkningsgraden från batteri till hjul omfattar ännu mer: batteriresistans, kablar, kontaktorer, hjälpsystem, däck och andra belastningar i fordonet.

Två resultat med samma procenttal kan inte jämföras förrän deras in- och utgångsgränser överensstämmer. Riktningen spelar också roll, eftersom motordrift och regenerering har olika förhållanden för ström, spänning och förluster.

Vridmoment, varvtal och effekt

Axeleffekten är produkten av vridmomentet och vinkelhastigheten:

power = torque × rotational speed

Ett högt vridmoment vid noll hastighet ger ingen mekanisk effekt i det ögonblicket. Effekten ökar när hastigheten stiger genom området med konstant vridmoment. Över basvarvtalet tvingar gränserna för spänning och mot-EMK vanligtvis ned vridmomentet, vilket ger ett område med ungefär konstant effekt.

En dynamometer mäter axelns vridmoment och varvtal. Elektriska instrument mäter samtidigt fas- eller likspänning och ström. Noggranna verkningsgradsmätningar kräver synkroniserade mätvärden, eftersom ett litet tids- eller kalibreringsfel kan dominera den beräknade förlusten när verkningsgraden är hög.

Motorvridmoment ska inte förväxlas med axel- eller hjulvridmoment. En reduktionsväxel multiplicerar vridmomentet ungefär med sin utväxling och verkningsgrad. Kraften vid hjulet beror sedan på däckets effektiva radie.

Topp-, kontinuerlig och 30-minuterseffekt

Toppeffekt är den högsta tillgängliga uteffekten under angivna förhållanden. Den kan begränsas av batteriets urladdningseffekt, växelriktarström, motorström, spänning, rotorvarvtal, däckgrepp eller programvara och inte enbart av motorn. En toppuppgift utan varaktighet och starttemperatur säger lite om repeterbarheten.

Kontinuerlig effekt är ett begrepp för termisk jämvikt: Den värme som bildas vid driftpunkten kan föras bort utan att temperaturerna fortsätter förbi sina gränser. Värdet ändras med kylvätskans temperatur och flöde, omgivningsförhållanden, oljetemperatur, fordonshastighet och vilka komponenter som delar värmekretsen.

FN-föreskrift nr 85 anger förfaranden för nettoeffekt och maximal 30-minuterseffekt hos elektriska drivlinor som används vid typgodkännande av fordon. Trettiominuterseffekt är ett reglerat mätvärde, inte en allmän synonym för en effekt som kan levereras kontinuerligt utan tidsgräns. Fordonsbatteriet kan också begränsa den effekt som går att uppnå vid provning av ett komplett fordon.

Dessa definitioner förklarar varför en elbil kan marknadsföras med hög accelerationseffekt men visa ett betydligt lägre kontinuerligt värde eller 30-minutersvärde i typgodkännandedata. Båda kan vara korrekta.

Verkningsgradskartor

En motor har inte en enda verkningsgrad. En dynamometerkarta registrerar verkningsgraden i ett rutnät av varvtals- och vridmomentpunkter. Konturlinjer visar var maskinen är effektivast och hur stort området är.

Vid lågt varvtal och högt vridmoment är strömmen hög och kopparförlusten framträdande. Vid högt varvtal och lågt vridmoment kan järnförlust, luftmotståndsförlust, lagerförlust, växelriktarens kopplingsförlust och fältförsvagningsström dominera. Nära noll vridmoment är de fasta förlusterna stora i förhållande till den nyttiga uteffekten, så den procentuella verkningsgraden kan vara låg även om den absoluta effektförlusten är måttlig.

En verkningsgradskarta bör redovisa:

om den omfattar motorn, motorn och växelriktaren eller den kompletta drivenheten;
likspänning och växelriktarens kopplingsförhållanden;
kylvätskans och oljans temperaturer och flöden;
motordrift, regenerering eller båda;
gränser för maximalt och kontinuerligt vridmoment;
om hjälppumpar och styrenheter ingår;
mätosäkerhet och interpoleringsmetod.

Den bästa verkningsgraden i en enskild punkt är användbar för att bedöma den tekniska potentialen, men energianvändningen under en körcykel beror på var fordonet faktiskt arbetar på kartan.

Termisk provning

Vid termiska prov placeras sensorer i lindningar, stator, kylvätska, olja, lager, växelriktarmoduler och ibland rotor. Vissa temperaturer mäts direkt, medan andra bygger på resistans, observatörer eller kalibrerade modeller.

Stationär provning fastställer den kontinuerliga kapaciteten. Transienta prov undersöker hur stort toppvridmoment som kan levereras från olika starttemperaturer och hur snabbt systemet återhämtar sig. Upprepade accelerationer, långvarig hög hastighet, bergskörning, släpvagnsdragning, terrängkörning i låg hastighet och upprepad regenerering belastar systemet på olika sätt.

Vilken komponent som är varmast kan ändras med driftpunkten. Hög ström kan begränsa statorlindningar eller halvledare, medan högt varvtal kan belasta rotormagneter, lager, olja eller elektroplåt. Styrsystemet använder dessa modeller för att minska vridmomentet innan hårdvaran når en skadlig temperatur.

Mekaniska och elektriska gränser

Övervarvsprovning verifierar rotor, axel, lager och fasthållningssystem över normal maximal hastighet med en lämplig säkerhetsmarginal. Rotationsprov kan utföras utan elektromagnetisk belastning, medan kombinerade dynamometerprov tillför vridmoment och värme.

Elektriska prov omfattar isolationsresistans, dielektrisk hållfasthet, partiell urladdning där det är relevant, beteende vid spänningsstötar, fasresistans, induktans, mot-EMK, resolverjustering och drift under växelriktarens spänningstransienter. Permanentmagnetmotorer behöver också kontrolleras med avseende på irreversibel avmagnetisering och säker tomgångsspänning.

Hållbarhetsprogram lägger till vibrationer, mekaniska stötar, temperaturcykling, fuktighet, salt, exponering för kylvätska eller olja, föroreningar och upprepade vridmomentsväxlingar. Kugghjulens och lagrens livslängd är avgörande när den klassade produkten är en integrerad drivenhet och inte en fristående motor.

NVH och vridmomentets kvalitet

Det genomsnittliga vridmomentet kan dölja rippel. Vridmomentsmätning med hög upplösning och ordningsanalys identifierar elektromagnetiska övertoner, kuggmoment, växelriktareffekter, kuggingrepp, lagerfrekvenser och strukturella resonanser.

Akustisk provning använder mikrofoner, accelerometrar, strömprober och hastighetsreferenser för att koppla hörbara toner till deras källordning. Provning med positivt vridmoment, frirullning, regenerering, olika temperaturer och olika kopplingsstrategier är nödvändig, eftersom en tyst punkt vid full belastning kanske inte förutsäger kupébuller vid låg belastning.

Standarder och repeterbarhet

SAE J2907 ger en rekommenderad metod för repeterbar prestandakarakterisering av delsystem med motor och drivning i elektrifierade drivlinor. FN-föreskrift nr 85 behandlar typgodkännandemätningar av nettoeffekt och maximal 30-minuterseffekt. Dessa förfaranden besvarar olika frågor.

Forskningslaboratorier och tillverkare använder också interna metoder för kartläggning av verkningsgrad, termiska gränser, hållbarhet och NVH. Avsaknaden av ett universellt offentligt prov innebär att publicerade resultat endast bör betraktas som jämförbara när metod och systemgräns redovisas.

Oberoende repeterbarhet kräver kalibrerade instrument, stabiliserade temperaturer, definierade vätskor, korrigering för förluster i dynamometer och koppling samt tillräcklig stabiliseringstid. Redovisning av osäkerhet är en del av resultatet, särskilt när system jämförs vars verkningsgrad skiljer sig med tiondelar av en procentenhet.

Så läser du fordonsspecifikationer

Kontrollera följande när en uppgift om en elmotor i ett fordon utvärderas:

Gäller värdet en motor, en axel eller hela fordonet?
Avser det effekt och vridmoment vid motoraxeln, växellådans utgång eller hjulen?
Är effekten en topp-, 30-minuters- eller kontinuerlig effekt?
Vilken batterispänning och laddningsnivå fanns tillgänglig?
Var motorn och batteriet redan varma?
Omfattar verkningsgraden växelriktare, växellåda, pumpar och hjälpsystem?
Är siffran en enda driftspunkt eller resultatet från en körcykel?

Om svaren saknas kan siffran beskriva fordonet korrekt, men den kan inte ligga till grund för en detaljerad teknisk jämförelse.

Fortsätt genom motorserien

Gå tillbaka till Electric Motors and Drive Units och använd kapitlet motor cooling för att förstå varför den uthålliga effekten ändras med de termiska förhållandena.