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Hochgenaue Messtechnik für Drehmomente an Elektromotoren

| Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Bei Elektromotoren sind die Drehzahlen im Vergleich zum Verbrennungsmotor deutlich höher. Prüfstandskonzepte für E-Mobility müssen komplett überdacht werden. Spezialist Manner bietet Designs für die Drehmomentaufnahme.

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Das HS-Torque mit Pick Up und Tubus-Auswerteeinheit von Manner eignet sich zum Einbau in den Schaltschrank.
Das HS-Torque mit Pick Up und Tubus-Auswerteeinheit von Manner eignet sich zum Einbau in den Schaltschrank.
(Bild: Manner)

Für elektrisch angetriebene Fahrzeuge sollen deutlich leichtere Motoren entwickelt werden, die höhere Drehzahlen bei gleicher Leistung bieten. Hierdurch kann sowohl beim Bauraum als auch bei den Kosten deutlich eingespart werden. Schon heute sind die geforderten Drehzahlen für elektrisch angetriebene Fahrzeuge 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 35000 Umdrehungen pro 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 Komponentenbetrachung sind jetzt nicht mehr ausreichend. Prüfstandskonzepte für die Elektromobilität der Zukunft müssen mit diesem Hintergrund neu entwickelt werden.

Gesamter Antriebsstrang

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 wie Biegemoment, Seitenkräften und Axialkraft sind bei den hohen Drehzahlen äußerst kritisch. Die parasitären Kräfte haben nicht nur Auswirkungen auf die Antriebstechnik, sondern auch auf deren Messtechnik.

Natürlich ist hier die hochgenaue Drehmomenterfassung wichtig, um den Wirkungsgrad zu bestimmen. 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 oder Turbinenprüfstände anzuwenden.

Zusätzlich müssen mögliche Messaufnehmer im Prüfstandsgetriebe integriert werden. 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.

Messtechnik für Prüfstandbetrieb

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

Der Prüfstandbetrieb, um Elektromotoren zu erproben, 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 ungefähr 2,5 Prozent. Außerdem gibt es bei diesen Drehzahlen einen drehzahlabhängigen Fehler des Nullpunktes.

Gleichbleibend hohe Genauigkeit

Manner hat für den Prüfstandsbetrieb 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 Auswerteinheit erreicht. Dieser rechnet in Echtzeit die Rohwerte des Messkörpers in die korrigierten Werte um. Als Basis dienen die parallel erfasste Messkörpertemeperatur und die Drehzahl. In der Regel werden bei modernen Prüfstandskonzepten die erfassten Daten digital via EtherCAT, CAN oder Ethernet an die Prüfstandsdatenerfassung übergeben.

Der Nachweis der Güte des Messaufnehmers wird über einen klimatisierten Kalibrierstand erreicht, welcher mit Umgebungstemperaturen von -40 bis 160 °C arbeitet. Entsprechende Drehzahltesteinrichtung sichern die Drehzahlunabhängigkeit des Messaufnehmers ab. Für Standardanwendungen gibt es die HS-Torque-Baureihe. Hohe 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.

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