KURZUS: Járművillamosság és elektronika 1.

MODUL: I. modul

10. lecke: BLDC motor villamos fékpadi vizsgálata

| A lecke tanulásának a célja: A lecke során a villamos gépek tulajdonságainak megismerésén túl az őket vizsgáló fékpadokat is ismertetjük. Tárgyaljuk a mért paramétereket, adatgyűjtési módszereket, mérőeszközöket.
Szükségesen elsajátítandó: Ismerni kell a villamos gépek mérését fékpadok segítségével. Milyen részegységei vannak egy ilyen berendezésnek, szükség van-e hűtésre, töltésre, kiegyenlítésre. Hatásfok mezők hogyan mérhetőek.
Oktatási segédlet: Endrődy-Nagy: Gépjármű villamos berendezések Tk. Bp. 1987. J 19-610 Schmidt-Rajki-Vincze: Járművillamosság Tk. Bp. 2002 Tom Denton: Automobile electrical and elect-ronic systems, British Library 2012 4th edition Bosch műszaki útmutató füzetek, Maróti kiadó
Lecke elsajátításának időtartama: A lecke elsajátításához kb. 90 perc szükséges.
BLDC motor villamos fékpadi vizsgálata és alternatív energia források vizsgálata
Belsőégésű motor hatásfoka
Belsőégésű motor hatásfoka
1. ábra
Az 1. ábra mutatja a belsőégésű motor hatásfok mezőjét. Mint látható az ábráról, a vizsgált dízel motor legjobb hatásfoka 40%-ot éri el.
Mekkora a belsőégésű motorok hatásfoka?
Benzines: -25 - 30 - 40% Dízel: -30 - 35 - 40%
Hogyan lehetne a hatásfokot növelni?
Veszteségek csökkentése Az alak optimalizálása Topológia megváltoztatása
Miért jobb a villamos gép?
Villamos gépek hatásfoka elérheti a 95%-ot is bizonyos munkapontokban. A 2. ábra szemlélteti egy állandó mágneses szinkron motor hatásfokát. Megállapítható, hogy a legjobb hatásfokot csak szűk tartományban tudja, de általánosságban majdnem minden munkaponton közel kétszerese a hatásfoka, mint a dízel motor optimális esetben.
A 3. ábra szemlélteti a vonóerő - sebesség karakterisztikáját a villamos gépnek.
Miért a villamos gép?
2. ábra
Nyomaték-sebesség karakterisztikája a villamos gépnek:
alacsony sebességen nagy nyomaték, állandó nyomatéktartomány, nagy maximális sebesség.
Villamos gép vonóerő - fordulatszám grafikonja
3. ábra
Magas hatásfok széles működési tartományban
Nyomaték-sebesség karakterisztikája kedvező Gyors és pontos szabályozás Motoros és generátoros üzemre is képes - visszatápláló fékezés Hajtáslánc konfigurációja - mindegyik motor másik lehetőség Kihívások: Ár → gyártás Méret, hűtés stb. Feszültségforrás, energiatárolás
Az elektromos autókban használt motorok típusai-váltakozó áramú motorok fajtái
4. ábra
A 4. ábra mutatja az elektromos autókban használt motorok típusait. Különböző tulajdonságokkal rendelkeznek, igényektől függően lehet őket választani a kíván hajtásláncba.
Állandó mágneses gépek
Az állandó mágnesek a forgórészben találhatóak. Vagy a felületén, vagy alatta hornyokban.
Az 5. ábra az állandó mágneses gépek tulajdonságait mutatja. A motor árama arányos a nyomatékával. Induláskor maximális nyomatékkal indul, ami különösen előnyös tulajdonságú. Adott fordulatszám eléréséig közel állandó nyomatékkal rendelkezik, majd e fölötti fordulatszám esetén a teljesítménye lesz közel állandó. A hatásfoka javul a terhelés és fordulatszám emelkedésével.
Az állandó mágneses gépek tulajdonságai
5. ábra
Remy motorok a váltóban
Mezőkövesden készítették néhány évig őket és Mercedes és BMW terepjárók váltóművébe építették be őket. 3 db szinkron gép (HVH 250 és HVH 410) is beépítésre került. 67 illetve 63 kW-os hajtás illetve fékezés céljából, a kisebb 5 kW-os pedig a hűtőközeg keringetésére szolgál.
Remy motorok a váltóban
6. ábra
A 6. ábra Remy motorokat szemlélteti a váltóban. A motorok állórésze tömör rézvezetékekből áll, melyek keresztmetszete kb. 10 mm2. Forgó része pedig állandó mágnesekből áll, melyek az egyik legerősebb mágneses teret hozzák létre ebben a kategóriában. Ilyen villanymotorral fékezzük a kisebb villamos fékpadunkon a vizsgálandó villanymotorokat. Nem használjuk ki a nyomaték illetve fordulatszám határait, de kis feszültségszinten is tud számunkra elegendő nyomatékkal terhelni.
Kapcsolt reluktancia gép lendkerékkel és kuplunggal egybeépítve
Kapcsolt reluktancia gép lendkerékkel és kuplunggal egybeépítve
7. ábra
A 7. ábra mutatja a kapcsolt reluktancia gépet lendkerékkel és kuplunggal egybeépítve. Ezeket a motorokat ott alkalmazzák előszeretettel, ahol magas fordulatszám tartomány elérése a cél.
Fékpad fő részei- korábban:
Villamos fékpad fő részei
8. ábra
A 8. ábra a korábbi villamos fékpadunk fő részeit mutatja. Számítógépes tervként a 9. ábrán látható, majd összeszerelve a 10. ábrán látható.
Fékpad tervezett képe
9. ábra
Fékpad megvalósítva, összszerelve
10. ábra
Szemből nézve a Remy motorunk fékgépként szolgál a bal oldalon, míg a vizsgált motor egy JKK-s tervezésű és gyártású PMSM motor.
Heinzmann motor röntgen képe
A 11. ábra egy Heinzmann motort mutat, a röntgen képével együtt. Ezzel a technológiával, akár bontás nélkül is megállapítható a motor hibája és jelentős többlet költségektől tekinthet el a tulajdonosa.
Heinzmann motor és röntgen képe
11. ábra
Fékpad - múlt
A 12. ábra mutatja a 2017-ig használt kisteljesítményű villamos fékpadunkat. Jellemzői a következők:
Beépített mérőpanel Nyomaték-mérő és kuplung Akkumulátor pakk a pad alatt Azonnal számolta és megjelenítette az eredményeket
Fékpadunk 2016-ban
12. ábra
Mérőrendszer leírása:
A mérőrendszernek egy saját szoftvere van, amely akár teljesen automatizált méréseket is végre tud hajtani. A híd engedélyezésével lehet a tápfeszültséget rákapcsolni a motorvezérlőkre. Ezt követően lehetőségünk van nyomaték és fordulatszám vezérelt üzemmódot választani, aminek a függvényében változnak az aktív paraméter mezők a felhasználói felületen. Manuális vezérlés esetén a csúszkák segítségével tudjuk vezérelni a motorok áram, nyomaték és fordulatszám paramétereit. Automatizált mérés esetén előre felparaméterezett excell fájlból tudjuk a szoftvernek megadni, hogy melyik időpillanatban milyen áram és fordulatszám értékeket adjon a motoroknak. A mért áram, feszültség, fordulatszám és nyomaték értékeket, valamint az ezekből számítás útján meghatározott hatásfok, mechanikai és villamos teljesítmény értékek a felhasználói felületen megjelenítésre kerülnek. Ezeknek a paramétereknek a tárolására is van lehetőségünk táblázat vagy grafikon formájában. Ma már egy másik felhasználói felületet használunk, amely Labview fejlesztői környezetben készült.
Fékpad adatok:
beállítható a mintavételezés frekvenciája (100 ms-ig), darabszáma, időpontja, kiválasztható az eltárolandó jelek listája, grafikonos ábrázolást is készít a mérőszoftver a mért változókról, fékező motor feszültsége akár 200 V DC és 100 A DC is lehet, 70 Nm-es nyomatékú fékezésig, hasonló teljesítményszint engedhető meg a vizsgálandó motor paraméterének is, rövidzárási mérések is végezhetők a beépített, mechanikus kézifék segítségével.
A fékpad kijelző és kezelő panelja
13. ábra
A 13. ábrán a fékpad mérőprogram kezelő felülete látható. A mérések végén a kiválasztott és elmentett adatokat azonnal ábrázolja.
A kapott eredmények megjelenítése a mérőprogram által
14. ábra
A 14. ábra a mérési eredményeket mutatja.
A mérőrendszer felépítése
Az elektromos járműfejlesztésből eredően a teljes mérőrendszer CAN szabványú vezérlésen alapul. A tápellátást két módon biztosíthatjuk. Vagy igény szerinti számú, 40 Ah-ás Li-Ion akkumulátor csomagok sorba és vagy párhuzamosan kötésével biztosítjuk a tápfeszültséget és kapacitást. Vagy a villamos hálózatról nagyteljesítményű toroid, leválasztó transzformátor és egyenirányító híd segítségével állítjuk be az igényelt feszültség szintet. A mérőpad fékező motorja egy AMC szabályzó egységgel működtetett BLDC Remy motor.
A mérendő motorokhoz saját magunk fejlesztettünk Texas Instruments és Microchip mikrovezérlők felhasználásával szinuszos, áramvektor forgatásra alkalmas motorvezérlőket. A padba beépített szenzorok segítségével külön-külön mérjük a motorok áramait és feszültségeit, valamint egy Burster szenzor segítségével a nyomaték-és fordulatszám értékeit. A motorvezérlők végfokozataiban található kondenzátorok bekapcsoláskor való töltésére, valamint kikapcsoláskor történő feszültségmentesítésére töltő és kisütő áramkörök lettek beépítve. Biztonsági relékkel az áramkörök akkumulátorról történő leválasztását biztosítjuk. A mérőpadon a felhasználó számára könnyen elérhető helyen egy vészleállító gombot is elhelyeztünk.
Saját fejlesztésű vezérlő kártya
15. ábra. Saját fejlesztésű vezérlő kártya
A 15 ábra a saját fejlesztésű vezérlő kártyát mutatja, amelynek segítségével folytak a mérések.
Conhis motor gyári és mért grafikonjai:
Conhis motor gyári és mért grafikonjai
16. ábra
A 16. ábrán látható a Conhis motor gyári és mért grafikonjai. A bal felső ábra a gyári paramétereket egy grafikonban ábrázolja. Mellette illetve alatta látható az általunk mért hatásfok és fordulat grafikon. Nagyon szépen együtt futnak, igaz egy százalékon belüli eltéréseket mértünk csak.
Próbapad továbbfejlesztése Labview kezelő felülettel és NI cRIO mérés vezérlővel
17. ábra. Próbapad továbbfejlesztése Labview kezelő felülettel és NI cRIO mérés vezérlővel
A 17. ábra mutatja a próbapad továbbfejlesztését Labview kezelő felülettel és NI cRIO mérés vezérlővel. A Natinal Instruments mérőkártyája még nagyobb mintavételezési sebességel rendelkezik, s a megjelenítési lehetőségek is tovább növekedtek.
Kezelő felület módosítása.
18. ábra
A 18. ábra a kezelő felület módosított képét mutatja.
Fékpad fő egységeit a 19 ábra mutatja. A motorokat, illetve az egyik motorvezérlőt.
A kis villamos fékpad fő egységei
19. ábra
Mérések
1. | Hatásfok mező felvétele adott típusú motor esetén
2. | Adott terhelések beállításával villamos fogyasztás, teljesítmény mérés (Murcia- Spanyolo., versenypálya)
3. | A mérések után következhetne a kiértékelés, ami matlab programmal, előre programozva is órák lehetnek
4. | Lehet az adatokat szűrésekkel, átlagolással pontosítani
5. | Mintavétel 100 adat/sec csatornánként
6. | 26 csatorna (áram, fesz, nyom, T, ford, hibajelek stb.)
Termikus motor vizsgálat
Termikus motor vizsgálat
20. ábra
A 20. ábrán láthatjuk a 15 kW-os motor hőmérséklet vizsgálatát. 24 csatornán mértük a motor különböző pontjaira elhelyezett hőmérséklet jeladók adatait a bekapcsolás utáni melegedéstől a visszahűlésig. Szimulációk is készültek a motor melegedésére, melyek paramétereit a mérésünkből pontosítani lehetett.
Hatásfok mező
Emoteq motor hatásfok mezeje
21. ábra
A 21.ábrán a SZEnergy team Shell Eco-marathonjára épített versenyautó motorját mértük, hatásfok mezője ott látható.
Számolások, adatok:
Pv=U*I (W)
Pm=M*2 π/60*n (W), itt a fordulatszámot rpm-ként kell beírni
M = F*r, ahol M a nyomaték [Nm], F a vonóerő [N] és r az erőkar [m]
Új villamos fékpad
5 kW-os teljesítmény
Remy fékezőmotor, AMC vezérlővel
1 kW-os BLDC motor
Saját fejlesztésű vezérlő
Saját szenzorika (nyomaték-mérő-HBM T20WN
LEM áram és feszültség szenzorok
Fordulatszám mérők - Heidenhain ECN1020-as inkrementális jeladó
Kommunikáció CAN buszon keresztül)
Új villamos fékpad
22. ábra
A 22. ábra az új villamos fékpadot mutatja.
Fékoldali motorvezérlő + fékmotor, mérendő motor oldal + érzékelő szekrény
23. ábra
A 23. ábrán Fékoldali motorvezérlő + fékmotor van a bal oldalon és mérendő motor oldal + érzékelő szekrény látható a jobb oldalon.
Komplett fékpad, mért motoroldal felől
24. ábra
A 24. ábrán is a fékpad látható, de a mért motoroldal felől.
A mért adatok megjelenítése két nagyképernyős monitoron történik, ami követhető:
Összes bemenő csatorna jele Határoló jelek Fék gép paraméterei Mért gép paraméterei Eredmények, grafikonok
Kezelő pult vészleállító gomb
25. ábra
A 25. ábrán látható a kezelő pult a monitorokkal és vészleállító gombbal. Ha szükséges, gombnyomásra feszültségmentessé válik a fékpad elkerülni a komolyabb problémákat.
A 26. ábrán a saját tervezésű és gyártású motorvezérlő látható. Cél a minimális fogyasztás, így optimális munkapontokon történő hajtásvezérlésre törekszünk.
JKK-s tervezésű és gyártású motorvezérlő
26. ábra

| Önellenőrző kérdések
1. Miért rosszabb a villamos gép, mint a belsőégésű motor?
| Hatásfokuk alacsonyabb
| Élettartamuk rövidebb
| Jobb a súrlódásuk
| Nehezebb energiával táplálni
2. Melyik a legjobb hatásfokú gép a válaszok közül?
| aszinkron
| soros egyenáramú
| kapcsolt reluktancia
| PMSM
3. Melyik tulajdonság nem igaz a PMSM motorokra?
| drága
| magas hatékonyságú
| állandó mágneses forgórészük van
| olcsó
4. Töltő és kisütő áramkörök miért kellenek egy fékpadra?
| Az energia forrásként szolgáló akkumulátorok kondícionálására
| Generátoros üzemmód kipróbálására
| be és kikapcsoláskor túl nagy áramok léphetnének fel nélkülük
5. A Labview programcsalád melyik cég tulajdonában van?
| National Intruments
| Remy Co.
| Texas Instruments
| Emoteq Co.
6. Miért kell indítómotor a belső égésű gépeknek?
| álló helyzetben nincs elegendő nyomatékuk
| túlterhelné induláskor az akkumulátort
| nem elég erős a generátor
| túl sokat fogyasztana induláskor
7. Mi a feladata a 3. villanymotornak a Remy sebességváltóműben?
| gyorsítani
| hűtőközeget keringetni
| lassítani
| generátoros üzemnél kell
| villamos fogyasztók ellátására
8. Miért jó ha egy fékpadba előre programozhatjuk a terhelési paramétereket?
| Távfelügyelettel is kezelhető akkor
| A beállításokat mérés közben változtatni kell
| mert vizsgálható vele egy adott pálya paramétereit beprogramozva a legoptimálisabb beállítás
| Le lehet ellenőrizni vele a beprogramozott adatokat
9. Mennyi csatornán keresztül ellenőriztük a 15 kW-os motor hőmérséklet adatait?
| 2
| 24
| 4
| 14
| 10
10. A fékpadnál is használt ELMO motorvezérlő mekkora teljesítményű motort vezérelhet (kW)?
| 25
| 100
| 5
| 10