Test Tezgahında DC Elektrik Motoru Verimliliğinin Haritalanması

Torino Politecnico’daki (İtalya) bir mühendislik öğrencisi ekibi düşük enerji tüketimli araçlar tasarlamaktadır. Ekip, çeşitli koşullar altında elektrik güç girişini ve mekanik güç çıkışını ölçmek ve analiz etmek için bir DC elektrik motoru test tezgahı yapmıştır. Ekip, Dewesoft tarafından sağlanan donanım ve yazılımları kullanarak, prototip araçları IDRAzephyrus’taki Kalıcı Mıknatıslı Doğru Akım (PMDC) motorunun verimlilik haritasını oluşturmak için veriler elde etmiştir.

Shell Eco-Marathon’a katılımlarının bir parçası olan bu detaylı proje, performansı optimize etmek için çeşitli koşullar altında elektrik güç girişi ve mekanik güç çıkışının ölçülmesini ve analiz edilmesini içermektedir. 

H2politO ve araçları, düşük enerjili araçlar için uluslararası bir yarışma olan Shell Eco-Marathon’a (SEM) katılmaktadır. Yarışma sırasında amaç, pistte 10 tur atarak 16 km’lik bir pisti maksimum 36 dakikada tamamlamaktır. Bunu yaparken yakıt tüketimi ölçülür ve en az yakıt kullanan takım kazanır.

Takımın iki kategoride yarışan iki aracı bulunmaktadır:

• ICE Kentsel Konsept (JUNO),
• Hidrojen Yakıt Hücresi Prototipi (IDRAzephyrus).

Bu proje, güç aktarma organı Şekil 1’de gösterilen prototip araç IDRAzephyrus ile ilgilidir. Motoru bir Yakıt Hücresi, bir süper kapasitör yığınının şarjını kontrol eden bir DC/DC dönüştürücü içeren bir Yakıt Hücresi Kontrol Ünitesi (FCCU) ve yerleşik Kalıcı Mıknatıslı Doğru Akım (PMDC) motorunu çalıştıran bir motor kontrolöründen oluşmaktadır.

Rekabetçi bir sonuç elde etmek için yüksek alt sistem verimliliğine ulaşmak çok önemlidir. Ancak, yarışma sırasında takımın stratejik yaklaşımı da önemli bir rol oynamaktadır.

Araç Dinamikleri ve Strateji bölümü, kapsamlı bir araç modeli geliştirmek için veri odaklı bir metodolojiden yararlanır. Bu model, kritik bilgilerin edinilmesini kolaylaştırır ve çeşitli araç bileşenlerinin daha fazla iyileştirilmesini ve optimize edilmesini sağlar.

Test Projesi

Test, PMDC motorunun verimlilik haritasını elde etmek için elektriksel güç girişi ve mekanik güç çıkışı bilgilerini toplamayı amaçlamaktadır. Bunu yapmak için, belirli bir hızda motoru sabitleyerek belirli bir akım sağlaması planlanmıştır, bu da göreli tork ve voltaj değerlerinin alınmasını sağlamıştır.

Tork ölçer

Takımın halihazırda sahip olduğu bir Kistler marka Tip 4503A tork ölçer, DC elektrik motorundan uygulanan torku ölçmek için kullanılmıştır. 20 Nm tork aralığına ve 7000 rad/dak maksimum hıza sahip tork ölçer, halihazırda bir sensör içerdiğinden eksenlerin hızı hakkında bilgi sağlamıştır.

Düşük tork çıkışı nedeniyle, DC elektrik motorunu farklı planet dişli redüksiyonlarına sahip bir şanzıman sistemi kullanarak test etmek seçilmiştir. Bu şanzıman sistemi, tork çıkışını enstrümantasyonun algılama aralığına girecek şekilde artıracaktır.

DC elektrik motor kontrolörü

Elektrik motorunu kontrol etmek için, arabadakiyle aynı akım kontrolünü ve voltaj değişimini elde etmek için arabaya monte edilmiş aynı aktüasyon kartı kullanılmaktadır. Elektronik karta bağlı bir PC, motor-açık ve strateji sinyallerini göndermiştir.

Mil üzerine uygulanan yük

İlk çözüm için, indüktörden geçen akımı manuel olarak düzenleyerek dönme hızını kontrol etmek için manyetik fren kullanıldı (Şekil 2).

İkinci kurulumda, mekanik yük olarak ikinci bir PMDC motoru uygulandı (Şekil 3). Bu şekilde, yükleme motoru tarafından üretilen geri veya karşı EMF (elektromotor kuvveti), sabit bir hıza karşılık gelen sabit bir voltaj uygulayabilen bir elektronik yüke gönderildi. Testler sırasında, Neugart WPLE40 iletimi (20:1 iletim oranı) ile Maxon RE50 kullanıldı.

Elektrik motorlarının test edilmesi

Ekibin ilk fikri, mevcut tüm elektrik motorlarını (Maxon) test etmek olmuştur(bkz. Tablo 1 ila 6’daki tüm veri sayfaları) ancak birden fazla verimlilik haritasını tamamlamak için yeterli zaman yoktu. Sonuç olarak, test edilen motor Maxon GP42C şanzımanı (Tablo 3) ile birleştirilmiş Maxon RE40’dır (Tablo 1).

Maxon RE40

Maxon RE50

Maxon GP42C

Yeni WPLE040-20

Yeni WPLE040-25

Proje sorunları

Termal sorunlar

Uzun süreli test nedeniyle, DC elektrik motorunun sıcaklığındaki artış hasara yol açabilir. Bu nedenle, Maxon veri sayfası göz önünde bulundurularak, hem armatürde hem de gövdede maksimum sıcaklığa ulaşmadan önceki maksimum süreyi değerlendirmek mümkün olacak şekilde bir Simulink modeli oluşturulmuştur.

Motor modeli basittir ve motorun elektriksel ve mekanik denklemlerine (Laplace alanında) dayanır, buna geçici bir mekanik verimlilik 𝜂𝑚 dahildir: bu model hem test edilen hem de frenleme motorunu simüle eder. Test edilen motordaki akımı ve frendeki hızı ayarlamak için iki PI kontrolü kullanmıştır (bu da tek başına motoru da belirler).

Elektrik ve mekanik güç arasındaki fark, üretilen ısı akışı Φ olarak belirlenmektedir. Bu değer termal model için girdidir; veri sayfası termal direnci 𝑅P ve zaman sabiti 𝜏P değerlerini alarak, sıcaklık için aşağıdaki denklem elde edilebilmektedir:

Sıcaklık 𝜗 şu şekilde tanımlanır:

Bu denklem sargı için kullanılır, bu yüzden direnç sargı ile kasa arasındadır ve kasa—bu yüzden direnç kasa ile çevre arasındadır. Elbette, kritik unsur sargıdır.

Simülasyonlar, maksimum sıcaklık 𝜗 =150 °C’nin yalnızca yüksek hızlarda 14 A’lık bir akım için elde edildiğini ve pratikte test cihazlarının asla 15 A’lık bir akım kullanmadığını ve 11 A’nın üzerindeki akımların da kullanılmadığını göstermiştir. 

Sıcaklık etkisini göz önünde bulundurmak için, testlerin yürütülmesi sırasında DC elektrik motorunun ve şanzımanın sıcaklığını örneklemek için iki termokupl kullanılmıştır (Şekil 3). Ayrıca, güç aktarma organını soğutmak ve kurulumu kontrol etmek için bir fan kullanılmıştır. Verilen voltaj değiştirilerek fan manuel olarak ayarlanmıştır.

Mekanik kurulum

Mekanik açıdan bakıldığında amaç, motoru ve yükleri tork ölçerle birleştirmek ve bunları uygun şekilde desteklemektir. Ana kısıtlamalar tork ölçer, desteğinin dingil mesafesi ve yüksekliğiyle ilgilidir ve şaftının bağlantısı sabitlenmiştir (Şekil 4).

Tasarım desteği

Sıralı kurulum nedeniyle, millerin eksenini aynı yükseklikte tutacak şekilde tasarlanan desteklerin dingil mesafesini ayarlamak için test tazgahı zemini olarak iki alüminyum profil kullanılmasına karar verilmiştir (Şekil 5).

Üç ana destek tasarlanmıştır, biri test edilen elektrik motoru için ve diğerleri iki tip yük için. Maliyet ve zaman nedenlerinden dolayı Polilaktik Asit (PLA) içinde 3D baskı kullanılmıştır.

Daha küçük olmaları ve baskı süresini en aza indirmek için iki desteğin altına üç alüminyum blok uygulanmıştır. Alüminyum bloklar 55,5 mm yüksekliğindedir, bu nedenle motorların desteklerinin eksen yüksekliği 56,5 mm’dir.

Bağlantı

Çeşitli bileşenlerin milleri, SKF tarafından sağlanan katı delikli genel bir Jaw standart kaplin göbeği olan Jaw Kaplinleri, PHE L075HUB ile birleştirilmiştir. Bu kaplin, torku iletmek için uygun iç çapı ve uygun kama yuvasını garanti etmiştir.

PHE L075 HUB

Tabloda görüldüğü gibi ve kama yuvalarının izin verilen torklarından, bu tip birleştirmenin sunulan uygulama için uygun olduğu anlaşılmaktadır.

Aşağıdaki denklem, kama yuvasının kabul edilebilir torku Mt’yi hesaplamak için kullanılabilir:

Burada pmax izin verilen maksimum basınç, d mil çapı ve l ve h sırasıyla kama yuvasının uzunluğu ve yüksekliğidir.

Veri sayfalarındaki teknik çizimleri göz önünde bulundurmak uygun toleransları sağlamayı garanti etmiştir. Özellikle:

• göbeklerin iç çapı
• Kama yuvalarının yuva boyutları ve toleransları için UNI 6604’e uyulması. Şekil 10, bir kaplin göbeği imalatına örnektir.

Elektrik tesisatı

Bu kurulumda, 6A@30V ile sınırlı bir güç kaynağı ünitesi (PSU) elektrik motoruna güç vermektedir (bkz. Şekil 11). PSU’yu daha yüksek güçlere ulaşmak için Süper Kapasitörler SC yığınıyla paralel olarak bağlanmış ve hedef çalışma noktası 15A@30V olmuştur. Bu şekilde, SC’ler bir tampon görevi görür ve motorun sınırlı bir süre için daha yüksek bir gücü sürdürmesini sağlar.

SC paketi, bir dizi on adet Cornell Dubilier DSF607Q3R0 kapasitöründen oluşmuştur.

Cornell Dubilier DSF607Q3R0

IDRAzephyrus prototipinde kullanılan aynı kontrol kartı PMDC motorunu çalıştırmıştır. Kontrolör, motora yarım köprü Metal Oksit Yarıiletken (MOS) yapılandırmasından gelen bir Darbe Genişlik Modülasyonu (PWM) sinyal çıkışı sağlar. Donanım sınırlamaları nedeniyle, çalıştırma %95’lik maksimum bir PWM Görev Döngüsü uygular ve motora SC voltajının %95’ini sağlar, bu da ortalama 28,5 V’luk bir voltaja karşılık gelir.

PSU tarafından sağlanan sınırlı akım nedeniyle SC yığınının voltajının düşmesine ve PWM görev döngüsü sınırlamasına neden olarak bir voltaj doygunluğu durumuyla karşılaşılmıştır. Motor, hedef için yalnızca sınırlı bir hıza kadar test edebilmiştir ve bu da tüm haritayı tamamlamayı imkansız hale getirmiştir.

Veri toplama (DAQ) sistemiyle arayüz oluşturma

Bu projenin kurulumu sırasında, özellikle kaydedilecek parametrelerin seçimi yapılmıştır:

• Motor Voltajı
• Motor Akımı
• PSU Voltajı
• Motor Torku
• Motor Hızı
• 2x Termokupllar

DAQ sistemi voltaj ölçümlerini dahili olarak ele almıştır. Voltajları DAQ sistemine sağlamak için bir DB9 kablosuna ihtiyacımız bulunmaktadır. Voltaj ölçümü için gereken pinler In+ ve In-‘dir. Aşağıda yer alan veriler DAQ sistem kılavuzundan alınmıştır.

Akım, Dewesoft tarafından sağlanan bir akım kelepçesi kullanılarak ölçülmüştür. Dewesoft ayrıca kullanılan termokuplları ve özel amaçlı adaptörü de sağlamıştır. Tork ve hız verileri, özel bir adaptörle DB9’a dönüştürülmüş bir BNC konnektörü kullanılarak elde edilmiştir.

Veri toplama ve analizi

Dewesoft çok yönlü ve güçlü SIRIUS Modüler Veri Toplama (DAQ) Sistemi sağlamıştır. SIRIUS, hemen hemen her sinyal ve sensör için üst düzey sinyal koşullandırma amplifikatörleri sağlar ve yüksek dinamik aralık (160 dB) ve galvanik izolasyon sunar.

Tüm SIRIUS cihazları DewesoftX veri toplama yazılımını içerir. Testler sırasında DewesoftX, iki temel çalışma modunda kullanılmıştır:

• Ölçüm: Bu mod, DAQ sisteminde farklı kanalları ayarlayarak günlük parametrelerin kişiselleştirilmesine olanak tanır. Ayrıca veri dönüşümünü ve DAQ’ya bağlı sensörün doğrusallığının yapılandırıldığı yerdir. Ayrıca bir test sırasında verileri kaydetmek için de kullanılabilir. Bu modda, yeni kanallar oluşturmak için bazı hesaplamalar gerçekleştirebilir, burada değerler DAQ’dan gelen sinyalin zaman tabanlı analiziyle değerlendirilir, Kök Ortalama Kare (RMS) değerinin hesaplanması ve veri örneklemesinin frekansının değişmesi gibi bazı yaklaşımlar gerçekleştirilir. Matematiksel hesaplamalar yoluyla, bazı yeni kanallar da tanımlanabilir.
• Analiz: Bu mod, test sonrasında çeşitli kanalların analizini sağlar ve farklı grafikler ve gösterimler aracılığıyla davranışı analiz eder.

Analiz modunda, yazılımın veri dosyası sayfasından ölçüm modunda gerçekleştirilen önceki bir kayıttan veri yüklenebilir. Ayrıca .txt ve .csv dosyalarından veri yüklemek de mümkündür. Bu sayfanın verileri Matlab , .csv, txt ve .dat gibi çeşitli dosya biçimlerindedir.

Analiz edilecek verileri seçtikten sonra, Kurulum sayfası, yazılımın verileri ham analog veri olarak kaydetmesi nedeniyle sensör veri dönüşümünün değiştirilmesine olanak sağladı.

Bu sayfa, bir kanalın bir ölçüm birimiyle ilişkilendirilmesine ve sensörün doğrusallaştırılmasına izin veren maksimum, minimum ve ofset değerlerin ayarlanmasına olanak sağlar. Ayrıca, bu modda, dışa aktarılan örnekleme frekansını da değiştirilebilir. Bu ekranda mevcut kanallara dayalı yeni kanallar oluşturmak da mümkündür.

Analiz sayfasında veriler sayısal gösterimden analog gösterime ve çok çeşitli grafiklere kadar çeşitli biçimlerde görüntülenebilir.

Yazdırma ve Dışa Aktarma sayfaları, verileri (Şekil 13) ve grafiği (Şekil 14) diğer formatlarda yazdırmanıza veya dışa aktarmanıza olanak tanır.

İlk test sonuçları

İlk test serisi, Maxon GP42C şanzımanına bağlı bir Maxon RE40 motoru üzerinde yapılmıştır.

Test, ilk olarak manyetik fren üzerinden yük uygulanan bir kurulumda gerçekleştirilmiştir. Bu çözümün sorunu, motorun ısınması ve artan iç direnç nedeniyle hızı doğru ve zamanında sabitlemede zorluğa neden olmasıdır.

Bu nedenle, kısa süre sonra ikinci yük kurulumuna geçmeye karar verilmiştir ve yük, Neugart WPLE040-20 şanzımanına bağlı Maxon RE50 motoruyla şafta uygulanmıştır. Motorun dönüş hızı nedeniyle arka EMF’den gelen voltaj sınırlanarak motor kontrol edilmiştir.

Bu kontrol daha iyi sonuçlar vermiştir, çünkü elektronik yük şaftın hızını sabitlemek için akımı otomatik olarak düzenlemiştir. Bilgi, test edilen motora uygulanan sabit akım için 7A’dan 10A’ya kadar DewesoftX kullanılarak kaydedilirken, yük olarak manyetik frenle 4A’da da bilgi kaydedilmiştir. Hız, 500 rpm’lik bir adımla 8000 rpm’den 1000 rpm’ye 10 saniye boyunca sabitlenmiştir. Sonuçlar Şekil 15’ten Şekil 18’a kadar gösterilmiştir.

Analiz için, veriler DewesoftX aracılığıyla MATLAB uyumlu bir formata çıkarılmıştır ve bunlar Simcenter Amesim ile yapılan pist test verileri ve simülasyonlarla karşılaştırılmıştır. Bu veriler, motor ve şanzıman veri sayfalarıyla ilişkilendirilmiştir.

Daha sonra veriler analiz edilerek elektrik motorunun formülüne göre davranışı anlaşılmaya çalışılmıştır:

Özellikle iki farklı durumda formüle uyulmak zorunda kalınmıştır:

• Düşük hızda saf elektriksel davranış sergilediğinden manyetik bileşenin ihmal edilebilmesi:

• Saf manyetik davranış, yüksek hızdayken ve dolayısıyla hızdan kaynaklanan alanla ilgili olarak elektriksel etki ihmal edilebilir düzeydedir:

Her durum için yaklaşık 10 V’luk bir voltajın, veri sayfasında belirtilenden yaklaşık üç kat daha fazla bir iç direnç anlamına geldiği unutulmamalıdır.

Asıl sorun, direnç etkisinin düşük hızda mevcut olması ancak yüksek hızda mevcut olmaması olmuştur, yani sadece veri kaydında bir hata vardır.

Çalıştırma sırasında güç kaynağından talep edilen güç ile motora verilen güç arasında, kartın verimliliğinin yaklaşık %20’sini oluşturan bir fark bulunmuştur.

Bu verimin doğru olması mümkün değildir, çünkü mevcut olmayan bir sıcaklık artışında bunu görmek gerekir.

İkinci test sonuçları

Yeni bir motor ve güncellenmiş bir test tezgahı ile bir test kampanyası daha gerçekleştirilmiştir.

Motorları daha hassas bir şekilde test edebilmek için, belirli bir süre sonra elektronik yükteki maksimum voltajı otomatik olarak düşüren bir kod oluşturulmuştur.

Motor tekrar test edilmiştir, ancak bu sefer Maxon GP52C şanzımanına bağlı Maxon RE40 üzerinde. Testten önce, motor şaftı için iç direnç kilitlemesini tamamlamak ve uygulanan voltaj ve akımı incelemek için bazı veriler kaydedilmiştir. Yaklaşık 0,5 Ω’luk bir iç dirence sahip olduğu ortaya çıkmıştır.

Daha sonra motor, tezgah üzerinde 4 A ile 10 A arasında değişen akımlarda ve 500 rpm’lik adımlarla 8000 rpm ile 1000 rpm arasında değişen hızlarda test edilmiştir.

Öncelikle, alınan her numune için motorun verimi η, uygulanan voltaj V ve verilen akım I’dan , belirli bir hız ω’da elde edilen tork T’ye göre hesaplanmıştır:

Şekil 20’de güç aktarma organı verimlilik eğrisi verilmiştir.

Motorun verimliliğini hesaplamak için veriler tekrar analiz edilmiştir (Şekil 21), Joule kayıplarını ihmal ederek ve sabit bir iç direnç varsayarak, burada k tork sabitidir (N∙m/A cinsinden), sayısal olarak hız sabiti V’ye (rad/s cinsinden) eşittir:

Araştırılan sonuçlar, motor için ideal sabit bir sürtünme torku değeri ve tork ve hıza bağlı olarak şanzıman için bir verimlilik haritasının yanı sıra motorun elektriksel direncinin tahminidir.

Bulunan sürtünme torku 0,15 N∙m, bu daha spesifik testlerle teyit edilmelidir. Bu sürtünme torkunu varsayarak, iletim verimliliği (Şekil 22) aşağıdaki gibi elde edilecektir:

Şanzıman için verimlilik haritası şu denklemle elde edilmiştir:

𝜂𝑡 = 0,8633 − 6,844 ∙ 10−3 ∙ (𝑖 ∙ 𝑘 ∙ 𝐼 − 0,15) + 2,051 ∙ 10−5 ∙ 𝜔

Sonuç olarak elektrik motorunun iç direnci şu denklemle hesaplanmıştır:

Sonuç – veri kullanımı

Daha sonra veriler IDRAzephyrus’un Amesim modelini iyileştirmek için kullanılmıştır, bulunan sürtünme torkuna ve iç dirence göre motor boşta akım değerleri 0,481 Ω olarak değiştirilmiştir.

Daha sonra verilerle oluşturulan haritayı kullanarak şanzıman verimliliği modellenmiş ve bu haritayı kullanarak motor tarafındaki hız ve torka göre her an verimliliği hesaplanmıştır.

Gerçek performans karşılaştırmasına göre, bu veri toplama, IDRAzephyrus’un Shell Eco-Marathon koşu simülasyonu sırasında motorun beklenen enerji tüketimini ve performansını önemli ölçüde iyileştirmiştir.

Şekil 23 ve 24’te hız ve SC şarj-deşarj karşılaştırması gösterilmektedir.