Telemetrie-Datenerfassung PMSM-Motoren mit präzisem Temperaturmanagement überwachen

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Permanentmagneterregte Synchronmotoren (PMSM) werden aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades in Elektrofahrzeugen eingesetzt. Um Entmagnetisierung und Motorausfälle zu vermeiden, ist ein exaktes Temperaturmanagement entscheidend. Hier hilft die telemetrische Datenerfassung.

Als Antriebe für Elektrofahrzeuge werden derzeit unterschiedliche Motortypen eingesetzt. Die Automobilhersteller rüsten Elektrofahrzeuge sowohl mit Asynchron- als auch mit Synchronmotoren aus, teilweise werden auch beide Motortypen kombiniert. Unter den Synchronmotoren gelten permanenterregte Synchronmotoren (PMSM-Motoren) als besonders effizient und weisen einen höheren Wirkungsgrad als Asynchronmotoren auf. Im Gegensatz zu fremderregten Synchronmotoren oder Asynchronmotoren erwärmen sich PMSM-Maschinen zudem weniger, da kein Strom von außen zugeführt wird, sondern auf dem Rotor angebrachte Permanentmagnete ein konstantes Magnetfeld erzeugen und den Rotor antreiben.

Motor und Magnete sind nur begrenzt belastbar

Die Belastbarkeit des Motors und der im Rotor eingebauten Magnete ist allerdings begrenzt, da die im Motorbetrieb auftretenden Ströme zu einer Temperaturerhöhung beitragen. Ist diese schließlich zu hoch, kommt es zu einer Schwächung der elektrischen Polarisation, auch Entmagnetisierung genannt. Beim Überschreiten einer bestimmten Schwelle, der so genannten Curie-Temperatur, die durch die Zusammensetzung der Magnete bestimmt wird, geht die Polarisation vollständig verloren, was zum Ausfall des Motors führt.

Beim Einsatz einer permanenterregten Synchronmaschine (PMSM) als Antrieb in einem Elektrofahrzeug wie auch bei anderen Elektromotoren ist daher das Temperaturmanagement – hier die Kontrolle und Beherrschung der Temperaturentwicklung im Rotor – einer der wichtigsten Faktoren, um den Wirkungsgrad des Motors zu erhalten und gegebenenfalls zu optimieren. Dazu ist es notwendig, den Energiefluss und die daraus resultierende Temperaturentwicklung im Motor sowie im Kühlsystem des Antriebs über eine Temperaturmessung messtechnisch zu erfassen, zu kontrollieren und zu optimieren.

Die Temperatur im laufenden Betrieb messen

Um eine Grundlage für das Thermomanagement des Synchronmotors zu schaffen, dieses zu untersuchen, zu überwachen und zu optimieren, erfassen die Ingenieure der Elektromotorenentwicklung eines globalen Automobilzulieferers die Temperatur am Rotor im laufenden Betrieb am Prüfstand. Dies birgt einige Schwierigkeiten, denn eine exakte Temperaturerfassung kann nur direkt im Rotor erfolgen. Eine Messung am Stator würde hingegen zu ungenauen Ergebnissen führen, da dort aufgrund der Motorkühlung andere Temperaturverhältnisse herrschen.

Die eingesetzte Messtechnik muss nicht nur besonders kompakt sein und an den geringen Bauraum innerhalb des Rotors angepasst werden können. Sie muss außerdem bei Betriebstemperaturen im erweiterten Temperaturbereich von 80 °C und darüber präzise arbeiten. Zudem arbeitet der Rotor einer PMSM-Maschine mit Drehzahlen von bis zu 20.000 U/min und einer Beschleunigung von 120.000 °/s, denen die eingesetzte Messtechnik ebenfalls zuverlässig standhalten muss.

Telemetrie-Datenerfassung mit induktiver Energieversorgung

Als Messlösung wurde in dieser Anwendung eine Telemetrie-Datenerfassung mit induktiver Energieversorgung gegenüber Schleifringen favorisiert, da diese die hohen Anforderungen an die Betriebsfestigkeit der Messlösung nicht erfüllten. Zur Erfassung der Rotortemperatur wurde das Telemetriesystem imc D^x mit einem Adapter direkt auf der Rotorwelle befestigt. Die Thermoelemente sind im Rotor montiert, die Zuleitungen zur Datenerfassung werden durch die Hohlwelle zum Transmitter geführt.

Der auf der Rotorwelle montierte Transmitter wird über einen induktiven Ringstator versorgt, was einen kontinuierlichen Betrieb der Messlösung beispielsweise bei Dauerlaufversuchen und auch in einer Klimakammer ermöglicht. Die Daten werden per Funk an einen externen Empfänger übertragen, der über den CAN-Bus mit einem Messsystem verbunden ist.

Drehzahlen bis zu 20.000 U/min bis 125 °C

In beengten Messumgebungen, wie beispielsweise einem Prüfstand, erleichtert das kleine und leichte Gehäuse der Sendeeinheit die Anpassung auch an unterschiedliche Prüflingsdurchmesser. Es misst zuverlässig bei Drehzahlen bis zu 20.000 U/min bei einer Betriebstemperatur von -40 bis 125 °C. Durch die Digitalisierung der Daten und die Übertragung über den Feldbus CAN-Bus ist eine konstante Signalqualität gewährleistet, was zur Genauigkeit der Messdaten beiträgt. Die Konfiguration des Telemetriesystems erfolgt extern über Ethernet, so dass keine Einstellungen an der Messhardware selbst notwendig sind. Es stehen mehrere Übertragungsfrequenzen zur Verfügung, so dass verschiedene Telemetrie-Transmitter parallel in der gleichen Umgebung eingesetzt werden können. Darüber hinaus können mit der imc D^x Telemetrie neben Temperaturen auch Dehnungen und Spannungen an rotierenden Bauteilen erfasst werden.

Eingebettet in eine integrierte Messlösung, bestehend aus Messsystem, Messsoftware und Datenauswertungssoftware, können mit der Telemetrie im Prototypentest von Elektromotoren, aber auch in anderen Anwendungen mit rotierenden Bauteilen in rauen Umgebungen, Messdaten nicht nur präzise erfasst, sondern auch weiterverarbeitet werden. (heh)

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* Diego Llopis ist Strategic Product Manager Telemetry bei imc Test & Measurement.

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