Innovationstreiber für Elektromotoren mit hoch-effizientem Prüfstand

Die Schabmüller GmbH ist der Marktführer bei der Produktion von Elektromotoren für mobile Arbeitsmaschinen. Für eine neue Art von Antrieben hat Schabmüller gemeinsam mit HBM ein neues Prüfstandskonzept entwickelt, das die Vorteile der präzisen und zyklusgenauen Messtechnik mit den Vorteilen einer einfachen Prüfstandsentwicklung vereint. Sensoren lassen sich dabei unkompliziert in das Messsystem integrieren und Tests sind auf Basis der bereits erfassten Messdaten steuerbar. Dank der Formeldatenbank, die Formeln auch für die Echtzeit DSP-Berechnung zur Verfügung stellt, können die Motorenentwickler Berechnungen für individuell gestaltbare Mess- und Prüfaufgaben einfach und schnell erstellen.

Elektrische Maschinen sind die Antriebe der Zukunft – und der Gegenwart. Während sich die Automobilindustrie damit noch schwer tut, sind die elektrischen Maschinen in Flurförderfahrzeugen wie etwa Gabelstaplern schon seit mehr als 50 Jahren Standard. Die Anforderungen an Motorleistung und -effizienz wachsen dabei ständig. Deshalb arbeiten Elektromotoren-Hersteller kontinuierlich an der Entwicklung neuer Antriebe. Zugleich sind neue Prüfstandskonzepte gefragt, um entsprechende Motoren in der erforderlichen Genauigkeit zu testen. Die Herausforderung dabei: zuverlässige Ergebnisse zu erhalten und Testabläufe präzise zu steuern. Diese Anforderungen stellt auch die Schabmüller GmbH, der weltweit größte freie und unabhängige Hersteller von Elektromotoren für batteriebetriebene Fahrzeuge, an ihre eigenen Prüfeinrichtungen. Gemeinsam mit HBM hat der Elektromotoren-Produzent deshalb ein Prüfstandskonzept entwickelt, um Messdaten unter entsprechenden Anforderungen zu ermitteln und auszuwerten.

Schabmüller konzipiert elektrische Antriebe für Flurförderfahrzeuge, Hybrid-Lkws und -Busse sowie Bau- und Landmaschinen. Die Entwickler von Schabmüller setzen dabei in ihrem neuen Synchronmotorenprüfstand auf umfassende Messtechnologie von HBM: das Messdatenerfassungssystem Genesis HighSpeed und die Software Perception. Zur Automatisierung und Steuerung des Prüfstands wird eine eigens mit der Entwicklungsumgebung LabVIEW^* von National Instruments entwickelte Software eingesetzt. „Das Genesis HighSpeed-Messsystem ist außerordentlich einfach in der Handhabung und alle Prozesse laufen parallel in Echtzeit. Das gestaltet den Entwicklungsprozess unserer Prüfstandssoftware deutlich einfacher und unkomplizierter“, erläutert Dr. Martin Hafner, Leiter der Technologieentwicklung für Permanentmagnet-Synchronmaschinen bei Schabmüller. „Im Vergleich zu einem rein auf National-Instruments-Komponenten basierten Messsystem ist der personelle Aufwand bei Genesis HighSpeed deutlich geringer.“

Problem

Die Schabmüller GmbH entwickelt Elektromotoren für mobile Arbeitsmaschinen und benötigt einen präzisen Prüfstand für eine neue Generation von Synchronmotoren. Das Messsystem des Prüfstands soll zuverlässige Daten liefern, schnell zu integrieren und einfach zu handhaben sein.

Lösung

Schabmüller nutzt eine Kombination aus dem Messdatenerfassungssystem Genesis HighSpeed von HBM samt der Software Perception, die große Datenmengen schnell und sicher verarbeitet. Über eine frei programmierbare Schnittstelle tauscht Perception Messdaten mit einem LabVIEW-Programm aus, das die einzelnen Prüfstandskomponenten sowie automatisierte Prüfprozesse steuert.

Ergebnis

Dank der Perception-Sensordatenbank lassen sich unterschiedlichste Sensoren einfach per Plug-and-play ins Messsystem integrieren. Genesis HighSpeed erfasst Messdaten zuverlässig, berechnet Messergebnisse in Echtzeit und stellt sie für die Prüfstandssteuerung zur Verfügung. Eigene Berechnungsformeln sind ohne Programmierkenntnisse erstellbar und lassen sich in Echtzeit auf Messwerte sowie im Post-Prozess auf gespeicherte Daten anwenden – das ergibt effizientere Prüfprozesse bei geringerem Personalaufwand.

Modernes Prüfstandskonzept für innovative Elektromotoren

Schabmüller bietet als einer der Innovationstreiber der Branche seinen Kunden jetzt auch permanent erregte Synchron-Elektromotoren an. Diese neue Form von Antrieben bringt bei unverändertem Kühlkonzept ebenso viel Leistung wie vergleichbare Asynchronmotoren – bei deutlich geringerem Platzbedarf. Bei einem optimierten oder überarbeiteten Kühlkonzept kann dieser Effekt noch überproportional gesteigert werden. Dafür müssen die Synchronmotoren hohe Anforderungen erfüllen, leistungsstark sowie energieeffizient sein und zugleich einen hohen Wirkungsgrad haben, um die zugeführte Energie optimal zu nutzen. Für die präzisen Tests der neuen Elektroantriebe hat Schabmüller gemeinsam mit den HBM-Experten die komplette Messkette des Prüfstands optimiert.

„Wir haben uns für die Kombination aus Genesis HighSpeed mit der Software Perception sowie der Entwicklungsumgebung LabVIEW entschieden, weil sich Perception und LabVIEW sehr einfach über eine Schnittstelle verbinden lassen“,

sagt Stefan Lauck, Entwicklungsingenieur bei Schabmüller. „Zudem können wir dank der Perception-Sensordatenbank unterschiedlichste Sensoren für Strom, Spannung und Drehmoment sehr einfach in das Messsystem integrieren. Einfach per Plug-and-play, wie ein USB-Gerät in einen Rechner. Auch die Integration von Vibrationssensoren als Teil der elektrischen Vermessung ist problemlos möglich. Wir sparen damit Zeit und Ressourcen bei der Entwicklung des Prüfstands.“

Die Messaufgaben im Prüfstand von Schabmüller sind vielfältig, um Kurzzeit- oder Dauerleistung von Synchronmaschinen zusammen mit dem Wirkungsgrad zuverlässig zu bestimmen oder die Lebensdauer oder Komponentenzuverlässigkeit zu ermitteln. So messen die Experten etwa Drehzahl sowie Drehmoment, ermitteln das Wirkungsgradkennfeld und bestimmen auf Basis dieser Messdaten die Längs- und Querinduktivitäten. Zudem setzt Schabmüller Versuche zur Lebensdauer unter maximaler mechanischer Belastung um. Zusätzliche thermische Dauerversuche liefern Ergebnisse, wie sich unterschiedliche Dauer- und Intervallbelastungen auf die Funktion der Motoren auswirken. „Die Elektromotoren müssen bis zu 50.000 Stunden Betriebsdauer aushalten“, erläutert Stefan Lauck.

Optimale Messkette: Schabmüller entwickelt gemeinsam mit den HBM-Experten ein neues Prüfstandskonzept. Die Kombination aus dem Datenerfassungssystem Genesis HighSpeed, der Software Perception von HBM und der Entwicklungs-umgebung Labview ermöglicht präzise Messungen sowie eine einfache und schnelle Auswertung.

Anspruchsvolle Messaufgaben: Im Prüfstand der Schabmüller GmbH erfassen Drehmoment-Aufnehmer das Drehmoment und leiten die Ergebnisse an die HBM-Datenerfassungskarten GN610B und GN1610B weiter – die Messdaten hochauflösend mit Abtastraten von bis zu 2 MS/s aufnehmen.

Absolut synchron: Über eine frei programmierbare Software-Schnittstelle kommuniziert die HBM-Software Perception mit der Entwicklungsumgebung Labview. Messdaten und Echtzeit-Rechenergebnisse werden mit gleichem Zeitstempel erfasst – dies vereinfacht die Auswertung enorm.

Ein optimales System für Echtzeit-Tests

Um alle Messdaten sicher und zuverlässig zu ermitteln, müssen die einzelnen Komponenten des Prüfstands perfekt zusammenarbeiten: Die Sensoren erfassen Messsignale wie Strom, Spannung, Temperatur sowie Drehmoment und leiten sie an das Messverstärkersystem weiter. Im Prüfstand von Schabmüller kommt das Datenerfassungssystem Genesis HighSpeed GEN7tA samt den Erfassungskarten GN610B zum Einsatz. Die DSPs, digitale Signalprozessoren auf den Karten, verarbeiten die Messdaten und berechnen erste Ergebnisse – in Echtzeit. Die berechneten Messergebnisse werden zur Auswertung an LabVIEW weitergegeben – dank EtherCAT-Anschluss bis zu 1.000 Mal pro Sekunde. Parallel dazu speichert die HBM-eigene Software Perception auch alle erfassten Rohdaten ab. „Messdaten und Echtzeitrechenergebnisse werden zeitsynchron mit gleichem Zeitstempel erfasst und weitergegeben. Das ist ein enormer Vorteil bei der Auswertung“, betont Stefan Lauck.

„Zudem können wir in Perception eigene Formeln für die Berechnungen erstellen und in der Formeldatenbank ablegen. Diese Formeln sind im Post-Process oder auch in Echtzeit-Berechnung in den DSPs anwendbar. Ganz ohne Programmieraufwand der jeweiligen Rechnerarchitektur.“

Perception kommuniziert über eine frei programmierbare Software-Schnittstelle mit dem LabVIEW Programm. Das LabVIEW-Programm ist zuständig für die Steuerung und Automatisierung der Prüfstandsprozesse und steuert auf Basis der Echtzeit-Rechenergebnisse die Umrichter von Last- und Prüflingsmaschinen. „Die Messdaten können zu zyklussynchronen Einzelwerten verarbeitet werden. Für die Steuerung und Automatisierung der Prüfprozesse werden anschließend nur die relevanten zyklussynchronen Rechenergebnisse genutzt, wie etwa Effektivwerte von Strom und Spannung oder die Drehzahl“, sagt Stefan Lauck. „Da die Rohdaten bei Bedarf trotzdem gespeichert sind, können wir diese zudem für weitergehende Post-Process-Analysen verwenden.“ Neben den zyklussynchronen Einzelwerten lassen sich auch kontinuierliche Messdaten in der Formeldatenbank von Perception verknüpfen und in Echtzeit verarbeiten. Auch dafür sind keine Programmierkenntnisse nötig.

Einfache Sensor-Integration und Kanal-Synchronisierung

„Die Kombination aus LabVIEW und der HBM-Software Perception bietet uns wirklich viele Vorteile“, sagt Stefan Lauck. Das Genesis HighSpeed zeichnet etwa die Messdaten der Sensoren zeitsynchron auf und ermöglicht Abtastraten von bis zu 2 MS/s auf bis zu 51 Leistungs-Kanälen. Dabei synchronisiert es automatisch die Abtastraten der unterschiedlichen Kanäle und Einschubkarten. Das mindert den Aufwand für Nutzer erheblich. Zudem lassen sich bei dieser Lösung die Vorteile von LabVIEW optimal nutzen, wie etwa das Datenformat TDMS, um große Datenmengen schnell zu speichern. Dies ermöglicht auch eine weiterführende Analyse der Daten mit einer Vielzahl am Markt erhältlicher Programme.

Bei der Integration des Messdatenerfassungssystems in den Prüfstand erhielten die Entwickler von Schabmüller maßgeschneiderte Unterstützung von den HBM-Perception-Experten. Stefan Lauck: „Perception ist eine effiziente Software, die zuverlässig Daten erfasst. Wir haben uns dank der Einführungsschulung von HBM schnell eingearbeitet. Und aufgrund der einfachen Handhabung können wir sehr individuelle Messabläufe definieren.“

* LabVIEW ist ein eingetragenes Warenzeichen von National Instruments. Weder HBM noch die von HBM angebotenen Softwareprodukte oder anderen Waren oder Dienstleistungen sind verbunden mit, empfohlen von oder gesponsert durch National Instruments.

Über die Schabmüller GmbH

Die Schabmüller GmbH ist der weltweit größte freie Hersteller von Elektromotoren mit mehr als 300.000 jährlich produzierten Antrieben und einem Jahresumsatz von mehr als 90 Millionen Euro. Das Unternehmen aus Berching in Bayern beliefert seit mehr als 50 Jahren internationale Produzenten von Flurförderfahrzeugen sowie Bau- und Landmaschinen, Hybridbussen und -Lkws. Im Bereich der Flurförderfahrzeuge fertigt Schabmüller Gleichstrom, Asynchron- und Synchronmotoren, die als Motoren für Fahr- und Lenkantriebe zum Einsatz kommen oder für Pumpenmotoren, die den Hebeprozess solcher Fahrzeuge abbilden. Ein Grund für den Erfolg des Unternehmens: Schabmüller entwickelt keine Standard- oder Normmotoren, sondern konzipiert kundenspezifische, maßgeschneiderte Motoren für den jeweiligen Einsatzzweck.