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Drehmoment einer Motorumdrehung

Oxford YASA Motors hat festgestellt, dass ein berührungsloser Drehzahl- und Drehmomentsensor TorqSense von Sensor Technology eine Hilfe bei der Verfeinerung seiner weltweit führenden Motorkonstruktionen darstellt. Der Sensor werde in einem Prüfstand zur Bewertung von Prototyp-Motoren eingesetzt und liefere genaue und zuverlässige Echtzeitinformationen in einem leicht zugänglichen Format.

Oxford YASA Motors beschäftigt sich mit der Entwicklung und Herstellung eines neuen Typs von Axialflussmotoren mit Yokeless And Segmented Armature (YASA)-Topologie. Im Vergleich zu herkömmlichen Axialflussmotoren bieten die neuen YASA-Typen laut eigenen Angaben eine stufenweise Verbesserung der Drehmomentdichte, wodurch sie sich für Anwendungen wie Elektrofahrzeuge eigneten, bei denen das höchstmögliche Drehmoment-/Gewichtsverhältnis eine Schlüsselanforderung sei.

Die YASA-Topologie basiert auf einer Reihe von magnetisch getrennten Segmenten, die den Stator der Maschine bilden. Die sprunghafte Verbesserung des spezifischen Drehmoments des Motors, das mit etwa 20 Nm/kg mindestens doppelt so hoch sei wie das der besten derzeit verfügbaren Alternativen, resultiere aus einer Kombination von patentierten Verbesserungen in der Magnetik, Kühlung und Verpackung des Motors. Ein 500-Nm-YASA-Motor wurde bereits speziell für den Einsatz in Elektro- und Hybridfahrzeugen entwickelt. Dieser Motor ist mit einem Durchmesser von nur 340 mm und einer Breite von 70 mm kompakt und passt daher in den Raum, der normalerweise in einem typischen Fahrzeug vom vorderen oder hinteren Differential eingenommen wird. Mit den YASA-Motoren werde kein Differential benötigt.

Da diese Motoren eine Leistung von 500 Nm pro "Scheibe" und eine Spitzenleistung von etwa 75 kW haben, liefern zwei von ihnen ausreichend Leistung für die meisten Fahrzeuge, heißt es. In der Praxis verifiziert wurde dies durch den Westfield iRacer, einen bahnbrechenden elektrischen Rennwagen mit zwei YASA-Motoren, der in weniger als 5 s von 0 auf 60 mph beschleunige und in der Lage sei, eine elektronisch begrenzte Höchstgeschwindigkeit von 110 mph zu erreichen. Trotz der beeindruckenden Leistung und Vielseitigkeit seiner bestehenden Produkte sei man bei Oxford YASA Motors bestrebt, seine Konstruktionen ständig zu verfeinern und zu verbessern. Darüber hinaus bietet das Unternehmen einen kundenspezifischen Konstruktions- und Fertigungsservice für Motoren an, die für Anwendungen geeignet sind, die noch nicht von der Standardproduktpalette abgedeckt werden. All dies bedeutet, dass das Unternehmen regelmäßig die Leistung von Prototyp-Motoren analysieren muss, so der Anbieter.

Ein wesentliches Element dieser Arbeit sei die genaue Messung von Drehmoment und Drehzahl der Motoren während eines umfangreichen Testprogramms. Bei den Tests werde häufig ein Motorpaar Rücken an Rücken gekoppelt, wobei ein Motor antreibt und der andere als Bremse wirkt. "Zwar hätten bei dieser Anwendung konventionelle Drehmomentsensoren auf der Basis von Dehnungsmessstreifen verwendet werden können, doch hätte dies die Konstruktion des Prüfstands unnötig kompliziert", so das Entwicklungsteam von Oxford YASA Motors. "Dementsprechend suchten wir nach einer Alternative, die wir in Form der berührungslosen drahtlosen Drehmomentsensoren TorqSense von Sensor Technology fanden." Diese neuartigen Sensoren, die auf der akustischen Oberflächenwellentechnologie (SAW) basieren, bestehen im Wesentlichen aus zwei dünnen Metallelektroden, die die Form von ineinandergreifenden Fingern auf einem piezoelektrischen Substrat haben. Wenn ein Hochfrequenzsignal mit der richtigen Frequenz an diese Baugruppe angelegt wird, werden akustische Oberflächenwellen erzeugt, und sie fungiert als Resonanzkreis.

Wenn das Substrat jedoch verformt wird, ändert sich die Resonanzfrequenz der Baugruppe. Das bedeutet, dass die Baugruppe, wenn sie z.B. an einer Motorwelle befestigt ist, dazu verwendet werden kann, die Verformung in dieser Welle zu messen, wenn sich das von der Welle übertragene Drehmoment ändert. Mit anderen Worten, die Baugruppe wird zu einem frequenzabhängigen Dehnungsmessstreifen, der das Drehmoment misst. Da die Baugruppe mit Hochfrequenz arbeitet, benötigt sie keine Kabelverbindungen - Signale von und zu ihr können drahtlos gekoppelt werden. Folglich können die TorqSense-Sensoren auf rotierenden Wellen eingesetzt werden, ohne dass die lästigen Bürsten und Schleifringe, die bei herkömmlichen Drehmomentmesssystemen häufig erforderlich sind, benötigt werden, ist der Anbieter überzeugt.

Für die Anwendung bei Oxford YASA Motors wurde ein Sensor vom Typ RWT321 mit integrierter Elektronik gewählt. Wie alle TorqSense-Sensoren kombiniere dieser eine hohe Genauigkeit und Auflösung mit einer großen Überlastkapazität und der Fähigkeit, sowohl im als auch gegen den Uhrzeigersinn gleich gut zu arbeiten. Zusätzlich zu den Drehmomentdaten liefere der Sensor auch Informationen über Wellendrehzahl, Leistung und Temperatur, wobei alle Daten in Echtzeit zur Verfügung stehen. "Ein weiterer Vorteil für uns ist, dass der RWT321 über eine CANopen-Schnittstelle verfügt. Diese ist direkt kompatibel mit den Datenerfassungs- und -analysesystemen des Unternehmens und macht die Anbindung des Sensors daher sehr einfach," so die Entwickler.

Der TorqSense-Sensor ist in einem Video im Technologiebereich der Website von Oxford YASA Motors (www.oxfordyasamotors.com) in Betrieb zu sehen. Er wird regelmäßig als Hilfsmittel zur Bewertung der Motorleistung eingesetzt und liefere dem Unternehmen die zuverlässigen und genauen Informationen, die es benötigt, um den anhaltenden Erfolg seines Entwicklungsprogramms in diesem aufregenden neuen Bereich sicherzustellen.


17.06.2020

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