Zkoušení elektromotorů
S rostoucí elektrifikací a rychlým technologickým pokrokem jsou na účinnost a výkon elektromotorů kladeny stále vyšší nároky. Tyto změny přinášejí i nové požadavky na zkoušení v oblasti vývoje a výroby. Společnost ZwickRoell nabízí špičková řešení pro testování elektromotorů, která zajišťují splnění nejpřísnějších standardů výkonu a spolehlivosti. Zaměřujeme se na klíčové oblasti, jako jsou technologie hairpin (technologie vinutí pro statory v elektromotorech a generátorech z povlakovaných měděných drátů pravoúhlého průřezu) a charakterizace elektrotechnických plechů, které hrají zásadní roli v dosažení maximální účinnosti a výkonu elektromotorů.
Díky inovativním řešením pro přesnou a spolehlivou charakterizaci materiálových vlastností pomáháme našim zákazníkům optimalizovat jejich produkty a zůstat o krok napřed.
Zkoušky vlásenkového vinutí Zkoušení elektrotechnických plechů Požádat o konzultaci
Co přesně znamená technologie hairpin?
Technologie haripin je technologie vinutí pro statory v elektromotorech a generátorech. Jako hairpin se označuje povlakovaný měděný drát pravoúhlého průřezu, které vypadají jako sponky do vlasů neboli vlásenky (anglicky hairpin). Vinutí hairpin se používá také pro trakční aplikace v elektrických vozidlech. Na rozdíl od konvenčních technologií vinutí je technologie hairpin založena na pevných, plochých měděných tyčinkách, které se vkládají do statorového svazku. Tento způsob navíjení nahrazuje tradiční kruhové měděné cívky a umožňuje výrazné zlepšení výkonu elektromotorů při současném zmenšení instalačního prostoru. Důvodem je efektivnější využití dostupného objemu. Aby bylo možné těchto výhod dosáhnout, procházejí vlásenky složitými procesy ohýbání a navíjení. Tyto výrobní kroky kladou vysoké nároky na přesnost a spolehlivost. Klíčová je přitom důkladná znalost materiálových vlastností a vlivu procesních parametrů. A právě proto jsou nezbytná spolehlivá zkušební řešení, která zajišťují kvalitu a stabilitu celého výrobního procesu.
Nové požadavky na zkoušky hairpin
Pro zajištění stabilního a spolehlivého výrobního procesu statorů je nezbytné přesně znát mechanické vlastnosti použitých materiálů. Jen tak lze zajistit konzistentní kvalitu a zabránit tomu, aby odchylky v materiálu vedly k výpadkům ve výrobě. Kromě samotných vlastností materiálu je však klíčové také porozumět vlivům výrobních parametrů na celý proces.
Společnost ZwickRoell nabízí rozsáhlé portfolio zkušebních řešení, která byla speciálně navržena pro charakterizaci obdélníkových, izolovaných měděných vodičů – tzv. vlásenek (hairpin). Tato řešení poskytují hluboký vhled do chování materiálu a výrobních procesů a zásadně přispívají k dalšímu rozvoji technologie hairpin a efektivní výrobě statorů. Mezi ně patří:
- Vysoce přesné stanovení elastického chování materiálu, které může být ovlivněno izolačním povlakem. Tato data jsou klíčová zejména kvůli zpětnému pružení, které zásadně ovlivňuje přesnost ohybových a tvarovacích operací
- Zkoušky tahem pro analýzu plastického chování vlásenek až do porušení
- Ohybové zkoušky zaměřené na určení modulu pružnosti v ohybu a sledování zpětného pružení při zkoušce
- Zkoušky krutem, které umožňují simulaci reálných podmínek výrobního procesu a pomáhají optimalizovat parametry navíjení a ohýbání
- Přesné měření koeficientu tření izolačního povlaku
Zkouška tahem hairpin
Tenká polymerní izolace má zásadní vliv na tvarovatelnost měděného drátu, zejména na zpětné pružení po ohýbání, které ovlivňuje výslednou rozměrovou přesnost. Nedostatečné přizpůsobení tohoto jevu může vést k problémům ve výrobě. Izolace však musí kromě jiného splňovat i některé další specifické požadavky. Nesmí praskat ani při vysokém stupni deformace. Dále musí být dobře zpracovatelná a současně co nejtenčí, aby umožnila kompaktní navíjení.
- Porozumění pružnosti je proto zcela zásadní. Aby bylo možné při zkoušce tahem přesně stanovit rozsah pružnosti izolovaného drátu, nabízí společnost ZwickRoell oboustranný průtahoměr s extrémně vysokým rozlišením, který umožňuje samostatné měření modulu pružnosti na obou stranách vzorku. Tento způsob zaručuje maximální přesnost měření.
- Pro stanovení plastické deformace až do lomu je v nabídce průtahoměr macroXtens, který dokáže při zkoušce tahem zaznamenávat prodloužení vzorku s maximální přesností.
Zkouška ohybem hairpin
Chování vlásenek při ohybu lze přesně charakterizovat pomocí tradiční zkoušky tříbodovým ohybem s průtahoměrem. Tato zkouška umožňuje stanovit modul pružnosti v ohybu a zároveň sledovat zpětné pružení materiálu po deformaci. Tento druh zkoušky se využívá jak při kontrole kvality, tak při validaci simulačních modelů, které slouží k optimalizaci výrobních procesů a přesnější predikci mechanického chování materiálu.
Zkoušky krutem pro simulaci výrobních procesů hairpin
Pro simulaci výrobního procesu nabízí ZwickRoell systém pro zkoušky krutem, který dokáže provádět simulace torzního zatížení vlásenek při reálné výrobní rychlosti. K tomu se používá modulárně nastavitelný zkušební přípravek.
- Díky tomuto přípravku lze provádět flexibilní úpravy geometrie vlásenky i nastavení různých poloměrů ohybu. Umožňuje také nastavení různých rychlostí ohybu a s připojením zkušebního softwaru testXpert dokonce i měření úhlu zpětného rázu.
- To umožňuje samostatně sledovat a analyzovat mnoho parametrů celého procesu. Kombinace s mechanickou charakterizací umožňuje provádět korelace, které lze využít k lepšímu pochopení procesů a tím k dalšímu zlepšení kvality.
Dynamické zkoušky elektromotorů a elektrotechnických plechů
Elektrotechnické plechy jsou speciálně navržené ocelové plechy používané při výrobě elektromotorů. Slouží k efektivnímu vedení magnetického toku a výrazně přispívají ke zvýšení účinnosti motoru. Jejich mechanické i magnetické vlastnosti hrají klíčovou roli zejména při vysokých rychlostech a dynamickém zatížení, které se v elektromobilech vyskytují.
V současnosti je ve výrobě elektrooceli patrný silný trend směřující k vývoji nových a pokročilých materiálů. Tyto inovativní plechy s sebou přinášejí nové výzvy v oblasti tváření a zpracování. Vyžadují proto pečlivou analýzu a hlubší znalost jejich materiálových charakteristik.
Zkoušky elektrotechnických plechů jsou zásadní nejen pro posouzení jejich obecných mechanických vlastností, ale také pro analýzu magnetického chování a únavové pevnosti. Nedostatečné nebo vadné magnetické vlastnosti mohou výrazně snížit účinnost elektromotoru a vést k nežádoucím energetickým ztrátám. Elektrotechnické ocelové plechy se obvykle vyrábějí lisováním, při němž dochází ke zpevnění okrajů. Tento efekt může vést ke vzniku okrajových trhlin, a tím k předčasnému selhání součástí. Zároveň může ovlivnit průběh magnetického toku. Spolehlivé a přesné stanovení charakteristických vlastností materiálu je proto naprosto nezbytnou součástí.
Dynamické zkoušky: Pro posouzení únavové pevnosti a chování materiálu v reálných provozních podmínkách se na elektrotechnických plechách provádějí zkoušky s dynamickým zatížením. Společnost ZwickRoell nabízí pro tyto účely servohydraulické kompaktní zkušební systémy, které se díky své konstrukci se zkušebním pohonem ve spodním příčníku skvěle hodí i pro zkoušky při zvýšených teplotách.
Statické zkoušení elektrotechnických ocelových plechů pro elektromotory
Pro zajištění mechanické spolehlivosti elektrotechnických ocelových plechů pro elektromotory se používají tradiční statické zkušební metody, jako je zkouška tahem podle norem ISO 6892-1 a ASTM E8. Tyto zkoušky umožňují určit základní mechanické parametry materiálu, jako jsou modul pružnosti, mez kluzu, pevnost v tahu a prodloužení při porušení. Výsledky těchto zkoušek poskytují důležité informace o chování materiálu při kvazistatickém zatížení a jsou nezbytné pro výběr vhodného materiálu a kontrolu kvality zejména u součástí, jako jsou statory a rotory elektromotorů.
Elektrotechnické ocelové plechy jsou často extrémně tenké (50–100 µm) a mívají hrubou mikrostrukturu. A to právě může vést ke komplexnímu deformačnímu a lomovému chování.
- NormaDIN 50154, která definuje zkoušky tahem tenkých vzorků se jmenovitou tloušťkou menší než 200 µm, představuje vhodnou alternativu k normě ISO 6892. Samotné výsledky statických zkoušek totiž v mnoha případech nestačí k přesné predikci lokálního lomového chování při procesech tváření. Obě zkušební metody jsou již integrovány jako standardní programy ve zkušebním softwaru testXpert od společnosti ZwickRoell. Všechny důležité parametry zkoušek jsou tak přednastaveny a připraveny k okamžitému použití.
- Zkoušení plechů umožňuje realistické posouzení lomového chování v procesech, jako je hluboké tažení, a poskytuje cenné informace o tvářitelnosti materiálu či jeho náchylnosti k tvorbě trhlin.
- Citlivost elektrotechnických ocelových plechů na vznik trhlin na hranách lze spolehlivě stanovit zkouškou rozšiřováním otvoru. ZwickRoell v této oblasti nabízí optickou detekci poškození s podporou umělé inteligence, která zajišťuje vysoce přesné, reprodukovatelné výsledky bez vlivu obsluhujících osob.
Vědecká studie o elektrotechnických ocelích
Multifunkční analýza mechanických a magnetických vlastností elektrotechnických plechů
Zkušební systémy společnosti ZwickRoell byly využity v několika studiích v rámci výzkumného projektu Německé výzkumné nadace (DFG), na kterém spolupracovalo několik univerzit. Bylo prokázáno, že ražením lze v elektrotechnických ocelích lze cíleně vytvářet zbytková napětí. Tato napětí ovlivňují průběh magnetického toku a mohou tak přispět ke zvýšení účinnosti elektromotorů. V rámci projektu byl vyvinut speciální přípravek, který umožňuje měření magnetických vlastností materiálu během zkoušky tahem in-situ.
Snímek podle výzkumné zprávy DFG „Zvýšení účinnosti elektrooceli cíleným zbytkovým napětím“, strana 206, část 12.4
VÍCE INFORMACÍ O AUTOROVI:
Vedoucí globálního průmyslového managementu
- Zodpovědný za strategický vývoj řešení pro zkoušení v oblasti mobility a bateriových technologií ve společnosti ZwickRoell
- Odborník na mechanické zkoušky materiálů a komponentů pro automobilový průmysl
- Dlouholeté zkušenosti z výzkumné činnosti na Katedře technologie tváření a slévárenství (utg) na Technické univerzitě v Mnichově
- Vedoucí řady bilaterálních výzkumných projektů s předními výrobci automobilů
- Vědecké zaměření: Stanovení charakteristických vlastností plechových materiálů a difrakční experimenty in-situ
- Doktorát v roce 2023, téma disertační práce: Elasticko-plastická charakterizace vysokopevnostních ocelí