Testen van elektromotoren
Met de vooruitgang van de elektrificatie en de verwante technologische ontwikkelingen, worden ook de efficiëntie en de prestaties van elektromotoren voortdurend verbeterd. Nieuwe technologische benaderingen leiden tot nieuwe vereisten aan het testen van elektromotoren. ZwickRoell levert een gamma oplossingen om te verzekeren dat elektromotoren voldoen aan de strengste eisen op vlak van prestaties en efficiëntie. De focus ligt op innovatieve technologieën zoals hair pin of wikkeltechnologie (rechthoekige koperdraad geïsoleerd met een polymeercoating) en tests op elektrostaalplaat. Beiden leveren een beslissende bijdrage aan de efficiëntie en de prestaties van elektromotoren.
Met innovatieve testoplossingen voor precieze materiaalkarakterisatie en het monitoren van het hele productieproces, draagt ZwickRoell aanzienlijk bij tot de optimalisatie van elektromotoren.
Wat is hair pin technologie juist?
Hair pin technologie is een moderne wikkeltechniek die gebruik maakt van rechthoekige geïsoleerde koperdraad, ook gekend als “hair pin en” omwille van hun vorm. Deze technologie vervangt traditionele koperwikkelingen en helpt de efficiëntie van elektromotoren aanzienlijk verbeteren. Verder wordt ook de nodige ruimte behoorlijk verkleind door een efficiënter gebruik van het volume. Hiervoor worden de hair pins verwerkt in zeer complexe wikkel- en buigprocessen. Opdat de productieprocessen robuust zouden verlopen met goede resultaten, moeten zowel het materiaalgedrag als de invloed van de procesparameters grondig gekend zijn. Precies daarom zijn geschikte testoplossingen nodig.
Hair pin tests - nieuwe testvereisten
Om een stabiel productieproces te garanderen voor de stator is een precies begrip nodig van de mechanische eigenschappen, niet enkel om een consistente kwaliteit te waarborgen maar vooral om te voorkomen dat het productieproces tot stilstand komt door inconsistente materialen. Naast de materiaaleigenschappen moeten ook de invloeden van de productieparameters geanalyseerd en begrepen worden.
ZwickRoell levert een breed testportfolio specifiek voor de karakterisatie van rechthoekige gecoate koperdraad, meerbepaald een diepgaand begrip van de materialen en processen. Zo dragen we bij aan de verdere ontwikkeling van hair pin technologie en productieprocessen van statoren met hair pins. Deze zijn onder andere:
- Het elastische materiaalgedrag kan afwijken van het basismateriaal door de coating, en moet uiterst precies gemeten worden. Dit is zeer belangrijk voor het productieproces omwille van het terugveren.
- Plastisch materiaalgedrag van de hair pins tot breuk tijdens de trektest
- Buiggedrag om de buigmodulus en het terugveren te controleren
- Simulatie van het productieproces met torsietests
- Precieze analyse van de wrijvingscoëfficiënt van de coating
Trektests op hair pins
De dunne polymeerisolatie heeft een directe invloed op de vervormbaarheid van de koperdraad, meerbepaald het terugveren na het buigproces. Dit beïnvloed de dimensionele nauwkeurigheid en kan leiden tot problemen in productie. Daarnaast worden ook eisen gesteld aan de isolatie zelf; deze mag geen scheurtjes vertonen, zelfs bij hoge vervorming. Ze moet verwerkbaar zijn en zo dun mogelijk.
- Het begrijpen van de elasticiteit is daarom cruciaal. Om het elastisch gebied van de geïsoleerde draad tijdens de trektest precies te bepalen, gebruikt ZwickRoell een tweezijdige extensometer met zeer hoge resolutie, die de elasticiteitsmodulus afzonderlijk meet aan twee zijden van het sample. Dit verzekert uiterst precieze testresultaten.
- Voor de bepaling van de plastische vervorming tot breuk wordt de rek van het sample geregistreerd met een makroXtens rekmeter.
Buigtests op hair pins
Het buiggedrag wordt gekarakteriseerd via een conventionele 3-punts buigtest met een extensometer. Enerzijds wordt de buigmodulus bepaald, anderzijds wordt ook het terugveren gecontroleerd. Deze test is zowel geschikt voor kwaliteitscontrole als voor de validatie van simulatiemodellen.
Torsietests voor het simuleren van het productieproces van hair pins
Om het productieproces te simuleren gebruikt ZwickRoell een torsietestsysteem voorzien van een modulair instelbaar buig/torsiewerktuig waarmee een torsie van de hair pin gesimuleerd kan worden aan werkelijke productiesnelheid.
- Het testwerktuig laat toe de geometrie van de hair pin flexibel bij te regelen, verschillende buigstralen te gebruiken, verschillende buigsnelheden toe te passen en zelfs de terugveerhoek te meten via de verbinding tussen de testXpert testsoftware en de machine.
- Op die manier kunnen verschillende procesparameters afzonderlijk bekeken en geanalyseerd worden. De combinatie met de mechanische karakterisatie maakt dat correlaties gemaakt kunnen worden waardoor processen beter begrepen worden en de kwaliteit verder verbeterd kan worden.
Dynamische belastingstests op elektrostaalplaat voor elektromotoren
Elektrostaalplaat is een uiterst speciale staalplaat die gebruikt worden bij de productie van elektromotoren om de magnetische flux te geleiden en de efficiëntie van de motor te verbeteren. Hun mechanische en magnetische eigenschappen zijn cruciaal voor de prestaties van de motor, in het bijzonder bij hoge snelheden en onder dynamische belasting zoals in elektrische voertuigen.
In de staalindustrie is de ontwikkeling van nieuwe, innovatieve elektrostalen momenteel een trend. Nieuwe materialen brengen steeds nieuwe vervormings- en procesfenomenen met zich mee die precies begrepen en gekarakteriseerd moeten worden.
Het testen van elektrostaalplaat is essentieel, niet enkel om hun algemene mechanische eigenschappen te karakteriseren, maar ook hun magnetisch gedrag en vermoeiingsweerstand. Defecten of slechte magnetische eigenschappen kunnen de efficiëntie van de motor aanzienlijk hinderen en leiden tot onnodige energieverliezen. Veelal worden elektrostaalplaten geproduceerd via walsprocessen. De resulterende geharde rand van de plaat kan zorgen voor scheurvorming en vroegtijdig falen, en beïnvloed de magnetische flux. Daarom is het nodig de plaat goed te karakteriseren.
Dynamische belastingstests: Elektrostaalplaten worden onderworpen aan dynamische belasting om hun vermoeiingsweerstand en gedrag bij reële gebruiksomstandigheden te testen. Hiervoor levert ZwickRoell compacte servohydraulische testsystemen die - dankzij de in de onderste traverse gemonteerde cilinders - bijzonder goed geschikt zijn voor gebruik bij verhoogde temperaturen.
Statische materiaaltests op elektrostaalplaat voor elektromotoren
Om de mechanische werking van elektrostaalplaat in elektromotoren te garanderen tijdens de verwerking en het gebruik, spelen conventionele statische testmethoden zoals de trektest volgens ISO 6892-1 en ASTM E8 een belangrijke rol bij het bepalen van de materiaalparameters zoals de elasticiteitsmodulus, vloeigrens, treksterkte en rek bij breuk. Ze leveren fundamentele informatie over het mechanische gedrag van het materiaal onder quasi-statische belasting en zijn essentieel voor materiaalselectie en kwaliteitscontrole van materialen, bijvoorbeeld voor statoren en rotoren in elektromotoren.
Elektrostaalplaat is vaak zeer dun (gewoonlijk tussen 50 en 100 micrometer) en heeft een zeer grove korrelstructuur. Dit leidt tot zeer complex vervormings- en faalgedrag.
- DIN 50154, beschrijft de trektest op dunne samples met een nominale dikte van minder dan 200 µm, en is goed geschikt als alternatieve testmethode voor ISO 6892. De statische testwaarden volstaan vaak niet om het lokale faalgedrag tijdens vervormingsprocessen te voorspellen. Beide genormeerde testmethoden zijn beschikbaar als testprogramma’s in de ZwickRoell testXpert testsoftware zodat alle belangrijke testparameters vooraf ingesteld zijn.
- Plaatwerktests helpen om het scheurgedrag te onderzoeken tijdens realistische vervormingsprocessen (bv. dieptrekken) en leveren informatie over de vervormbaarheid en de scheurgevoeligheid.
- In een hole expansion test wordt de scheurgevoeligheid van de rand van elektrostaalplaat geanalyseerd. RRR heeft optische detectie van fouten met ondersteuning van AI en verzekert reproduceerbare resultaten onafhankelijk van de gebruiker.
Wetenschappelijke studie over elektrostaalplaat
Multifunctionele analyse van de mechanische en magnetische eigenschappen van elektrostaalplaat
De Duitse onderzoeksstichting (DFG) steunde een onderzoeksproject met vele universiteiten waarin ZwickRoell machines werden gebruikt voor verschillende studies. Onderzoek toonde aan dat een walsproces gebruikt kan worden om met opzet residuele spanningen te introduceren in de elektrostaalplaat. Deze restspanningen beïnvloeden de magnetische flux in het plaatmetaal en kunnen dus de efficiëntie verhogen. Met een in het onderzoeksproject ontwikkeld werktuig kon het magnetische materiaalgedrag gemeten worden tijdens een trektest.
Zie afbeelding; vergelijk met DFG onderzoeksrapport “Increased Efficiency of Electrical Steel by Targeted Residual Stress” Pagina 206, sectie 12.4
OVER DE AUTEUR:
Head of Global Industry Management
- Verantwoordelijk voor de strategische ontwikkeling van testoplossingen voor de mobiliteits- en batterijsector bij ZwickRoell
- Specialist voor mechanische tests op materialen en onderdelen in de automobielindustrie
- Meerdere jaren onderzoekservaring aan de Chair of Forming Technology and Foundry Engineering (utg) aan de Technische Universiteit München
- Leidde talrijke bilaterale onderzoeksprojecten met toonaangevende automobielfabrikanten
- Wetenschappelijke focus: Karakterisatie van plaatmetaal en in-situ diffractie-experimenten
- 2023 Doctoraatsverhandeling met als onderwerp: Elastic-plastic characterization of high-strength steels