DE3910643A1

DE3910643A1 - Verfahren zur serienmaessigen leistungspruefung von gleichstrom-kleinmotoren mit permanentmagneten

Info

Publication number: DE3910643A1
Application number: DE19893910643
Authority: DE
Inventors: Adolf Schemel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-04-01
Filing date: 1989-04-01
Publication date: 1990-10-04

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur serienmäßigen Leistungsprüfung von Gleichstrom-Kleinmotoren mit Permanentmagneten. Sie betrifft ferner einen Prüfstand zur Durchführung des Verfahrens und ein hierzu anwendbares Rechenprogramm.

Bei der Leistungsprüfung von Gleichstrom-Kleinmotoren wird der Motor auf einem Prüfstand nach Aufschalten der Prüfspannung auf ein vorgeschriebenes Belastungsdrehmoment abgebremst, und die Einhaltung der Sollwerte für Drehzahl und Stromaufnahme wird überprüft.

Es ist bekannt, die Belastung durch eine elektrische Bremsmaschine mit Konstantstromregelung durchzuführen, welche aber verhältnismäßig teuer und störanfällig ist.

Es ist ferner möglich, die Belastung des Motors durch einen mit der Motorwelle verbindbaren Lüfter oder eine Bremsklatsche durchzuführen, wobei die Kupplung des zu prüfenden Motors mit dem Lüfter von Hand vorgenommen wird. Bei der Prüfung mit dem Konstantmoment kann dabei auch eine Kupplung von Hand oder eine automatische Kupplung vorgesehen werden.

Die Auswertung der Meßergebnisse erfolgt teilweise manuell durch Ablesen der Meßwerte für Drehzahl und Stromaufnahme, wobei eine automatische "Gut-Schlecht-Auswertung" mit Fehleranzeige durchgeführt wird. Obwohl die Auswertung mit der Belastung des Motors durch Lüfter oder Bremsklatsche gegenüber einer elektrischen Bremsmaschine mit Konstantmomentregelung wesentlich billiger ist, hat die erstgenannte Lösung jedoch den Nachteil, daß sich wegen der Abhängigkeit des Belastungsdrehmoments von der Drehzahl Ungenauigkeiten ergeben, die bei den meisten Anwendungsfällen nicht mehr zulässig sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur serienmäßigen Leistungsprüfung von Gleichstrom-Kleinmotoren mit Permanentmagneten zu schaffen, bei welchem durch eine durch einen Mikroprozessor oder Computer gestützte Auswertung auch bei Belastung durch Lüfter oder Bremsklatsche eine ausreichende Genauigkeit erreichbar ist, so daß sich im Vergleich der Leistungsprüfung mit der Belastung durch eine elektrische Bremsmaschine mit Konstantmomentregelung eine Kosteneinsparung bei geringerer Störanfälligkeit ergibt.

Die gestellte Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Mit diesem computerunterstützten Verfahren ist es möglich, das drehzahlabhängige Belastungsdrehmoment des Lüfters, unter Berücksichtigung der Belastungscharakteristik des Motors immer auf das gleiche Belastungsmoment (Konstantmoment) hochzurechnen. Damit wird eine auf das Konstantmoment bezogene Auswertung für Drehzahl und Stromaufnahme möglich.

Anhand der Zeichnungen soll das Verfahren gemäß der Erfindung an Blockschaltbildern, graphischen Darstellungen und einer Prüfstandanordnung näher erläutert werden.

In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Mikroprozessors oder Rechners zur Ermittlung des Stroms I₁.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild eines Mikroprozessors oder Rechners zur Errechnung der Drehzahl n₅.

Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung des Stromverlaufs I = f(M) für den Motor und die Drehzahl n für den Lüfter.

Fig. 4 zeigt eine graphische Darstellung der Kurven n = f(M) für den Lüfter und n = f(M) für den Motor bei Spannungsabsenkung.

Fig. 5 zeigt eine weitere Schaltungsanordnung eines Mikroprozessors oder Rechners gemäß Fig. 1 zur Prüfung an einem ersten Lastpunkt.

Fig. 6 zeigt ein Blockschaltbild eines Mikroprozessors oder Rechners gemäß Fig. 2 zur Messung oder Prüfung von zwei oder mehr Lastpunkten.

Fig. 7 zeigt eine graphische Darstellung von Strom I und Drehzahl n über M zur Messung bzw. Prüfung des Motors in einem Lastpunkt entsprechend Fig. 5.

Fig. 8 zeigt eine graphische Darstellung von Strom I und Drehzahl n über M zur Messung von zwei Lastpunkten.

Die Fig. 9 und 10 zeigen prinzipielle Darstellungen von Prüfständen.

Zur Erklärung der Zeichnungen werden zunächst die Grundlagen für ein Rechenprogramm für den Prüfablauf gemäß dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung dargestellt.

Es wird zunächst auf die Fig. 1 bis 4 Bezug genommen.

Bei der Leistungsprüfung von Gleichstrom-Kleinmotoren mit Permanentmagneten ist bei vorgegebener Prüfspannung U _p und vorgegebenem Belastungsdrehmoment M₁ die maximale Stromaufnahme I _max zu prüfen. Ferner muß das Streuband für die Mindestdrehzahl n₁ bis zur maximalen Drehzahl n₂, die nicht überschritten werden darf, geprüft werden.

Für den Prüflüfter oder die Bremsklatsche gilt die Funktion

M₃ = c₃n₃²
c₃ = Lüfterkonstante
n₃ = Drehzahl des Lüfters
M = Belastungsmoment des Lüfters

Zur Erläuterung wird die Nenndrehzahl abgeleitet:

n _N = 1/2 (n₁ + n₂)

Damit liegt die Charakteristik bzw. die Konstante des Lüfters fest.

c₃ = 2 M₁ : (n₁ + n₂)

Es sind selbstverständlich auch abweichende Lüfterauslegungen möglich. Die getroffene Festlegung hat jedoch den Vorteil guter Übersichtlichkeit und Prüfung möglichst nahe dem Nenn-Drehmoment.

Die Strom-Drehmoment-Charakteristik des Motors lautet:

I₂ = I₀ + c₁M₂ (1.1)
I₀ = Leerlaufstrom
c₁ = Motorkonstante (A/Ncm)
M₂ = Lastmoment des Motors

Das Drehmoment des Motors bei Lüfterbelastung wird aus der Ist-Drehzahl n₄ und der Belastungscharakteristik des Lüfters berechnet. Nach Abschluß des Hochlaufvorganges des Motors nach Einschalten der Prüfspannung wird das Moment M₃ des Prüflüfters gleich dem Moment des Motors M₂.

M₃ = M₂

Für die Auswertung in Verbindung mit der Funktion M₃ = c₃n₃² ergeben sich folgende Möglichkeiten.

Mit dem vorgegebenen Steigungsverlauf der I-M-Kennlinie (Fig. 3 in Verbindung mit Fig. 4) wird der Strom I₁ errechnet, der sich bei vorgegebenem Belastungsdrehmoment einstellt.

I₁ = I₂ + c₁(M₁-M₂) bzw. I₁ = I₂ + c₁(M₁-c₃n₄²) (1.2)

I _max ist vorgegeben für M₁ bei U _p
I₂ ist der bei Lüfterbelastung und U _p gemessene Strom

Es ergibt sich folgende Auswertung:

I ≦ I _max, d. h. "gut"
I₁ < I _max, d. h. I ist zu groß.

Zur Bestimmung der Steigung der I-M-Kennlinie wird eine Spannungsabsenkung durchgeführt. Bei Spannungsabsenkung ist die Beziehung (1.1) unabhängig von U _p.

Die Ableitung von c₁ ist:

Nach Ermittlung der Steigung = c₁ entspricht der weitere Ablauf der Formel (1.2).

In der praktischen Ausführung wird beim Prüfungsablauf nach der Formel (1.2) bei der Prüfspannung U _p die Drehzahl n₄ gemessen (Fig. 4). Bei der Spannungsabsenkung wird kurzzeitig während des Hochlaufs des Motors ca. 0,95 U _p eingestellt, wobei dann die Drehzahl n₆ gemessen und das Drehmoment M₆ wie folgt errechnet wird:

M₆ = c₃n₆²

Die Stromdifferenz I ergibt sich zu

Δ I = I₂ - I₃
I₂ = Strom bei U _p
I₃ = Strom bei 0,95 U _p

Die Drehzahldifferenz M ergibt sich zu

Δ M = M₂ - M₆

oder

Δ M = c₃n₄²) - C₃n₆² = C₃ (n₄² - n₆²).

Daraus ergibt sich:

Hieraus errechnet sich

I₁ = I₂ + c₁(M₁-c₃n₄²)

oder

Diese Rechnung ergibt sich aus dem nachfolgend beschriebenen Rechenprogramm und dem Blockschaltbild im in Fig. 1 dargestellten Mikroprozessor. In den Mikroprozessor werden die vorprogrammierten Eingabewerte M₁, c₃ eingegeben. Ferner werden die Variablen I₂, I₃ eingegeben, und nach Durchführung des Rechenprogramms wird in der Anzeige der Stromwert I₁ angezeigt, der sich bei vorgegebenem Belastungsdrehmoment einstellt.

Gleichzeitig wird in einem weiteren Prozessor eine Drehzahl berechnung durchgeführt, wobei die Grundlagen für dieses Rechenprogramm nachfolgend beschrieben werden.

Die n-M-Charakteristik des Motors lautet:

n₄ = n₀ - c₂M₂
n₀ = Leerlaufdrehzahl
c₂ = Motorkonstante (U/min / N/cm)

Die Konstante c₂ ist als linearer Drehzahlabfall aus der n-M-Kennlinie vorgegeben (Fig. 4).

Bei Lüfterbelastung stellt sich nach Ablauf des Hochlaufvorgangs bei eingeschalteter Spannung, wie oben dargelegt, M₃ = M₂ ein, d. h. das Belastungsmoment M₃ des Lüfters ist gleich dem Lastmoment M₂ des Motors.

Über die Ist-Drehzahl n₄ des Motors, die als Meßwert erfaßt wird, kann das zugehörige Drehmoment M₂ errechnet werden. Unter Berücksichtigung des Steigungsverlaufes der n-M-Kennlinie des Motors wird dann die Drehzahl n₅ errechnet, die sich bei vorgegebenem Belastungsdrehmoment einstellen würde.

n₅ = n₄ - (M₁ - M₂)c₂ bzw. n₅ = n₄ - (M₁ - c₃n₄²)c₂ (2.1)

Es ergibt sich folgende Auswertung:
wenn

n₅ ≦ n₂ und ≧ n₁, ist die Drehzahl richtig
n₅ < n₁: die Drehzahl ist zu niedrig
n₅ < n₂: die Drehzahl n ist zu groß

Die Steigung der n-M-Kennlinie wird wiederum durch eine Spannungsabsenkung Δ U und die sich bei den verschiedenen Spannungen ergebenen Drehzahlen und Drehmomente bestimmt. Es ist selbstverständlich auch eine Spannungsanhebung möglich.

Nach Ermittlung der Steigung c₂ kann diese in die Formel (2.1) eingesetzt werden.

Während des Prüfungsablaufes wird die Drehzahl n₄ von (2.1) bei U _p gemessen. Bei der Spannungsabsenkung wird kurzzeitig während des Hochlaufes des Motors ca. 0,95 U _p eingestellt, wobei dann die Drehzahl n₆ gemessen und das Drehmoment M₆ ist wie zuvor

M₆ = c₃n₆².

Der Drehzahlabfall Δ n₁ bei Spannungsabsenkung um Δ U ergibt sich als vom Drehmoment unabhängige Motorkonstante. Wie in Fig. 4 dargestellt, entspricht Δ n dem senkrechten Abstand auf der Ordinatenachse zwischen den Punkten C und A und Δ M dem waagrechten Abstand auf der Abszissenachse zwischen den Punkten A und B.

Bei A wird die Drehzahl n₄ gemessen und bei B die Drehzahl n₆. Entsprechend wird bei A das Drehmoment M₂ und bei B das Drehmoment M₆ gemessen. Bei C würde sich die Drehzahl n₇ ergeben.

Folgende Berechnung ergibt sich:

Δ n = n₇ - n₄, n₇ = n₆ + Δ n₁
Δ M = M₂ - M₆ = c₃n₄² - c₃n₆² = c₃(n₄² - n₆²)

Daraus ergibt sich:

Damit wird die Ist-Drehzahl des Motors n₅ bei U _p und M₁

Diese Berechnung ergibt sich durch das nachfolgende Rechenprogramm in Verbindung mit dem in Fig. 2 dargestellten Blockschaltbild für den Mikroprozessor.

Die variablen Drehzahlen n₄ und n₆ werden eingegeben, ferner die vorprogrammierten Eingabewerte M₁, c₃ und Δ n₁. Hieraus wird dann unter Berücksichtigung der oben angeführten Formel die Ist-Drehzahl n₅ des Motors bei U _p und M₁ berechnet und angezeigt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch, wie nachfolgend beschrieben, geändert und verbessert werden. Hierbei wird auf die Fig. 5 bis 8 Bezug genommen.

Wie sich aus den Fig. 5 und 7 ergibt, kann die Messung bzw. Prüfung von einem Arbeitspunkt (ARP) mit einem Lastpunkt durchgeführt werden. Dabei wird ein Bremslüfter gelagert und durch eine Kupplung, z. B. eine Magnetkupplung, zu- und abschaltbar auf die Welle des Motors gemacht. Die Leistung des Lüfters wird nach dem vorgegebenen Lastpunkt ausgelegt. Eine Messung wird während des Prüfungsverfahrens nacheinander im ARP₁ (Lastpunkt 1) durchgeführt. Hierbei wird der Strom im Lastpunkt I _L und die Drehzahl im Lastpunkt n _L gemessen. Nach dem Auskuppeln des Lüfters wird im Leerlauf der Strom I₀ und die Drehzahl n₀ gemessen.

Die Steigung der n-M-Kennlinie C₁ ergibt sich dann wie folgt:

Die Steigung der n-M-Kennlinie C₂ ist

Mit Hilfe der variablen Werte I₀, I _L, n₀, n _L und der Konstanten I _max, n _max, n _min, n _N, M _N können dann die Werte I und n, die sich bei den vorgegebenen Nennmomenten einstellen, entsprechend der Darstellung im Blockschaltbild des Mikroprozessors von Fig. 5 errechnet werden.

Die Fig. 6 und 8 zeigen die Messungen von zwei Arbeitspunkten bei zwei Meßpunkten oder mehreren.

Hierbei werden zwei Bremslüfter gelagert und ein Bremslüfter durch eine Kupplung zu- und abschaltbar gemacht. Die Leistung der Lüfter wird entsprechend den vorgelegten Lastpunkten ausgelegt. Dabei wird die Steigung der M-n-Kennlinien und der I-M-Kennlinien wie folgt bestimmt:

Die Hochrechnung erfolgt wie bei 1 (bitte noch näher darlegen). Diese Berechnung kann mit den variablen Werten I _{L ₁}, I _{L 2}, n _{L 1}, n _{L 2} und den Konstanten I _{max 1}, I _{max 2}, n _{min 1}, n _{min 2}, n _{max 1}, n _{max 2}, M _{N 12}, M _{N 2}, n _{N 1}, n _{N 2} der Mikro prozessordarstellung in Fig. 6 errechnet werden, wobei sich die Werte I₁, I₂ und N₁, N₂ ergeben.

Zur Berechnung mit den Mikroprozessoren werden folgende Rechenprogramme dargestellt.

Die Ausgangsformeln lauten entsprechend den Fig. 5 und 7:

I₁ = I₂ + c₁(M₁ - c₃n₄²)

und

n₅ = n₄ + c₂(M₁ - c₃n₄²)

Entsprechend den Fig. 6 und 8 ergeben sich folgende Änderungen:

I₁ = I _{L 1} + c₁ (M _{N 1} - c₃n _{L 1}²)

und

I₂ = I _{L 2} + c₁(M _{N 2} - c₄n _{L 2}²)
n₁ = n _{L 1} + c₂ (M _{N 1} - c₃n _{L 1}²)

und

n₂ = n _{L 2} + c₂(M _{N 2} - c₄n _{L 2}²)

Eingesetzt entsprechend Seite 20:

und

Es ist:

M _{L 1} = c₃n _{L 1}²

und

M _{L 2} = c₄n _{L 2}

c₃ = Lüfterkonstante von Lüfter 1
c₄ = Lüfterkonstante von Lüfter 1 und 2.

Damit wird:

In Fig. 9 ist schematisch ein Prüfstand dargestellt. Der zu prüfende Motor 1 steht mit einer mechanischen Kupplung 2 einer mechanischen Motorbremsmaschine in Verbindung, die mit einer Elektromagnetkupplung 3 verbunden ist. An der Elektromagnetkupplung 3 befindet sich ein Bremslüfter 4.

In Fig. 10 ist eine weitere Ausführungsmöglichkeit eines Prüfstandes dargestellt. Die Anordnung bis zum Bremslüfter 4 ist die gleiche wie in Fig. 9. Lediglich ist an dem Bremslüfter 4 eine Elektromagnetkupplung 5 angeordnet, die mit einem zweiten Bremslüfter 6 verbunden ist.

Zur Durchführung der Messung wird in den beiden in den Fig. 9 und 10 gezeigten Fällen der Motor 1 über einen Shunt 7 betrieben, an dem die Stromverhältnisse abgegriffen werden. Diese werden einem Analogdigitalwandler 8 zugeführt, der mit dem Rechner 9 verbunden ist.

Es sei noch angeführt, daß die Kompensation der Luftwerte, nämlich des Druckes, der Feuchtigkeit und der Temperatur, in einfacher Weise auf den jeweiligen Normalwert erfolgen kann. Insbesondere kann der Motorprüfling 1 mit zwei Lüftern zur Ermittlung der Steilheit der Kennlinie versehen sein.

Schließlich können auch bei der gesamten Meßüberwachung Dehnungsmeßstreifen zur Messung und laufenden Überwachung des Drehmomentes vorgesehen sein.

Claims

1. Verfahren zur serienmäßigen Leistungsprüfung von Gleichstrom-Kleinmotoren mit Permanentmagneten, bei welchen der Motor nach dem Aufschalten der Prüfspannung auf ein vorgeschriebenes Belastungsdrehmoment abgebremst und dabei die Einhaltung der Soll-Werte überprüft wird, wobei die gemessenen Werte durch Mikroprozessorunterstützung zur Grundlage der Berechnung gemacht werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor zur Belastung mit einem Lüfter mit bekanntem Belastungsdrehmoment M₃ = c₃ · n₃² gekoppelt wird und bei vorgegebener Prüfspannung (U _p) und vorgegebenem Belastungsdrehmoment (M₁) für den Motor die maximale Stromaufnahme (I _max), die minimale Drehzahl (n₁) und die maximale Drehzahl (n₂) als Sollwert vorgegeben sind, und daß mit Hilfe der Strom-Drehmoment-Charakteristik I₂ = I₀ + c₁M₂das Drehmoment des Motors bei Lüfterbelastung aus der Ist-Drehzahl (n₄) und der Belastungscharakteristik (c₃) des Lüfters nach Abschluß des Hochlaufvorganges des Motors, wo M₃ = M₂ (M₂ = Drehmoment des Motors), mit dem vorgegebenen Steigungsverlauf der I-M-Kennlinie des Motors der Strom (I₁) berechnet wird, der sich bei vorgegebenem Belastungsdrehmoment einstellt, wobeiI₁ = I₂ + c₁(M₁-M₂) bzw. I₁ = I₂ + c₁(M₁-c₃n₄²)ist und der so errechnete Strom mit dem Strom (I _max) verglichen wird, und daß parallel dazu, ausgehend von der n-M-Charakteristik des Motorsn₄ = n₀ - c₂M₂,ausgehend vom Belastungsdrehmoment des LüftersM₃ = c₃n₃²,die Drehzahl (n₅) des Motors derart berechnet wird, daß mittels der als linearer Drehzahlabfall aus der n-M-Kennlinie vorgegebenen Konstanten (c₂) nach Ablauf des Hochlaufvorganges des Motors bei M₃ = M₂ über die als Meßwert zu erfassende Ist-Drehzahl des Motors unter Berücksichtigung des Steigungsverlaufs der n-M-Kennlinie des Motors die Drehzahln₅ = n₄ - (M₁ - M₂)c₂ bzw. n₅ = n₄ - (M₁ - c₃n₄²)c₂errechnet wird, die sich beim vorgegebenen Belastungsdrehmoment einstellen würde, und anschließend eine Auswertung durch Vergleich mit den Drehzahlen (n₁) und (n₂) erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Berechnung der Stromaufnahme (I₁) mit Hilfe der I-M-Kennlinie des Motors die Steigung der I-M-Kennlinie durch eine Spannungsabsenkung bestimmt wird, welche kurzzeitig während des Hochlaufs des Motors auf ca. 0,95 U _p eingestellt wird, wobei dann die Drehzahl (n₆) gemessen und das Drehmoment M₆ = c₃n₆² errechnet wird, woraus zur Berechnung des Stromes (I₁) ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung der Drehzahl (n₅) aus der Steigung der n-M-Kennlinie durch kurzzeitige Spannungsabsenkung während des Hochlaufs des Motors auf 0,95 U _p ermittelt wird, wobei die Drehzahl (n₆) und das Drehmoment M₆ = c₃n₆² errechnet werden und wobei die Drehzahländerung m ermittelt wird und schließlich die Konstante zur Ermittlung der Drehzahl (n₅) berechnet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bremslüfter durch eine Kupplung, z. B. eine Magnetkupplung, zu- oder abschaltbar auf der Motorwelle gelagert ist, wobei die Leistung des Lüfters nach einem vorgegebenen ersten Lastpunkt ausgelegt wird und während des Prüfablaufs nacheinander im ersten Lastpunkt (I _L) und (n _L) und nach Abkuppeln des Lüfters im Leerlauf (I₀) und (n₀) gemessen wird, wobei die Steigung der n-M-Kennlinie (c₂) und der n-M-Kennlinie aus den Beziehungen ermittelt wird und die Hochrechnung auf die Ist-Werte, die sich bei den vorgegebenen Nenndrehmomenten einstellen, entsprechend durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Bremslüfter an der Motorwelle gelagert werden und ein Bremslüfter durch eine Kupplung zu- und abschaltbar ist, wobei die Leistung der Lüfter entsprechend den vorgegebenen Lastpunkten ausgelegt wird, wobei die Steigung der M-n-Kennlinien und der I-M-Kennlinien wie folgt ermittelt wird: und

6. Prüfstand zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zu prüfende Motor (1) mit einer mechanischen Kupplung (2) einer mechanischen Motorbremsmaschine in Verbindung steht, die mit einer Elektromagnetkupplung (3) verbunden ist, an welcher sich ein Bremslüfter (4) befindet, wobei der Motor über einen Shunt betrieben wird, der über einen Analogdigitalwandler zur Ermittlung und Berechnung der Werte mit dem Rechner in Verbindung steht.