HBK助力通用原子公司開發航空航天領域電機
通用原子能電磁系統（GA-EMS）集團是研究、設計和制造電磁和發電系統的優質企業。GA-EMS的研究、開發和技術創新的歷史領導了不斷擴大的專業產品和集成系統解決方案組合，支持航空、空間系統和衛星、導彈防御、電力和能源，以及為全球重要的國防、工業和商業客戶提供處理和監測應用。
面臨的挑戰
通用原子公司的工程團隊需要一種可靠和準確的方式來采集一個新的航空發動機的電氣和機械信號數據。因為在測試期間需要采集大量的數據，他們需要一個能夠采集并存儲大量原始數據的系統來進行分析。另外，他們希望找到一個幾乎不需要內部開發，而是能夠開箱即用的系統來實現項目的迅速啟動和運行。
解決方案
GA-EMS團隊采用了一系列HBK產品，包括基于Genesis GEN4tB高速數據采集系統主機和扭矩傳感器的eDrive系統。這種產品的組合使用戶能夠快速準確地測量電機和變頻器的效率，并幫助他們了解如何改進設計。他們還使用了HBK的Perception軟件，支持GEN4tB可靠存儲和實時顯示。
結果
使用eDrive，GA-EMS已經能夠簡化數據采集策略。而且，可輕松實現的后處理功能保證了后期的數據細化完善，準確獲取工程師所需要的信息，能夠專注于原型和細化數據，這使他們能夠在測試階段有效地集中精力。
航天電機實例
通用原子公司的工程團隊在設計和評估一個原型時遵循一個結構化的過程。舉個例子，某項目是一個用于航空航天應用的額定功率為數百千瓦的三相無刷交流電機的電機開發項目。就其額定功率而言，該電機非常輕，并在非常高的變頻器開關頻率下運行。GA-EMS團隊是多學科的團隊，包括機械和電氣工程師，以及制造工程師。該團隊與外部供應商合作，以獲得他們在諸如電磁線和軸承等細節領域的專業知識。
GA-EMS首席電氣工程師Matthew Zolot大致描述了該公司如何處理此類項目。他說：“我們遵循研發進程，開發出沒有錯誤的原型電機。我們從規格和要求開始，然后進行分析性概念驗證。設計是反復進行的，直到我們達成了一個優質的概念解決方案。在這一點上，在進入原型生產之前，我們要進行內部設計審查，然后進行實驗性概念驗證。關鍵驗證參數分為三大類：熱系統、電磁系統和結構或轉子動力系統。”
根據GA-EMS的說法，對一個新的航空電機的測量會帶來巨大的挑戰。在這些功率、電壓和電流水平下，挑戰之一是電機運行時的干擾。Zolot說：“我們的目標是盡量減少耦合到測量信號中的干擾，否則我們將不得不在獲取信號時或事后對其進行處理。”
用eDrive采集的電動、扭矩、功率、熱能和加速的高采樣率數據，并在軟件中顯示
該團隊在測試期間收集了相當多的數據。在第一個原型機運行期間，重點是測試振動（加速度計）數據，以監測原型機在初始測試期間的構建完整性。同時，GA-EMS收集的數據將給電磁系統是否按預期運行提供依據，如反電動勢和相電流。這些早期的機械和電磁測試的持續時間很短。
隨著GA-EMS團隊對原型的建立和系統的運行的不斷精進，測試工作步入了更長的運行時間。測試計劃將重點轉移到評估熱力能力上。在有代表性的情況下滿足熱能目標包括關鍵的性能指標。這一階段的驗證允許對整體效率和冷卻系統的性能進行鑒定。
航空航天應用會帶來與熱性能有關的獨特挑戰。Zolot說：“在這種類型的電機上，我們同時使用液冷和空冷，這在其他非航空領域并不常見。在這方面，它與陸地上的應用不同。”
獲取和分析數據
GA-EMS電驅動團隊在新型航空航天電機的工作中使用了HBK（Hottinger Brüel & Kj?r）的幾種產品，包括基于Genesis GEN4tB高速數據采集主機的eDrive系統，該系統可以使用10Gbit以太網以400MB/s的速率向外部PC傳輸數據。eDrive系統可以采集和存儲多達51個功率通道和多達6個扭矩通道，以及溫度和振動信號以及CAN信息。由于該系統可以記錄所有的原始數據，它使用戶能夠重復進行虛擬測試。
eDrive可以顯示數據（相當于示波器），并長時間實時存儲大量的原始數據（相當于數據采集系統）。eDrive不僅可以讓用戶快速測量效率和生成效率圖，而且還可以幫助用戶了解如何提高效率。eDrive還允許不同的輸入通道之間的關聯，幫助用戶識別問題，例如，識別具體哪些電壓或電流異常與過度振動有關。
HBK eDrive - Gen4tB主機，裝有用于分析的Perception軟件
GEN4tB包括四個數據采集卡的插槽，允許客戶從HBK的功率分析卡、通用DAQ卡、高速DAQ卡、高壓DAQ卡和壓電（IEPE）輸入卡中選擇。GA-EMS團隊采用了兩塊電源卡和一塊通用卡進行溫度和振動測量，以及一個HBK扭矩傳感器，該傳感器具有卓越的精度和帶寬。扭矩傳感器提供100Nm到10kNm的標稱測量范圍，并支持高達22,000轉/分的旋轉速度。它還具有最小的線性偏差，包括0.007%的滯后，以及卓越的溫度穩定性，偏移溫度系數（TCO）為0.005%/10K。
GA-EMS團隊還使用了HBK的Perception軟件，該軟件為快速可靠地處理大量數據而設計，是高速數據采集的理想選擇。得益于HBK的StatStream專利技術，Perception可以在10秒內將10GB的數據在PC上進行可視化處理。該軟件支持可靠的存儲和靈活的實時顯示。而且它可以進行實時或后處理的計算和分析。用戶甚至可以在測量過程中訪問和放大保存的數據，在后臺繼續記錄。Perception提供包括從統計到FFT超過150種分析功能。
測試過程
GA-EMS的航空電機測試分三個階段進行：首先是內部測試，然后是在一個外部測試機構進行測試。最后，在客戶現場測試。“我們用我們的內部系統和測功機做了一些降低風險的測試，然后我們去了一個外部測試機構進行額外的操作特性分析”Zolot說。因為測試所使用的是不同的數據采集系統，所以重要的是HBK系統能夠與測試機構系統兼容的相同傳感器一起工作。由于eDrive系統與各種傳感器兼容，它更容易在公司內部或各種外部測試伙伴之間使用各種不同的數據采集平臺的環境中使用。
HBK的產品能夠引起用戶的興趣，原因有二。首先，其主機通過提供各種選配支持不同的功能，使其能夠適應當前和未來的項目需求。第二，eDrive系統是一個用于電機驅動測試和標定的直接解決方案。為了更大限度地減少啟動、運行和測量中產生的不必要的工作量，GA-EMS此前一直在尋找一個無需過多內部開發的即可以達到測試需求的解決方案。
培訓和支持
培訓對于啟動和運行也很重要。HBK的現場培訓涉及硬件、其設置和軟件。Zolot說："這是我們團隊使用的第一個HBK系統，所以我們需要一些初步的培訓來開展工作，因此我們很早就請來了培訓講師。"
隨著GA-EMS進一步進入設置和測試階段，新的挑戰隨之產生，團隊需要額外的支持。Zolot說："因為我們前期已經建立了聯系，溝通效果很好，所以在問題產生時我們可以隨時與HBK聯系和溝通。" 他的團隊繼續得到持續的支持。
數據采集
HBK的能力使GA-EMS簡化了團隊的數據收集策略。傳統的方法是在前期花時間確定到底需要什么數據，并只采集這些數據，但HBK系統幫助GA-EMS團隊能夠采取另一種方法。在有時間限制的前提下，GA-EMS將HBK系統設置為在測試時獲取大量的高帶寬數據。
“eDrive系統在這方面相當出色，它能夠超額取樣并記錄比我們需要的更多的數據。”Zolot說：“Genesis硬件和Perception套件的靈活性使我們能夠進行后期分析和后期處理，以完善我們收集的所有數據，從而準確地獲得我們需要的數據。”
后處理能力被證明對通用原子公司至關重要
GA-EMS團隊強調了能夠采集比團隊所需更多的數據的重要性，盡管這種方法會產生大量的數據集。Perception強大的后處理能力有助于細分工作。這些能力使GA-EMS在測試期間可以專注于原型機，然后在后期通過應用不同的算法和對數據進行刪減來完善所收集的數據，使其更易于使用。這有助于GA-EMS在測試時有效地專注于原型機，然后在以后有更多時間專注于深入分析時再回來進行數據分析工作。
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