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数据采集系统助力通用原子公司进行航空航天领域电机的开发

General Atomics,美国

导言

通用原子电磁系统（GA-EMS）集团是全球首创型电磁及发电系统研发、设计和制造领域的领导者。GA-EMS的研究、开发和技术创新的历史领导了了不断扩大的专业产品和集成系统解决方案组合，支持航空、空间系统和卫星、导弹防御、电力和能源，以及为全球重要的国防、工业和商业客户提供处理和监测应用。

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通用原子公司的工程团队需要一种可靠和准确的方式来采集一个新的航空发动机的电气和机械信号数据。因为在测试期间需要采集大量的数据，他们需要一个能够采集并存储大量原始数据的系统来进行分析。另外，他们希望找到一个几乎不需要内部开发，而是能够开箱即用的系统来实现项目的迅速启动和运行。

GA-EMS团队采用了一系列HBK产品，包括基于Genesis GEN4tB高速数据采集系统主机和扭矩传感器的eDrive系统。这种产品的组合使用户能够快速准确地测量电机和变频器的效率，并帮助他们了解如何改进设计。他们还使用了HBK的Perception软件，支持GEN4tB可靠存储和实时显示。

使用eDrive，GA-EMS已经能够简化数据采集策略。而且，可轻松实现的后处理功能保证了后期的数据细化完善，准确获取工程师所需要的信息，能够专注于原型和细化数据，这使他们能够在测试阶段有效地集中精力。

通用原子公司

通用原子公司是一家国防与多元化技术企业，成立于1955年，最初是通用动力公司旗下的一家子公司，1986年被 Blue 家族收购。GA及其关联公司业务遍及五大洲，其中包括GA航空系统公司。(GA-ASI)。

GA-ASI 生产一系列无人机，并提供电光、雷达、信号情报及自动机载监视系统。通用电气（GE）的电磁系统事业部为美国海军生产电磁飞机弹射与回收系统，并从事卫星监视、电磁轨道炮、高功率激光、超高速弹丸以及电力转换系统等领域的研发与制造。

GA是热核聚变研究领域的主要私营参与者，通过其为美国能源部开展的、国际公认的DIII-D项目和惯性约束聚变项目，在该领域发挥着重要作用。GA公司建立了加州大学圣地亚哥分校超级计算机中心，并在24个国家建造了60多座TRIGA核研究反应堆。GA是新一代核裂变及高温材料技术研发领域的领军企业。

GA的其他子公司包括：主要设施位于德国萨克森州和勃兰登堡州的General Atomics Europe GmbH、Heathgate Resources Pty Ltd（南澳大利亚州）、GA铀资源集团，以及GA-霍尼韦尔铀转化合资企业。

该公司拥有830万平方英尺的工程、实验室和制造设施，员工总数超过12,500人。

关于通用原子能公司

更多信息

通用原子公司的工程团队在设计和评估一个原型时遵循一个结构化的过程例如，，某项目是一个用于航空航天应用的额定功率为数百千瓦的三相无刷交流电机的电机开发项目。就其额定功率而言，该电机非常轻，并在非常高的变频器开关频率下运行。GA-EMS团队是多学科的团队，包括机械和电气工程师，以及制造工程师。该团队与外部供应商合作，以获得他们在诸如电磁线和轴承等细节领域的专业知识。

GA-EMS首席电气工程师Matthew Zolot大致描述了该公司如何处理此类项目。“我们遵循研发进程，开发出没有错误的原型电机。我们从规格和要求开始，然后进行分析性概念验证，”他说。“设计经过反复迭代，直到我们最终确定最佳方案。”“在这一点上，在进入原型生产之前，我们要进行内部设计审查，然后进行实验性概念验证。”关键验证参数分为三大类：热系统、电磁系统和结构或转子动力系统

根据GA-EMS的说法，对一个新的航空电机的测量会带来巨大的挑战。在这些功率、电压和电流水平下，最大的挑战之一是电机运行时的干扰。Zolot说：“我们的目标是尽量减少耦合到测量信号中的干扰，否则我们将不得不在获取信号时或事后对其进行处理。

该团队在测试过程中收集了大量数据。在第一个原型机运行期间，重点是测试振动（加速度计）数据，以监测原型机在初始测试期间的构建完整性。同时，GA-EMS收集的数据将给电磁系统是否按预期运行提供依据，如反电动势和相电流。这些早期的机械和电磁测试的持续时间很短。

随着GA-EMS团队对原型的建立和系统的运行的不断精进，测试工作步入了更长的运行时间测试计划将重点转移到评估热力能力上。在有代表性的情况下满足热能目标包括关键的性能指标。这一阶段的验证允许对整体效率和冷却系统的性能进行鉴定。

航空航天应用会带来与热性能有关的独特挑战。Zolot说：“在这种类型的电机上，我们同时使用液冷和空冷，这在其他非航空领域并不常见。”“在这方面，它与陆地上的应用不同。”

GA-EMS电驱动团队在新型航空航天电机的工作中使用了 HBK（Hottinger Brüel & Kjær）的几种产品，包括基于Genesis GEN4tB高速数据采集主机的eDrive系统，该系统可以使用10Gbit以太网以400MB/s的速率向外部PC传输数据。eDrive系统可以采集和存储多达51个功率通道和多达6个扭矩通道，以及温度和振动信号以及CAN信息由于该系统可以记录所有的原始数据，它使用户能够重复进行虚拟测试。

eDrive可以显示数据（相当于示波器），并长时间实时存储大量的原始数据（相当于数据采集系统）。
eDrive不仅可以让用户快速测量效率和生成效率图，而且还可以帮助用户了解如何提高效率。eDrive还允许不同的输入通道之间的关联，帮助用户识别问题，例如，识别具体哪些电压或电流异常与过度振动有关。

HBK eDrive - Gen4tB主机，装有用于分析的Perception软件

GEN4tB包括四个数据采集卡的插槽，允许客户从HBK的功率分析卡、通用DAQ卡、高速DAQ卡、高压DAQ卡和压电（IEPE）输入卡中选择GA-EMS团队采用了两块电源卡和一块通用卡进行温度和振动测量，以及一个HBK扭矩传感器，该传感器具有行业领先的精度和带宽。该扭矩传感器标称测量范围为 100 Nm 至 10 kNm，支持最高 22,000 rpm 的转速。它还具有极小的线性偏差，包括0.007%的滞后，以及卓越的温度稳定性，偏移温度系数（TCO）为0.005%/10K。

GA-EMS团队还使用了HBK的Perception软件，该软件专为快速、可靠地处理海量数据而设计，非常适合高速数据采集。得益于HBK的StatStream专利技术，Perception可以在10秒内将10GB的数据在PC上进行可视化处理。该软件支持可靠的存储和灵活的实时显示。而且它可以进行实时或后处理的计算和分析。用户甚至可以在测量过程中访问和放大保存的数据，在后台继续记录。Perception提供包括从统计到FFT超过150种分析功能。

GA-EMS的航空电机测试分三个阶段进行：首先是内部测试，然后是在一个外部测试机构进行测试。最后，在客户现场测试。“我们用我们的内部系统和测功机做了一些降低风险的测试，然后我们去了一个外部测试机构进行额外的操作特性分析“Zolot说因为测试所使用的是不同的数据采集系统，所以重要的是HBK系统能够与测试机构系统兼容的相同传感器一起工作。由于eDrive系统与各种传感器兼容，它更容易在公司内部或各种外部测试伙伴之间使用各种不同的数据采集平台的环境中使用。

HBK的产品能够引起用户的兴趣，原因有二首先，其主机通过提供各种选配支持不同的功能，使其能够适应当前和未来的项目需求。第二，eDrive系统是一个用于电机驱动测试和标定的直接解决方案。为了最大限度地减少启动、运行和测量中产生的不必要的工作量，GA-EMS此前一直在寻找一个无需过多内部开发的即可以达到测试需求的解决方案。HBK的eDrive系统开箱即用，具备这些功能。

培训对于启动和运行也很重要。HBK 的现场培训涉及硬件、其设置和软件。“这是我们团队部署的首套HBK系统，因此我们需要一些入门培训才能上手，正因如此，我们较早便请来了培训师，”佐洛特说道。

Zolot 说：“这是我们团队使用的第一个HBK系统，所以我们需要一些初步的培训来开展工作，因此我们很早就请来了培训讲师“事情进展得很顺利，因为我们早已建立了联系和关系，所以每当有事情发生时，我们只需联系HBK并进行沟通即可。”他说，他的团队一直得到持续的支持。

HBK的能力使GA-EMS简化了团队的数据收集策略。传统的方法是在前期花时间确定到底需要什么数据，并只采集这些数据，但HBK系统帮助GA-EMS团队能够采取另一种方法。在有时间限制的前提下，GA-EMS将HBK系统设置为在测试时获取大量的高带宽数据。

“eDrive系统在这方面相当出色，它能够超额取样并记录比我们需要的更多的数据。“Genesis硬件和Perception套件的灵活性使我们能够进行后期分析和后期处理，以完善我们收集的所有数据，从而准确地获得我们需要的数据”Zolot说道。

GA-EMS团队强调了能够采集比团队所需更多的数据的重要性，尽管这种方法会产生大量的数据集。Perception强大的后处理能力有助于细分工作。这些能力使GA-EMS在测试期间可以专注于原型机，然后在后期通过应用不同的算法和对数据进行删减来完善所收集的数据，使其更易于使用。这有助于GA-EMS在测试时有效地专注于原型机，然后在以后有更多时间专注于深入分析时再回来进行数据分析工作。

使用的技术

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