CC BY
22
УДК 621.313
В.Д. Лущик, А.Ю. Варванський
ДВИГУН СТАРТЕРА ВАНТАЖНОГО АВТОМОБІЛЯ З НЕЯВНОПОЛЮСНИМ СТАТОРОМ
Приведений порівняльний аналіз двох типів магнітопроводів двигунів стартерів вантажних автомобілів: магнітопро-водів з явно вираженими полюсами серійного виробництва та магнітопроводів з неявнополюсним статором і несиметричною компенсаційною обмоткою. Показано, що двигуни стартерів з новою системою електромагнітного збудження мають набагато кращі показники по всім параметрам.
Приведен сравнительный анализ двух типов магнитопроводов двигателей стартеров грузовых автомобилей: магни-топроводов с явновыраженными полюсами серийного производства и магнитопроводов с неявнополюсным статором и несимметричной компенсационной обмоткой. Показано, что двигатели стартеров с новой системой электромагнитного возбуждения имеют намного лучше показатели по всем параметрам.
Вступ. На теперішній час виготовлено і досліджено декілька двигунів постійного струму, у яких статор не-явнополюсний з несиметрично розміщеною на половинах полюсних поділів між поздовжньою і поперечною віссю обмоткою послідовного збудження, яка вмикається так, щоб статорна обмотка разом із якірною обмоткою створювали основний магнітний потік. В таких двигунах в статорі зменшується до 50% мідного проводу, зростає на 1-3% ККД [1, 2]. Особливо ефективна така система електромагнітного збудження для нереверсив-них двигунів послідовного збудження, як от для двигунів тролейбусів, електромобілів, стартерів для легкових і вантажних автомобілів, для мотор-коліс самоскидів і великовантажних автомобілів.
Аналіз попередніх досліджень і публікацій. Спільно з заводом "Електромаш", м. Херсон, був виготовлений і досліджений експериментальний двигун стартера з неявнополюсним статором, аналогом якого є статор на постійних магнітах для запуску двигунів автомобілів сімейства ВАЗ, Таврія [3, 4]. Двигун з постійними магнітами - це двигун з незалежним нерегу-льованим збудженням. Під час пуску створюється величезна MPC реакції якоря, яка діє розмагнічуючим способом на основний магнітний потік, створений магнітами. Основний потік зменшується майже в 2 рази, що негативно проявляється на пусковому моменті.
Експериментальний двигун з неявнополюсним статором при практично однаковій витраті мідного проводу розвиває на 23,5% більший пусковий момент, має більшу потужність на 4,5%, більший ККД на 4,6%. Собівартість двигуна зменшується, тому що не потрібні магніти.
Мета роботи - дослідити ефективність нового способу електромагнітного збудження в двигунах стартерів вантажних автомобілів.
Матеріали і результати досліджень. Для розуміння відмінностей експериментального двигуна стартера від серійного, а також для здійснення порівняльного аналізу наведемо конструктивні та електромагнітні параметри двигуна серійного стартера для запуску дизельних двигунів малої та середньої потужності СТ 370.000 (Україна), а також використаємо експериментально одержані технічні характеристики цього двигуна.
На рис. 1 зображено поперечний переріз магні-топроводу двигуна стартера СТ 370.000 і магнітне поле, яке утворюється в магнітопроводі при номіна-льному навантаженні.
Рис. 1. Поперечний переріз магнітопроводу двигуна стартера СТ 370 і магнітне поле при навантаженні
Зовнішній діаметр корпусу О = 131 мм, товщина стінки корпусу - = 8 мм. До внутрішньої поверхні
корпусу прикріплені чотири полюси, 2^=4, з котушками послідовного збудження, які ввімкнені послідовно з обмоткою якоря в дві паралельні гілки, 2а3^ = 2, число витків котушки Wk = 8 проводом 2,12^9 мм.
Якір має зовнішній діаметр Ва = 83 мм, повітряний зазор 8 = 0,3 мм, довжина пакета /5 = 65 мм, число пазів якоря іа = 25. Число колекторних пластин к = 25, обмотка хвильова одновиткова, wc = 1, число активних провідників якоря N = к-и„ = 25-2 = 50, провід 2,65^5,6 мм, число паралельних віток якоря 2а = 2. Опір обмотки збудження:
^ _ /ь ■ wк 2р _ 0,272 • 8 • 4 _
’6'75' “ 47-(2а16У ■ “ 47• 22 • 2,12• 9 “
= 0,2425 • 10“2 Ом.
Вага міді обмотки збудження: тзб = 0,89 • іь ■ wк •2Р • 8мзб. •10“2 =
= 0,89 • 0,272 • 8 • 4 • 2,12 • 9 -10“2 = 1,478 кг.
Опір обмотки якоря:
^ _ іь ■ wc ■ к _ 0,265 -1 • 25 _
а75° 47 -(2а)2 • Бмл_ 47 • 22 • 2,65 • 5,6
= 0,2375 -10“ 2 Ом.
Вага міді обмотки якоря: та = 0,89 • Іь ■ wc ■ к ■ SMj
•10“2 =
= 0,89 • 0,265 • 25 • 2,65 • 5,6 • 10“2 = 0,875 кг.
Загальна вага мідного проводу: тз6, + та = 2,353 кг.
Із технічних характеристик двигуна стартера (рис. 2), вважаючи, що в мить пуску обмотки нагріваються до 75°, знаходимо опір щіток та щіткового контакту:
R„, = -
U
пуск
I
-36.75° + Ra75°
135 -- 0,4S -10“2 =
пуск 2,
= 0,31 -і0“х Ом.
M0 = 9555
рмех. Рі
n
0 22
^ = 9555^- = 1,7 Нм.
1250
Електромагнітний момент:
М = М2 + М0 = 64,36 Нм.. Магнітний потік при номінальній потужності:
Ф =
M■2п-a
64,36 • 2л'і = 0,449-10-2 Вб.
р ■ Na ■Ia 2•50•900
Індукція в повітряному зазорі при номінальній потужності:
Вя =
рф 2 • 0,449 • 10"
Dah
0,0S3 • 0,065
= 1,6645 Тл.
Коефіцієнт kц, який враховує магнітний опір ма-
гнітопроводу, сягає при такій індукції надзвичайно великого значення:
F
3600
kn =-
0,SB5k5-5-103 0,S• 1,6645-1,25 • 0,3 • 103
де Fno„, - MPC полюса:
Iп
■ = 7,21,
F =
1 ПОЛ.
2а
зб.
В;
При пуску кц ще більше, кц = 11,72. Індукція Bs при пуску:
Mпуск • 2na 133 . 2л-1
Ъпуск
NаОаІ§ ■ Iпуск 50 • 0,083 • 0,065 • 1650
= 1,87657 Тл.
Швидкість обертання якоря при номінальній потужності:
и ~ Іа {Кзб. + Кд + Кщ ) _
n = -
PNa
----a ■ ф
60a
17,S - 900 • 0,93S -10
4-2
- 2
-• 60 -1 = 1250,5 об/хв.
Рис. 2. Технічні характеристики двигуна стартера СТ 370
Максимальна корисна потужності Р2 = 8,2 кВт, яка називається номінальною, виникає при струмі 1а = 900 А. Напруга при цьому струмі U = 17,8 В (рис. 2).
Споживана потужність:
Pi = UIa = 17,8-900=16020 Вт.
Корисна потужність:
P2 _ P1 _ {Рм.зб. + Рм.а + Рщ )_ (Рмх Рст.а ) _
= 16020 - 9002 • 0,938 • 10“2 - 220 = 8200 Вт.
Втрати механічні і в сталі якоря, за приблизними розрахунками, приймаємо рівними 220 Вт. Як бачимо, сумарний опір міді і щіток збільшився. Якщо прийняти Ящ = const, температура обмоток, яка одержується із опору обмоток, в процесі розгону зростає до t = 152,5 °С.
Корисний момент на валу:
M2 = 9555 Р2^КВТ\ = 955^-8^ = 62,681 Нм. w[o6./xb.] 1250
Момент холостого ходу:
2 • 50 • 0,449 • 10"
Ця цифра, 1250 об/хв., узгоджується з даними технічних характеристик, що свідчить про належну достовірність проведених розрахунків.
Поперечний розріз магнітопроводу неявнополюсного двигуна приведений на рис. 3.
Зовнішній діаметр корпусу такий же - Dk = 131 мм, товщина стінки корпусу bk менша, bk = 6 мм, оскільки частина магнітного потоку замикається по спинці статора. Довжина пакета статора 4 = 65 мм, внутрішній діаметр Dcm. = 89 мм, зовнішній - D = 119 мм. Статор чотириполюсний, 2р = 4, на половині кожного полюсного ділення виготовлено 6 пазів, всього пазів zi = 6-2p = 6-4 = 24.
Рис. 3. Поперечний розріз магнітопроводу неявнополюсного двигуна
На рис. 4 показана чотириполюсна компенсаційна обмотка, яка послідовно з’єднана з обмоткою якоря. Паралельні вітки відсутні, 2а = 1.
Обмотка має чотири котушки, по три одновитко-
w
2
ві секції в котушці, виконані проводом 3^9 мм. Число витків обмотки wк = 2р-пк = 4-3 = 12, число активних провідників N = 2■wк = 24.
Рис. 4. Компенсаційна обмотка статора
Опір компенсаційної обмотки: 0,28 -12
Я
к75°
ІЬ • ™к 47 • 5
47 • 3•9
= 0,2648 -10“2 Ом.
Вага міді компенсаційної обмотки:
тк = 0,89 • іь ■ wк ■ Бжк_ = 0,89 • 0,28-12 • 3 • 9-10“2 =
= 0,807 кг.
Якір подібний до якоря явнополюсної машини, тільки відрізняється більшим діаметром, Ба = 88,4 мм, розмірами паза, який показаний на рис. 5, та мідним проводом, провід 2,24^5,6 мм.
а б
Рис. 5. Паз статора і паз якоря неявнополюсного двигуна
Опір обмотки якоря: _ ІЬ ■ ■ к
Я
0,281- 25
а75
47 • 22 • 2,24 • 5,6
= 0,298 -10“2 Ом.
Вага міді обмотки якоря:
та = 0,89 • ІЬ ■ ™с ■ к ■ 5м.а
•10“2 =
= 0,89 • 0,281 • 25 • 2,24 • 5,6 • 10“2 = 0,784 кг. Загальна вага мідного проводу: тк + та = 1,591 кг.
Сумарний опір обмоток і щіток та щіточного контакту при пуску
Я
к75
+ Яа75„ + Ящ =(0,2648 + 0,298 + 0,31)-10“2 =
= 0,8728 -10“2 Ом. Струм при пуску:
и „
1 пуск
13,565
= 1554 А.
го потоку при пуску в 1,3 рази. Електромагнітний момент пропорційний потоку і струму якоря, тому пусковий момент неявнополюсного двигуна:
1 п иоааи
1,3 •
1554
= 133 -1,3------= 162,8 Нм.
1650
Магнітний потік Ф в номінальному режимі в неявнополюсному двигуні збільшується порівняно з явнополюсним в 1,2857 рази з огляду на деяке зменшення збудження. Для створення такого ж по величині електромагнітного моменту, як і в явнополюсному двигуні, неявнополюсний двигун буде споживати струм 1а = 700 А. При цьому споживана потужність:
Рі = иіа = 19,28-700 = 13496 Вт.
Корисна потужність:
Р2 ~ Р1 _ (Рм.к. ^ Рм.а Рщ )_ (Рмх Рст.) _
= 13496 - 7002 • 1,036 • 10“2 - 220 = 8200 Вт.
Температура обмоток статора і якоря зростає до ґ = 147,5 °С. Щільність струму в компенсаційній обмотці у* = 25,93 А/мм2, в обмотці якоря - ]а = 27,9 А/мм2. За рахунок менших втрат в міді обмоток нагрівання обмоток в неявнополюсному двигуні зменшується.
Швидкість обертання якоря при номінальній потужності:
и - Іа Я
+ Яп + Я,
■Щ )
Р^а
60а
• Ф
19,28 - 700 -1,036 -10
- 2
2
• 60 -1 = 1250 об/хв.
2 • 50 • 0,449 -1,2857 -10'
На рис. 6 показаний магнітопровід статора і якоря зі струмами в пазах, а на рис. 7 - магнітне поле, створюване струмами статора і якоря в магнітопроводі.
X К 0,8728 -10“ 2 Ом
Оскільки в неявнополюсному двигуні мінімальна ширина зубців збільшена в 1,36 рази, приблизно у стільки ж збільшується і магнітний потік при максимальних збудженнях, які мають місце при пуску і при номінальній потужності. З огляду на можливі неточності в розрахунках приймаємо збільшення магнітно-
Рис. 6. Магнітопровід статора і якоря зі струмами в пазах
Як можна бачити із порівняння рис. 1 і 7, магнітне поле, створюване при навантаженні в магнітопроводі з неявнополюсним статором - рівномірне, на відміну від магнітопроводу з явновираженими полюсами.
п =
Рис. 7. Магнітне поле, створюване струмами статора і якоря в магнітопроводі
Таблиця 1
Порівняльні технічні дані двох різнотипних двигунів стартера, корисна потужність обох двигунів Р2 = 8,2 кВт, п = 1250 об/хв., и = 24 В.
Для практичної реалізації неявнополюсного двигуна статора компенсаційну обмотку потрібно вико -нувати із чотирьох паралельно ввімкнених котушок. Виконання паралельних пазів для котушок, які полегшують технологію виготовлення статорної обмотки, в чотириполюсному варіанті надзвичайно затруднене через великий скос пазів відносно радіальних ліній.
Більш раціонально неявнополюсний двигун стартера виконувати шестиполюсним із паралельно ввімкнених трьох або навіть шести котушок.
Висновки. Як видно із таблиці, де приведені порівняльні технічні дані двох різнотипних чотириполюсних двигунів стартера, неявнополюсний двигун переважає явнополюсний по всім параметрам: ККД більший на 18,7%, пусковий момент більший на 22% при меншому на 6% пусковому струмі, вага мідного проводу менша на 32%.
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. Лущик В.Д. Електричні машини постійного струму з новою системою електромагнітного збудження // Електротехніка і електромеханіка. - 2008. - № 2. - С. 39-41.
2. Лущик В.Д., Варванський А.Ю. Стартер-генератор постійного струму з неявнополюсним статором для тепловозів // Електротехніка і електромеханіка. - 2009. - № 6. - С. 21-24.
3. Лущик В.Д. Електричний двигун стартера з електромагнітним збудженням. Патент України № 89824. Опубл. 10.03.2010. Бюл. № 5.
4. Лущик В.Д. Електричний двигун постійного струму з неявнополюсним статором для стартерів легкових автомобілів // Материальї международной научио-технической конференции - Севастополь: СевНТУ, 2010. - С. 22-25.
Bibliography (transliterated): 1. Luschik V.D. Elektrichni mashini postijnogo strumu z novoyu sistemoyu elektromagnitnogo zbudzhennya // Elektrotehnika і elektromehanika. - 2008. - № 2. - S. 39-41. 2. Luschik V.D., Varvanskij A.Yu. Starter-generator postijnogo strumu z neyavnopolyusnim statorom dlya teplovoziv // Elektrotehnika і elektromehanika. - 2009. - № 6. - S. 21-24. 3. Luschik V.D. Elektrichnij dvigun startera z elektromagnitnim zbudzhennyam. Patent Ukraïni № 89824. Opubl. 10.03.2010. Byul. № 5. 4. Luschik V.D. Elektrichnij dvigun postijnogo strumu z neyavnopolyusnim statorom dlya starter iv legkovih avtomobiliv // Materialy mezhdunarodnoj nauchno-tehnicheskoj konferencii - Sevastopol': SevNTU, 2010. - S. 22-25.
Надійшла 29.02.2012
ЛущикВ’ячеславДанилович, д.т.н., проф.
Донбаський державний технічний університет кафедра електричних машин та апаратів,
94204, Алчевськ, пр. Ленина, 16
тел.: (06442) 23123, e-mail: info@dgmi.edu.ua
Варванський АртемЮрійович, пров. інженер ПАТ "Електромашина"
61016, Харків, вул. Муранова, 106
тел. (050) 2303649, e-mail: Art_v_u@rambler.ru
Lushchyk V.D., VarvanskyA.Yu.
A truck’s starter motor with a nonsalient-pole stator.
A comparative analysis of two types of trucks’ starter motor magnetic circuits, series-produced salient-pole magnetic circuits and nonsalient-pole stator magnetic circuits with an asymmetrical compensation winding, is presented. It is shown that starter motors with the new electromagnetic excitation system have much better figures over all parameters.
Key words - starter motor magnetic circuits, nonsalient-pole stator, asymmetrical compensation winding, comparative
analysis.
Тип двигуна стартера Л UnycK. ^пуск -^^пуск Вага міді
GM.CT GM.a
% в А Вт кг кг кг
Явиопол. 51,2 13 1650 133 1,5 0,87 2,37
Неявнопол. 60,8 13,6 1554 162,8 0,8 0,79 1,59
