CC BY
51
УДК 004.8+ 621.313 ББК 32.97
Ю.Б. Казаков, Гнутов С.К., Лазарев А.Г., Лазарев А.А.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПУСКОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ ЭЛЕКТРОСТАРТЕРНОЙ СИСТЕМЫ
Y.B. Kazakov, S.K. Gnutov, A.G. Lazarev, A.A. Lazarev
RESEARCH OF STARTING CHARACTERISTICS OF THE ADVANCED ELECTRIC STARTING SYSTEM
Ключевые слова: электростартер, двигатель постоянного тока,
магнитоэлектрические системы, магниты ферритовые, момент сопротивления, математическое моделирование, динамические режимы, пусковые свойства.
Keywords: electric starter, direct current motor, electromagnetic system, ceramic magnets, moment of resistance, mathematical simulation, dynamic conditions, startability.
Аннотация
В статье рассматривается возможность улучшения пусковых характеристик электростартерных систем пуска (ЭСП) при использовании стартеров с высокоэнергетическими магнитами NdFeB, у которых с понижением температуры Т магнитные свойства возрастают. Представлена математическая модель ЭСП. Приведены экспериментальные данные.
Abstract
The article deals with the possibility to improve the starting characteristics of electric starting systems (ESS) using starters with high energy magnets NdFeB, which properties are increased with decreasing temperature T. We present the mathematical model ESS and the experimental data.
Улучшение условий запуска двигателей внутреннего сгорания (ДВС) автомобилей может быть достигнуто совершенствованием электростартерных систем пуска (ЭСП), в которую входят аккумуляторная батарея, электромагнитное тяговое реле, стартер, реле блокировки, редукторы и другие элементы (рис. 1).
Двигатель
внутреннего
сгорания
Рисунок 1 - ^руктурная схема ЭCП ,3BC
ЭСП должна разогнать ДВС в динамическом режимеи вращать его в течение некоторого времени с пусковой частотой вращения, не ниже минимальной йдвс МИН>40 об/мин при разряженной до ДСР=25% аккумуляторной батарее не более чем за 2п=3 попытки пуска с интервалами между ними 1 мин, т.е. возможна работа ЭСП в повторно-кратковременном режиме. ЭСП должны иметь высокие динамические показатели- малое время разгона ДВС и большую достигаемую пусковую частоту вращения. Запуск ДВС должен обеспечиваться при температурахТ= -30^+30 0С.
В настоящее время в ЭСП в качестве стартеров применяют магнитоэлектрические двигатели постоянного тока с ферритовыми магнитами. При работе ЭСП в динамических режимах возникают взаимосвязанные переходные процессы: электромагнитные
переходные процессы в электрических и магнитных цепях, механический процесс разгона
стартером ДВС, переходной тепловой процесс нагрева элементов ЭСП. В процессе пуска изменяются ток в ЭСП и реакция якоря в стартере, возникает нестационарное электромагнитное поле, наводятся вихревые токи в массивных проводящих элементах конструкции. Все это воздействует на магнитный поток магнитов. Результирующий поток определяет электромагнитный момент и динамические показатели ЭСП. Во время нестационарного теплового процесса нагрев не должен превышать предельно допустимых температур. При снижении температуры запуск осложняется -мощность аккумуляторной батареи уменьшается, минимально требуемая пусковая частота вращения, вязкость моторного масла, момент сопротивления ДВС и время разгона возрастают, изменяются сопротивления элементов ЭСП.
Выяснена возможность улучшения пусковых характеристик ЭСП при использовании стартеров с высокоэнергетическими магнитами NdFeB, у которых с понижением температуры Т магнитные свойства возрастают. При низких температурах пуска за счет увеличенного магнитного потока будет создаваться больший электромагнитный момент, что приведет к более быстрому разгону ДВС, большей пусковой частоте вращения, т.е. улучшению динамических свойств ЭСП и гарантированному запуску ДВС.
Достижимая частота вращения якоря стартера
„ _иАБжТ_^ищ ^ Х^-ЭСПТ аТ “ , ^ 1У1ЭМ.Т , , _2 ’
кіФт
электромагнитный момент Мэм.т к21тФт,
где иАБхх т - напряжение батареи в режиме холостого хода; Аищ =2 В - падение напряжения на щетках; кі и кг - конструктивные коэффициенты стартера; ХКэспт - суммарное активное сопротивление цепи ЭСП; Фт - результирующий магнитный поток в стартере; I -ток ЭСП.
Очевидно, что если с понижением Т возрастает ФТ, то при значительных МЭМ.Т в режиме пуска при низких Т, пТ может стать больше, чем в случае Фт^(Т), т.е будут обеспечены условия для более гарантированного запуска ДВС. МЭМТ возрастает пропорционально Фт, что приведет к более быстрому разгону ДВС - к улучшению динамических свойств ЭСП.
При пуске I в ЭСП резко нарастает, достигает максимума, затем снижается до установившегося значения апериодически. ФТ определяется свойствами магнита и снижается с возрастанием Т и реакции якоря, определяемой I. В процессе пуска Фт меняется сложным образом вследствие изменения I, потока якоря Фа, наводимых вихревых токов в сплошных проводящих элементах конструкции - корпусе, массиве постоянного магнита, ферромагнитных полюсных вставках. Ранее моделирование динамических процессов ЭСП на основе стартеров с зависимыми от температуры магнитными свойствами магнитов ранее не выполнялось. Необходим учет особенностей работы таких стартеров: в стартерах с постоянными магнитами ФТсуществует постоянно и с нарастанием тока при пуске он будет снижаться; наводимые в процессе пуска вихревые токи в стартере демпфируют изменение Фа и снижают размагничивающее действие реакции якоря; из-за отсутствия последовательной обмотки возбуждения индуктивность Ь цепи ЭСП снижена, I будет нарастать интенсивнее, пусковой ток 1П будет больше, реакция якоря и наведенные вихревые токи будут сильнее воздействовать на ФТ, МЭМ, пТ и время запуска. Корректное моделирование пусковых режимов ЭСП возможно на основе взаимодействия систем моделирования переходных процессов и систем моделирования нестационарных электромагнитных и тепловых полей.
Математическая модель ЭСП представлена в виде системы (1). Здесь еа =к1ПаФ - ЭДС вращения; I- момент инерции системы «стартер - ДВС»;
М0 = АРмех (ю) + АРмаг (Ф~0)) - момент сопротивления
стартера, определяемый механическими потерями и потерями в стали, ю - угловая частота вращения. С повышением Т
сопротивлениеобмотки якоря Ra возрастает, сопротивление батареи RAБ снижается, напряжение ИАБТ и !КЗ батареи возрастают. В целом, пусковой ток ЭСП с понижением Т снижается. Так при Т=+25 0С в ЭСП, содержащей с АБ 6СТ-55М и стартер 5702.3708, ^+25=702 А.
При Т=-30 С Ьт^303 А. Индуктивность обмотки якоря La с увеличением I снижается составляет при номинальном токе La=0.0164 мГн.
Момент сопротивления ДВС МдВС возрастает с повышением п и вязкости моторного масла V. С повышением Т существенно снижается V. Так для масла 15W-30 при Т=-18 ^ V 18=6000 мм2/с, при Т=+100 °С v+l00=10 мм2/с. Для зависимости V от температуры подобраны полиномы. У
ферритовых магнитов с
изменением Т магнитные свойства не меняются.
Магнитные свойства магнита NdFeB изменяются: для
остаточной индукции с
интенсивностью д о(Зв=-0.12 %/°С; для коэрцитивной силы - до рн=-0.6 %/°С, т.е.
ВгТ= ВГ2о[1+(Зв(Т - 20)],
НсВТ=НсВ2о[1+ (Зн(Т - 20)].
На основе модели (1) разработана система
имитационного моделирования динамических режимов ЭСП на базе стартеров с зависимыми от Т магнитными свойствами, структура моделей которой и их взаимосвязи приведены на рис. 2.
Рассмотрена усовершенствованная ЭСП с модернизированным стартером 5702.3708, в котором ферритовые магниты толщиной 9 мм заменены на магниты NdFeB толщиной 0.6-0.8 мм. Размеры магнитов NdFeB подобраны такими, при которых Ф при Т=+25 0С такой же, как и с
Модель динамических режимов работы электр о стартерной системы пуска
Ф(М)
т
Модель нестационарного магнитного поля стартера
Модель нестационарного теплового поля стартера
Рисунок 3 - Взаимодействие систем моделирования динамических режимов ЭСП и нестационарных физических полей
5] modelnew25superproba Raschet momenta
□ 53 Raschet vyazkosti Q If Action Subsystem Q If Action Subsysteml
Q Vyazkost'pri t=-40...0C a Sredniy moment soprotivleniya dvigately< Q Subsystem Q Subsysleml a magnitnye poteri a mexanich poteri b a Raschet potoka
□ H +25
f Action Subsystem f Action Subsysleml f Action Subsystem2 f Action Subsystem3 f Action Subsystem4 f Action SubsystemS
a a a a a a a a -30 a a
Ґ
\
R
Ґ
f Action Subsystem f Action Subsysteml f Action Subsystem2 f Action Subsystem3 f Action Subsystem4 f Action SubsystemS
Q If Action Subsystem5 a If Action Subsystem a If Action Subsysteml a If Action Subsystem2
a t
a fo
b a If Action Subsystem
a #1
B a If Action Subsysleml a 83 B a II Action Subsystem2
a #2
a If Action Subsystem3 [53 If Action Subsystem4 ^ If Action SubsystemS 0 Ikp a Raschet SRa
a If Action Subsystem a If Action Subsysteml
a ii«
a Ra=f(t)
a u™
a Subsystem a xarakteristika puska
Рисунок 2 - Структура моделей в системе имитационного моделирования динамических режимов работы ЭСП
и AS -L—- + IRa +еа + AU ; dt
U де =fCUAE„,I,RAB,TAB);
L = f (I);
R. =f(T.);
ea = f(co, Ф);
ф ................ (1)
^ = Мэм-М(|-Мдвс;
мэм = f(I, Ф);
M0 = ґ(ю,Ф);
^ ДВС = f (® > "^ДВС )•
ферритовыми магнитами. При модернизации стартера число полюсов, якорь, диаметр и толщина корпуса не менялись. Магниты NdFeB дороже ферритовых, но правильно разработанный стартер с магнитами NdFeB будет стоить не дороже, чем стартер с ферритовыми магнитами.
Для достижения корректных результатов моделирования процессов в ЭСП реализована итерационная процедура взаимодействия системы моделирования динамических режимов и системы моделирования нестационарных физических полей в стартере (рис. 3). Выполняется уточнение параметров в одной системе и задание их в качестве исходных данных в другую систему. Из расчетов нестационарного магнитного поля с заданными зависимостями 1=Г(1;,Т)
определяются зависимости Ф=Г(1,1;), которые задаются в модель динамических режимов, откуда находятся уточненные зависимости 1=^,Т) и т.д.
До пуска в стартере существует поток магнитов Ф0 т. «А» (рис. 5). В первые моменты пуска I резко увеличивается, Фа и реакция якоря возрастают, Ф будет снижаться. Динамическое нарастание Фа будет наводить в массивных частях магнитной системы вихревые токи, пропорциональные dФa/dt или dI/dt, которые демпфируют в некоторой степени нарастание Фа и снижают действие реакции якоря. На рис. 4 показаны рассчитанные графики изменения Ф с учетом разных условий. В начале пуска dI/dt наибольшее, демпфирование изменения Фа вихревыми токами максимальное, Ф снижается до величины ФКЗ - т. «В». По мере разгона ДВС dI/dt и, соответственно, демпфирование Фа вихревыми токами снижаются, но так как I еще значителен, то размагничивающее действие реакции якоря максимальное и Ф снижается далее до Фмин т. «С». По мере дальнейшего разгона I в ЭСП и реакция якоря будут далее снижаться, Ф возрастать, в пределе до значения Ф0 т. «Б». Переходный процесс не превышает 0,4-0,5 сек. В первый момент пуска Ф25 снижается на 41%, Ф-30 для ферритовых магнитов на 11.3 %, Ф-30 для магнитов NdFeB на 10.8%. При Т=-30 0С в первый момент пуска магниты NdFeB обеспечивают Ф на 15.6 % больший, чем ферритовые магниты. Наводимые изменяющимся в процессе пуска Фа вихревые токи до 15 % демпфируют его действие. Для стартера с ферритовыми магнитами ФУСТ+25>ФУСТ-30 Фер. Для
Рисунок 5 - Изменение Ф при пуске с учетом реакции якоря и вихревых токов для Т=-300С: 1 - магниты М^еВ; 2 - ферритовые
О 0.1 0,2 0.3 0.4 Ї,СЄЕ
Рисунок 4 - Изменения Ф при пуске для Т=250С: 1 без учета реакции якоря и вихревых токов; 2 - с учетом реакции якоря, без учета вихревых токов; 3 ■ с учетом реакции якоря и вихревых токов
а)
П, об/мин
б)
в)
Рисунок 6 - Изменения I (а), МЭМ (б), п (в) с учетом реакции якоря и вихревых токов для Т=-300С: 1 - магниты М^еВ; 2 - с ферритовые магниты
магнитов NdFeB наоборот - ФУСТ+25<ФУСТ-30 NdFeB. Так как МдВС+25<МдВС-30, то по окончании пуска Ьуст+^Ьуст^.
Изменения I в процессе пуска ДВС для T= -30 оС представлены на рис. 6а. Неучет реакции якоря и вихревых токов дает ускоренное снижение I и быстрое окончание переходного процесса. Снижение I для ЭСП с магнитами NdFeB при Т=-30 0С происходит интенсивнее и приводит к !УСТ-30 фер>!Усг-30 NdFeB, что является положительным явлением. Изменения при пуске МЭМ представлены на рис. 6б. Увеличение L в цепи ЭСП снижает IMAX и MMAX. Неучет реакции якоря и вихревых токов завышает MMAX до 36%, дает ускоренное снижение МЭМ и меньшие значения МУСТ. С понижением Т снижается ММАХ и возрастает МУСТ. Для магнитов NdFeB при Т=-300С, по сравнению с ферритовыми магнитами, Ммах-30 возрастает на 14.7%, а и пусковой момент Мп-30 (в режиме КЗ) - на 15.3 %. Изменения n в процессе пуска представлены на рис. 6в. При неучете реакции якоря и вихревых токов скорость нарастания n наибольшая, ДВС быстрее достигает пуст, но сама пуст наименьшая. С понижением Т скорость нарастания n и пуст снижаются. При Т=-30 0С пуст-30 в ЭСП с магнитами NdFeB, по сравнению с ферритовыми магнитами, на 34% больше (550 и 410 об/мин, соответственно пдвс=30 и 40 об/мин), что обеспечивает более надежный запуск ДВС усовершенствованной ЭСП. Достигается снижение минимальной температуры пуска. ЭСП с ферритовыми магнитами осуществляет разгон до 410 об/мин за ~ 0.4 сек, а с магнитами NdFeB до той же скорости за ~ 0.13 сек., т.е с более высокими динамическими показателями.
Усовершенствованная ЭСП с применением в стартерах магнитов NdFeB была изготовлена и испытана. Испытания ЭСП в динамических режимах проводились с использованием компьютеризированного диагностического комплекса «Мотор-Тестер МТ10К» и блока автомобильной диагностики АМД-4А. На рис. 7 представлены в сравнении осциллограмма и расчетная зависимость I=f(t) усовершенствованной ЭСП при пуске ДВС автомобиля LADA «Priora» для Т=-15 0С Наблюдается удовлетворительное совпадение результатов.
Экспериментальные температурные исследования МП ЭСП проведены на стенде Э242. Результаты опытных данных подтверждают повышение МП усовершенствованной ЭСП при I=702 А на 28.78 % при понижении Т на 103 оС, что соответствует расчетам. Максимальное расхождение данных опытов и расчетов МП ЭСП с магнитами NdFeB не превышает 10 %. В то же время опытная зависимость МП ЭСП с ферритовыми магнитами от температуры составляет всего 0.3 %/оС и укладывается в погрешность экспериментов.
Рисунок 7 - Изменение тока в ЭСП при пуске ДВС: 1 - опыт; 2 - расчет
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Казаков Ю.Б., Лазарев А.А., Гнутов С.К. Магнитоэлектрический стартерный электродвигатель с повышенными пусковыми свойствами при низких температурах // Вестник ИГЭУ. - 2008. - № 3. - С. 39-41.
2. Казаков Ю.Б., Гнутов С.К., Лазарев А.А., Лазарев А.Г.Применение магнитов NdFeB в стартерах для повышения их пусковых свойств при низких температурах // Перспективные материалы. - 2008. № 3. - С. 292-296.
