CC BY
9
8 Козловский, В.Н. Моделирование энергоемких накопителей автомобильной комбинированной энергоустановки / В.Н. Козловский, В.И. Строганов, В.В. Дебелов, С.В. Петровский // Грузовик. 2018. № 11. С. 13-14.
Саксонов Александр Сергеевич, аспирант, [email protected], Россия, Самара, Самарский государственный технический университет,
Макаричев Юрий Александрович, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, [email protected], Россия, Самара, Самарский государственный технический университет,
Козловский Владимир Николаевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, [email protected], Россия, Самара, Самарский государственный технический университет,
Пантюхин Олег Викторович, д-р. техн. наук, доцент, olegpantyukhin@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
DEVELOPMENT OF A MA THEMA TICAL MODEL FOR ASSESSING THE INFL UENCE OF STATOR AND ROTOR MISCONNECTIVITY OF A VEHICLE GENERATOR ON ITS MAIN ELECTRICAL AND ELECTROMECHANICAL CHARACTERISTICS
A.S. Saxonov, Y. A. Makarichev, V. N. Kozlovsky, O. V. Pantyukhin
The article presents the results of the development of a mathematical model for assessing the impact of misalignment of the stator and rotor of an automobile generator on its main electrical and electromechanical characteristics.
Key words: car, on-board electrical complex, quality, reliability.
Saxonov Alexander Sergeevich, postgraduate, [email protected], Russia, Samara, Samara State Technical University,
Makarichev Yuri Alexandrovich, doctor of technical sciences, professor, head of the department, [email protected], Russia, Samara, Samara State Technical University,
Kozlovsky Vladimir Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, head of the department, [email protected], Russia, Samara, Samara State Technical University,
Pantyukhin Oleg Viktorovich, doctor of technical sciences, docent, olegpantyukhin@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.31
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-4-519-524
ЭТАПЫ СТАНОВЛЕНИЯ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ БОРТОВОГО ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА АВТОМОБИЛЕЙ
У.В. Брачунова, В.Н. Козловский, П.А. Николаев, С.А. Васин
В статье представлены результаты анализа основных этапов развития и становления бортового электротехнического комплекса автомобилей.
Ключевые слова: автотранспортное средство, бортовой электротехнический комплекс.
Научно-технический прогресс в автомобилестроении неразрывно связан с развитием электротехнических и электронных устройств и компонентов, интегрированных в электротехнические системы (ЭТС) автомобилей. Понятие «электротехническая система» включает в себя сложную специализированную техническую систему, выполняющую функцию генерирования, распределения, преобразования электрической энергии и управления этими процессами, обеспечивающую автоматизацию рабочих процессов, безопасность движения и улучшение условий труда водителей [1]. Электротехнические системы автомобилей совершенствовались одновременно с развитием общей электротехники и электроники. Совокупность электротехнических систем автомобиля представляет собой бортовой электротехнический комплекс (БЭК).
К 30-м годам ХХ века в автомобилях сформирована простейшая электротехническая система. Она включала в себя: аккумуляторную батарею, динамомашину, реле, стартер, систему зажигания, амперметр, стеклоочиститель, фары, гудок. На рис. 1 представлена структурная схема
электрооборудования автомобиля Линкольн 1930 года [2]. Оборудование изготовлялось фирмой Авто-Ляйт. Напряжение аккумуляторной батареи 6 В. На схеме изображена динамомашина с третьей щёткой, мощностью 60 Вт при 900 мин1. Емкость АКБ составляла 80 а-ч.
Динамо
СЩюеые цн:шн<)[>ы \
)
Н—Г" _1_|_
Система мжигания -
/ ТОКО' \ / Ир/г*1- \ 5
[ раенрлдё' V-{ »"«"» 1
^-- £
<
С Левые (|И1мяфи _)
□в
i •
• -«'.к тли
и,-. новой
СИ.'ШП
Приборная панель
<; <:.>\ но^дйм -<:: н псреклю41лт.\н.'11
Стекяоочнештал
Рис. 1. Структурная схема электрооборудования автомобиля Линкольн 1930 года
(номинальное напряжение 6 В)
Дальнейшее развитие и совершенствование конструкций автомобилей неразрывно связано с ростом количества электротехнических компонентов.
Повышение скорости движения, требования к созданию условий безопасности и комфорта привели к установке дополнительного электрооборудования: управление коробкой переключения передач, контрольные приборы (измерители уровня топлива, давления масла в системе смазки, температуры воды в системе охлаждения), вентиляторы, обогреватели, звуковая и световая сигнализации, стеклоэлек-троподъемники, системы выдвижения тента, радиоприемники, телевизоры [2]. Каждое десятилетие увеличивалась численность составляющих электрооборудования на 15-20 единиц. Увеличение мощности и количества потребителей электрической энергии потребовало увеличения массы и габаритов генератора постоянного тока, от напряжения в сети 6 В произошел переход к 12 В (рис. 2).
Рис. 2. Структурная схема электрооборудования автомобиля ГАЗ-М-20 («Победа») 1949 года
(номинальное напряжение 12 В)
Развитие и обширное внедрение в 50 - 60-х гг. ХХ века полупроводниковых приборов в электротехнике позволило использовать на автомобилях генераторы переменного тока с полупроводниковыми выпрямителями. Таким образом, возможно классифицировать первый этап с 20 -х по 40-е годы ХХ века - этап электрификации автомобиля с номинальным напряжением бортовой сети 6 В, второй этап с 50-х гг. по 70-е гг. ХХ века - этап появления простейших электротехнических комплексов номинального напряжения бортовой сети 12 В с участием полупроводниковых приборов.
Увеличение мощности двигателя внутреннего сгорания (ДВС) обусловило необходимость соответствующего повышения характеристик электропусковых систем, в частности двухуровневая система
напряжения на 12 В и на 24 В в конце 60-х годов ХХ века была принята для некоторых большегрузных дизельных автомобилей. Переход на более высокое напряжение 24 В в этом случае позволил снизить пусковые токи. Основной уровень напряжения в таких автомобилях остался на уровне 12 В и служит для зарядки аккумуляторная батарея (АКБ), и питания остальных потребителей. Две последовательно соединенные батареи на 12 В обеспечивают работу стартера при 24 В (рис. 3) и, таким образом, достигается отдача мощности, позволяющей запуск дизельных двигателей [3, 4].
Рис. 3. Структурная схема электрооборудования грузового автомобиля с двухуровневым
номинальным напряжением 24 В и 12 В
В период с 80-х гг. ХХ века с внедрением электроники и средств автоматики начался третий этап. Происходило дальнейшее развитие электрооборудования автомобилей: бесконтактные микропроцессорные системы зажигания, автоматическое управление топливоподачей, электронные системы управления гидравлическими тормозами, трансмиссией, необслуживаемые аккумуляторные батареи, бортовая самодиагностика, системы освещения и сигнализации [3, 4] (рис. 4).
В последующие несколько десятилетий мощность бортового электрооборудования автомобилей значительно выросла. Автомобили интенсивно оснащаются электронными компонентами, дополнительным электрооборудованием, обеспечивающими комфорт и безопасность движения, увеличилась протяженность электропроводки.
Рис. 4. Структурная схема электрооборудования автомобиля ВАЗ 2110 1995 года
(номинальное напряжение 12 В) 521
В 90-х годах крупные производители транспортных средств оценивали преимущества повышенного класса напряжения бортовой сети, и система 42 В была внедрена в некоторые модели автомобилей в Японии и США. Фактически система, которая была определена как бортовая электросеть на 42 В, получала электроэнергию от аккумуляторной батареи 36 В. Система обеспечивала в три раза большее напряжение, чем система 12 В, но в то время это повышение было признано нерентабельным по сравнению с функциональными преимуществами и привело к отказу от внедрения бортового напряжения сети автомобиля 36/42 В.
Современные автомобили имеют более 90 электронных блоков управления (ЭБУ) для управления модулями внутри автомобиля, что усложняет электротехнические и электронные комплексы бортовой сети. И эта тенденция не ограничивается только автомобилями с повышенным уровнем комфорта. Современный массовый автомобиль, например Volkswagen Golf, имеет почти трехкратное увеличение количества используемых ЭБУ: с 17 ЭБУ в поколении 1998 г. до 62 ЭБУ в поколении 2021 г. Произошло внедрение в электротехнический и электронный комплексы автомобиля таких электрокомпонентов и систем как: электроусилитель руля, активная подвеска, электронные тормозные системы, навигационный блок на основе ЭРА-ГЛОНАСС; управления двигателем; динамической стабилизации; электронной блокировки дифференциалов [5, 6]. Традиционные компоненты с механическим приводом замещаются на более совершенные узлы, такие как: электродвигатели и сервоприводы для регулировки сидений, дистанционного открывания багажника,электрические вакуумные насосы тормозной системы, электрические водяные насосы и так далее. Кроме того, производители автомобилей наращивают число принципиально новых информационно-развлекательных опций и систем: обеспечения комфорта, вспомогательных систем безопасности (адаптивный круиз контроль, подогрев сидений, руля и стекол, датчик усталости, система ночного видения, система адаптивного света и др.); экстренного торможения; слежения за разметкой; распознавания дорожных знаков; мониторинга мёртвых зон; автоматической парковки; проекционный навигационный дисплей; превентивной безопасности и т.д. Совокупная мощность потребителей БЭК современного автомобиля составляет около 3,5 кВт [7, 8].
В качестве дополнительных примеров частичного решения проблемы повышения уровня номинального напряжения бортовой сети автомобилей, можно определить решения ряда зарубежных автопроизводителей. Совершенствование технологий в производстве литий-ионных батарей и суперконденсаторов позволяют осуществить проектирование бортовых сетей автомобилей с ДВС с повышенным номинальным напряжением до 48 В. Зарубежные производители автомобилей BMW, Audi, Volkswagen, Volvo начали реализацию 48-вольтовых схем. Конфигурация БЭК таких автомобилей строится на основе двух сетей напряжением 48 В и 12 В. Соответственно, наиболее мощные потребители используют повышенное напряжение 48 В, а остальные через преобразователь DC/DC работают при низком напряжении 12 В (рис. 5).
Рис. 5. Структурная схема электрооборудования автомобиля с двумя уровнями напряжения
48 В и 12 В
Также известно, что реализация БЭК электромобилей и автомобилей с комбинированной энергоустановкой связана с организацией низковольтной 12 В и высоковольтной 380 В сетей. В данном случае, электропривод обеспечивающий движение автомобиля питается повышенным, а система управления и вспомогательное оборудование питается пониженным напряжениями [9, 10].
Исходя из всего вышеизложенного, вытекает научно-техническая проблема, которая состоит в том, что в автомобилях серийного производства, традиционной конструкции, имеющих один уровень
522
питающего напряжения, система электроснабжения уже не всегда способна обеспечивать в полном объёме и надежно всех потребителей электроэнергии.
На основании вышеизложенного, первично, можно выдвинуть гипотезу о том, что в автомобилях традиционной конструкции с одним уровнем питающего напряжения, повышение номинала бортового напряжения позволит решить актуализированную проблему энергообеспечения БЭК.
Также, важным элементом рассматриваемой проблемы, является возможность ее решения с учетом импортозамещения. В данном контексте, представляется, что в настоящее время, в период экономических кризисов и международных ограничений, возможно решение проблемы повышения уровня энергообеспеченности БЭК современных отечественных автомобилей на отечественной компонентной базе.
Стоит подчеркнуть, что для БЭК традиционных конструкций автомобилей выделенная проблема, как было показано выше, решалась частично. Системного решения в практике, направленного на рассмотрение всех основных ЭТС и электрокомпонентов выделено не было. Комплексно не рассматривались вопросы унификации всех ЭК и ЭС в связи с переходом на уровень повышенного номинального напряжения бортовой сети.
Список литературы
1. Саушев А.В. Теория, методы и средства параметрического управления состоянием электротехнических систем объектов водного транспорта": диссертация ... кандидата технических наук: 05.09.03 / Саушев Александр Васильевич.- Санкт-Петербург, 2016.- 411 с.
2. Можаев, В.Н. Электрооборудование тракторов и автомобилей / В.Н. Можаев. - 3-е изд., пе-рераб., доп. - Москва: Государственное издательство сельскохозяйственной литературы, 1954. - 358 с.
3. Чижков, Ю.П. Электрооборудование автомобилей: Учебник для ВУЗов /Ю.П. Чижков, С.В. Акимов - М.: Издательство «За рулем», 1999. - 384 с.
4. Чижков, Ю.П. Электростартерный пуск автотракторных двигателей. [Текст]/Ю.П. Чижков, С.М. Квайт, Н.Н. Сметнев. - М.: Машиностроение. -1985. - 160 с.
5. Строганов, В.И. Моделирование систем электромобилей и автомобилей с комбинированной силовой установкой в процессах проектирования и производства: Монография / В.И. Строганов, В.Н. Козловский // Москва, 2014.
6. Козловский, В.Н. Комплекс электронных систем управления движением легкового автомобиля с комбинированной силовой установкой. Часть 2. / В.Н. Козловский, В.И. Строганов, В.В. Дебелов, М.А. Пьянов // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2014. Т. 10. № 2. С. 19-28.
7. Козловский, В.Н. Моделирование электрооборудования автомобилей в процессах проектирования и производства: Монография / В.Н. Козловский // Тольятти, 2009.
8. Козловский, В.Н. Обеспечение качества и надежности системы электрооборудования автомобилей / В.Н. Козловский // автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук / Моск. гос. автомобил.-дорож. ин-т (техн. ун-т). Тольятти, 2010
9. Козловский, В.Н. Перспективные системы диагностики управления автономным транспортным объектом / В.Н. Козловский, В.В. Дебелов, О.И. Деев, А.Ф. Колбасов, С.В. Петровский, А.П. Новикова // Грузовик. 2017. № 6. С. 21-28.
10. Козловский, В.Н. Развитие проектов электромобилей и автомобилей с комбинированной энергоустановкой / В.Н. Козловский, Д.В. Айдаров, М.М. Васильев, В.В. Дебелов // Грузовик. 2018. № 6. С. 18-21.
Брачунова Ульяна Викторовна, аспирант, [email protected], Россия, Самара, Самарский государственный технический университет,
Козловский Владимир Николаевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, [email protected], Россия, Самара, Самарский государственный технический университет,
Николаев Павел Александрович, д-р техн. наук, начальник лаборатории электромагнитной совместимости, [email protected], Россия, Тольятти, АО «АВТОВАЗ»,
Васин Сергей Александрович, д-р техн. наук, профессор, vasin_sa53@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
STAGES OF FORMATION AND THE CURRENT STATE OF THE ON-BOARD ELECTRICAL COMPLEX OF
CARS
U.V. Brachunova, V.N. Kozlovsky, P.A. Nikolaev, S.A. Vasin
The article presents the results of the analysis of the main stages of development and formation of the on-board electrical complex of cars.
Key words: motor vehicle, on-board electrical complex.
Brachunova Uliana Viktorovna, postgraduate, [email protected], Russia, Samara, Samara State Technical University,
Kozlovsky Vladimir Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, head of the department, [email protected], Russia, Samara, Samara State Technical University,
Nikolaev Pavel Alexandrovich, doctor of technical sciences, Head of the Laboratory of Electromagnetic Compatibility, [email protected], Russia, Togliatti, AVTOVAZ JSC,
Vasin Sergey Alexandrovich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.3.014.12
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-4-524-528
К ВОПРОСУ ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ
ОПОР В ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИИ
А.В. Филонович, И.В. Ворначева, А.А. Чуйченко, В.В. Степанова, С.А. Войнаш, В.А. Соколова, Р.Р. Загидуллин, Л.С. Сабитов
В работе рассмотрены основы теории скин-эффекта в приложении к длинным ферромагнитным проводникам при воздействии на них высокочастотного электромагнитного поля. Результаты данного исследования могут применяться для обработки экспериментальных данных, полученных в результате исследования усталостных свойств металлических опор в электроснабжении.
Ключевые слова: ферромагнитные материалы, скин-эффект, уравнение Бесселя.
Введение. В настоящее время элементы металлических конструкций в виде сплошных стальных цилиндров широко используются в различных узлах технических устройств (в гидроэлектростанциях, летательных аппаратах, радиосвязи (антенны), транспортных средствах (оси вагонов) и т.д.). При длительной эксплуатации таких деталей очень часто возникает вопрос о степени их износа и возможности дальнейшей эксплуатации. В таких случаях очень важно использование простого, технически доступного метода контроля качества, применимого в условиях производства, эксплуатации и ремонта. Один из способов контроля остаточного ресурса ферромагнитного изделия - исследование напряженного состояния образца методом вихревых токов [1-10]. Применение его в совокупности с физико-математическими методами обработки экспериментальных данных способно дать надежную оценку времени безопасной эксплуатации, а также способствует оптимизации технологии изготовления стальных изделий. Поэтому цель данной работы провести анализ и обобщить существующие подходы к исследованию скин-эффекта в цилиндрических ферромагнитных телах.
Постановка задачи. Пусть образец для исследования в виде сплошного ферромагнитного цилиндра длиной l и диаметром d помещается в датчик проходного типа (рис.1). Геометрические параметры образца выбраны таким образом, чтобы выполнялось отношение l / d > 10, тогда поле в средней части датчика считается однородным, а размагничиванием образца можно пренебречь. Конструктивно датчик представляет собой две катушки, намотанные на общий каркас. Первая из них (на рис.1 не показана) является намагничивающей и подсоединяется к генератору через большое сопротивление. Это обеспечивает синусоидальность напряженности магнитного поля, как функции времени. При этом индукция является несинусоидальной, т.е. содержит высшие гармоники. Вторая катушка, радиусом Ru и числом витков wu является измерительной. Её сигнал несет интегральную по сечению образца информацию об электрических и магнитных свойствах металла. Если образец подвергнуть циклическому нагружению, то в поверхностном слое металла образуется зародыш усталостного напряжения, имеющий локальные размеры [1]. Вокруг зародыша возникает напряженное состояние решетки в макроскопическом объеме, что приводит к изменению процессов намагничивания в этом объеме. Зона вокруг зародыша мала по сравнению с объемом образца. По этой причине, чтобы выявить изменение магнитных свойств зоны необходимо создать специальные условия. С этой целью измерительная обмотка должна выполняться как можно более узкой, и имеющей радиус Ru , близкий к радиусу образца R. Частота генератора f должна быть достаточно высокой, с целью обеспечения эффективной толщины проникновения поля на расстояния порядка глубины залегания зародыша. В поверхностном слое металла усталостные эффекты
