CC BY
19
УДК 621.313
ХАРАКТЕРИСТИКИ СТАРТЕРНЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ И ВОЗБУЖДЕНИЕМ ОТ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ
КАЗАКОВ Ю.Б., д-р техн. наук, ЛАЗАРЕВ А.А., асп., ГНУТОВ С.К., инж.
Рассмотрены особенности и режимы работы стартерных электродвигателей с электромагнитным возбуждением и возбуждением от постоянных магнитов. Выполнено сравнение показателей и характеристик электродвигателей различных вариантов. Показаны преимущества использования в магнитоэлектрических стартерах высокоэнергетических магнитов на основе NdFeB.
Ключевые слова: стартерные электродвигатели, мощность электродвигателя, электромагнитное возбуждение, постоянные магниты.
CHARACTERISTICS OF STARTER ELECTROMOTORS WITH ELECTROMAGNETIC ACTUATION AND ACTUATION FROM CONSTANT MAGNETS
Yu.B. KAZAKOV, Ph.D., A.A. LAZAREV, postgraduate, S.K. GNUTOV, engineer
This paper is devoted to the peculiarities and operating regimes of starter electromotors with electromagnetic actuation and actuation from constant magnets. There is the indicators and characteristic comparison of electromotors of different types. The authors have shown the advantages of high-energy magnets, based on NdFeB, using in magnetoelectric starters.
Key words: starter electromotors, electromotor capacity, electromagnetic actuation, constant magnets.
В качестве стартерных электродвигателей системы пуска двигателей внутреннего сгорания автомобилей обычно используются двигатели постоянного тока последовательного электромагнитного возбуждения с мягкой механической характеристикой. Режим работы стартеров кратковременный. Электродвигатели выполняют высокоиспользованными, компактными. Линейная нагрузка якоря, плотность тока в обмотках, плотность тока под щетками могут в 4-5 раз превышать значения, используемые в двигателях для продолжительного режима работы. Индукция в элементах магнитной системы предельная.
Стартерные электродвигатели выпускаются массовыми сериями, общий объем выпуска достигает более миллиона штук в год. Поэтому разработка и совершенствование конструкции и методик расчета стартерных электродвигателей является актуальной задачей.
Температурные условия работы стартеров составляют от -40 до +80 оС. Стартерные электродвигатели работают от источника питания ограниченной мощности - аккумуляторной батареи. Напряжение на их зажимах уменьшается с увеличением нагрузки из-за падения напряжения на внутреннем сопротивлении батареи. Сопротивление батареи возрастает с понижением температуры электролита и степени заряжен-ности батареи. Наиболее ответственным является пуск при низкой температуре и достаточно разряженной батарее, когда пусковой ток невелик. Повышение пусковых свойств стартеров с электромагнитным возбуждением практически невозможно [1].
В последнее время начали выпускаться стартеры магнитоэлектрического возбуждения. Применяются достаточно дешевые, но с не очень высокими магнитными свойствами ферритовые магниты 22БА220. Появление высокоэнергетических магнитов ЫСРеВ, обладающих предельными значениями остаточной индукции и коэрцитивной силы, делает актуальной задачу их применения в стартерных электродвигателях. Особенностью магнитов ЫСРеВ является наличие сильной температурной зависимости магнитных свойств, например для коэрцитивной силы - до -0,6 %/°С. То есть с понижением температуры у таких магнитов возрас-
тают магнитные свойства [2]. При низкой температуре эти магниты обладают повышенным магнитным потоком и могут обеспечить необходимый пусковой момент при низком пусковом токе. С ростом температуры свойства магнитов падают, но снижается и сопротивление батареи, что повышает пусковой ток и обеспечивает сохранение пускового момента. Мягкость механической характеристики при пуске обеспечивается, в том числе, противоположными температурными зависимостями сопротивления батареи и магнитных свойств магнита. Отсутствие в такой конструкции обмотки возбуждения с ее внутренним сопротивлением повышает пусковой ток и снижает требуемую емкость аккумуляторной батареи.
Рассмотрены несколько вариантов стартерных электродвигателей: с электромагнитным последовательным возбуждением и с возбуждением от постоянных магнитов 22БА220 и Ы^Ре^В. Анализ результатов расчета электромеханических показателей стартерных электродвигателей различных вариантов (см. таблицу) показал, что магниты ЫС2Ре14В обладают более высокими, чем магниты 22БА220, магнитными свойствами, вследствие чего применение такой же высоты магнитов ЫС2ре14В, как и для магнитов 22БА220, приводит к значительному повышению магнитного потока и электромагнитного момента, но одновременно снижает частоту вращения якоря, что затрудняет запуск двигателей внутреннего сгорания. Для запуска двигателей внутреннего сгорания необходима частота вращения не менее определенной величины. На основе нескольких предварительно рассчитанных конструкций было выявлено, что возможно снизить высоту магнитов ЫС2ре14В Им с 9 до 0,6 мм и уменьшить наружный диаметр стартера с 79 мм до 62,2 мм, сохранив при температуре Т = +20°С электромеханические показатели стартера такими же, как для магнитов 22БА220 с высотой магнитов 9 мм. Возможно применение магнитов ЫСРеВ в виде сегментов тонкого кольца.
В наиболее тяжелых условиях пуска при температуре Т = -30оС, несмотря на принятую степень разрядки аккумуляторной батареи 25 %, сниженный из-за повышения сопротивления батареи на 20 % ток, учет
сопротивления подводящих проводов, вследствие повышения магнитных свойств магнита Ыс1РеВ электромагнитный момент в точке максимальной мощности для варианта стартерного электродвигателя с Им = 0,6 мм при Т = -30 оС возрастает на 37 %, по сравнению с электромагнитным моментом стартера при Т = +20оС.
Номера электромеханических характеристик стартерных электродвигателей (см. рисунок) соответствуют номерам вариантов стартерных электродвигателей (см. таблицу).
Расчетная точка максимальной мощности стартерного электродвигателя и оптимальной его работы соответствует току 1н = 340 А. Очевидно, что электромеханические характеристики для вариантов 1, 2 и 5 (см. рисунок) совпадают. В случае работы системы пуска с использованием в стартерном электродвигателе ПМ ШРеВ с толщиной магнита Им = 0,6 мм при температуре Т = -30 оС сохраняется запас по величине магнитного потока и, соответственно, электромагнитного момента.
Стартерный электродвигатель с электромагнитным возбуждением имеет наибольшие габариты, но и наименьшую стоимость благодаря отсутствию в нем
дорогостоящих постоянных магнитов. Если сравнивать стартерные электродвигатели с постоянными магнитами, то хотя магниты Ыс12Ре14В и дороже магнитов 22БА220, но меньшая их масса, из-за уменьшенной толщины магнитов, приводит к общему снижению стоимости. В целом цена стартерных электродвигателей разных вариантов отличается несущественно.
Особенности конструкции и работы стартерных электродвигателей требуют при расчетах их магнитного и теплового состояний использования полевых моделей. Магнитные свойства магнита определяют потери в стали двигателя, что вызывает нагрев двигателя, который, в свою очередь, определяет магнитные свойства магнита. Поэтому магнитные и тепловые поля в магнитоэлектрических стартерных электродвигателях с магнитами ШРеВ должны рассчитываться взаимосвязанно.
Одновременно динамика пуска карбюраторных двигателей внутреннего сгорания стартерными электродвигателями с постоянными магнитами должна рассматриваться с использованием полевых магнитных и цепных электрических моделей.
М, Нм
10
7,5
5
2,5
//
/у /у ' у У
А /У /у' Уу S
//' У /У 1
....... - V >
п,
об\мин 10000
7500
5000
2500
\ \
^ Ч К. 1
tf^ V"4 N.V 5 /
'■У:- V \\ Ч\
V ¡ ч л
0 150 300 1н 450 600 I, А 0 150 300 1н 450 600 I, А
а) б)
Электромеханические характеристики вариантов стартерных электродвигателей: а - моментная; б - скоростная; 1 - электромагнитное последовательное возбуждение при температуре пуска Т = +20 0С; 2 - магнитоэлектрическое возбуждение от магнитов 22БА220 высотой hM = 9 мм при Т = +20 С; 3 - магнитоэлектрическое возбуждение от магнитов Nd2Fe14B высотой hM = 9 мм при Т = +20 0С; 4 - магнитоэлектрическое возбуждение от магнитов Nd2Fe14B высотой hM = 9 мм при Т = -30 0С; 5 - магнитоэлектрическое возбуждение от магнитов Nd2Fe14B высотой hM = 0,6 мм при Т = +20 0С; 6 - магнитоэлектрическое возбуждение от магнитов Nd2Fe14B высотой hM = 0,6 мм при Т = -30 0С
Расчетные показатели стартеров
№ варианта 1 2 3 1 4 5 6
Возбуждение Электромагнитное последовательное Магнитоэлектрическое (от магнитов 22БА220) (от магнитов Nd2Fe14B)
hM = 9 мм hM = 9 мм hM = 0,6 мм
Диаметр, м Длина, м 0,082 0,274 0,079 0,254 0,079 0,254 0,0662 0,254
Цена, руб 2140 2266 3365 2228
Температура пуска, оС Мн, Нм +20°C 2,16 +20°C 1,99 +20°C 4,73 -30°C 5,04 +20°C 1,38 -30°C 1,92
пН, об/мин 7306 7757 3349 3147 10944 8020
Рэм.макс,Вт 1653 1667 1642 1644 1585 1606
Список литературы
1. Казаков Ю.Б., Щелыкалов Ю.Я. Совершенствование конструкции активной зоны стартерных электродвигателей: Мат-лы Всерос. Электротехн. конгресса. - М.: РАН, АЭН РФ, 2005. - С. 162-164.
2. Казаков Ю.Б. Анализ магнитных и тепловых полей магнитоэлектрических машин с учетом термозависимости свойств магнитов // Электричество. - 2001. - № 12. -С. 23-27.
Казаков Юрий Борисович,
ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой электромеханики, телефон (4932) 26-97-06, e-mail: [email protected]
Лазарев Александр Александрович,
ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», аспирант кафедры электромеханики, e-mail: [email protected]
Гнутов Сергей Константинович,
Сызранский филиал Самарского государственного технического университета, старший преподаватель, e-mail: [email protected]
