CC BY
4
УДК 621.31
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-6-282-286
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОПУСКОВОЙ СИСТЕМЫ АВТОМОБИЛЯ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ
УРОВНЯХ НОМИНАЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ БОРТОВОЙ СЕТИ
У.В. Брачунова, В.Н. Козловский, М.В. Шакурский
В статье представлены результаты исследования изменения электротехнических характеристик элементов электропусковой системы автомобиля при различных уровнях номинального напряжения бортовой сети.
Ключевые слова: автомобиль, электротехнический комплекс, электропусковая система.
Электропусковая система (ЭПС) автомобиля состоит из нескольких компонентов, таких как аккумуляторная батарея (АБ), стартерный электродвигатель, втягивающее реле стартера и т.п. Работа ЭПС происходит в значительно изменяющихся внешних климатических условиях, при широком диапазоне изменения момента сопротивления ДВС, частоты вращения коленвала, заряженности АБ и т.д. В связи с этим теоретический анализ влияния номинального напряжения на технико-эксплуатационные параметры системы пуска представляет собой весьма сложную задачу, поэтому для её решения был выбран расчетный анализ ЭПС для наиболее характерных её режимов. Рассматривались два режима работы ЭПС.
1. Режим, соответствующий холодному запуску ДВС автомобиля (момент сопротивления прокручивания коленвала ДВС Мдвс = 50 нм, пусковая частота вращения коленвала ^вс = 50 об/мин, минимальная температура пуска Т = -250С, разряженность АБ Ср = 25%).
2. Режим, соответствующий номинальной мощности стартера, установленного на автомобиле (номинальный момент на валу стартера Мст = 10,5 нм, номинальная частота вращения выходного вала стартера №т = 1125 об/мин, окружающая температура Т = +250С, степень разряженности АБ Ср = 0%).
Для анализа была разработана программа расчета ЭПС в среде Matlab. Исходными данными служили:
1. Пусковая частота вращения ДВС,
2. момент сопротивления прокручиванию коленвала ДВС,
3. минимальная температура пуска,
4. число попыток пуска,
5. продолжительность одной попытки пуска,
6. степень разряженности аккумулятора,
7. передаточное отношение стартер-ДВС,
8. передаточное отношение редуктора стартера,
9. число полюсов электродвигателя стартера,
10. конструктивный коэффициент, характеризующий отношение полной массы стартера к массе активных материалов стартерного электродвигателя,
11. номинальное напряжение пуска.
Расчет проводился при одинаковых магнитных загрузках электродвигателей, что позволило исключить влияние изменения магнитной загрузки на результаты расчета, учитывалось снижение мощности стартера при работе за счет увеличения сопротивления стартера в результате нагрева. Вольтамперные характеристики аккумуляторов рассчитывались по методике, изложенной в [1]. Необходимая емкость АБ подбиралась исходя из условия обеспечения заданной мощности ЭПС при определенной частоте вращения стартера. Для исключения влияния фактора неопти-
мальности параметров ЭПС при изменении номинального напряжения проводилась оптимизация пусковой системы по минимуму массы. Параметрами оптимизации были выбраны:
- емкость АБ,
- число пазов электродвигателя стартера,
- число витков секции обмотки якоря электродвигателя,
- диаметр пакета якоря электродвигателя стартера.
В качестве независимых величин были приняты:
- конструктивный коэффициент,
- магнитная индукция в зазоре стартерного электродвигателя,
- коэффициент полезного действия электродвигателя,
- коэффициент заполнения паза электродвигателя медью обмотки.
Целевой функцией оптимизации являлась суммарная масса аккумулятора и стартера. Масса АБ определялась по аппроксимирующей эмпирической зависимости веса батареи от её ёмкости и напряжения [2]. полученная формула позволяет приближенно вычислить массу АБ любой емкости и напряжения.
Результаты расчета электропусковой системы двигателя на различные уровни напряжения сведены в табл. 1, 2. Необходимо отметить, что результаты расчета первого и второго режимов работы ЭПС существенно различаются, что говорит о том, что каждому режиму работы ЭПС соответствует свое оптимальное сочетание параметров системы, и расчет ЭПС необходимо проводить для наиболее тяжелого режима работы системы [3 - 5].
Таблица 1
Зависимость параметров электропусковой системы от номинального напряжения ___для ^ режима холодного запуска ДВС ___
Номинальное напряжение пуска (В) Емкость АБ (А-ч) Ток стартера (А) Напряжение АБ в режиме пуска (В) Плотность тока в обмотке стартера (А/мм2) Число пазов якоря статора Число витков в секции обмотки якоря Масса АБ (кг) Масса стартера (кг) Масса ЭПС (кг)
12 24 83 7,2 3,6 17 1 7,0 3,5 10,5
18 14 51 10,4 4,4 9 3 6,0 3,4 9,4
24 10 38 13,6 4,4 19 2 5,8 3,4 9,2
30 8 30 17,2 5,4 9 5 5,8 3,5 9,3
36 7 25 21,4 7,5 19 3 6,0 3,3 9,3
42 6 21 25,0 7,6 17 4 6,0 3,3 9,3
48 5 18 27,7 6,1 13 6 6,0 3,3 9,3
По результатам расчета ЭПС на различные номиналы напряжения можно проследить следующие закономерности:
1. Масса электродвигателя стартера практически не зависит от номинального напряжения. Вариация массы в пределах ± 5 % может быть вызвана:
а) изменением теплового режима работы стартера (изменение плотности тока в обмотке якоря);
б) дискретностью изменения параметров оптимизации;
в) погрешностью расчета.
2. С ростом номинального значения напряжения пуска увеличивается число активных проводников обмотки якоря.
3. Так как ток якоря стартера с ростом номинального напряжения снижается, то при сохранении размеров щеточно-контактного узла плотность тока под щетками уменьшается, что должно несколько компенсировать ухудшения коммутации, вызванное ростом числа активных проводников обмотки якоря.
4. С увеличением напряжения емкость, необходимая для обеспечения заданной мощности ЭПС, уменьшается, причем это уменьшение происходит наиболее быстро при изменении напряжения до 18 В (рис. 1).
283
5. Наибольшее снижение массы аккумулятора наблюдается при увеличении номинального напряжения до 24 В, при дальнейшем увеличении напряжения масса АБ меняется незначительно.
6. Оптимальное значение номинального напряжения зависит от режима работы, на который рассчитывалась ЭПС, так для первого режима система достигает оптимума уже при 18 В, а для второго режима - при 30 В.
для режима холодного запуска ДВС
Таблица 2
Зависимость параметров электропусковой системы от номинального
напряжения для номинального режима работы стартера__
Номинальное напряжение пуска (В) Емкость АБ (А-ч) Ток стартера (А) Напряжение АБ в режиме пуска (В) Плотность тока в обмотке стартера (А/мм2) Число пазов якоря статора Число витков в секции обмотки якоря Масса АБ (кг) Масса стартера (кг) Масса ЭПС (кг)
12 44 390 7,5 8,4 17 1 14,0 3,8 17,8
18 25 240 10,6 8,9 7 3 12,0 3,8 15,8
24 18 180 14,0 8,1 19 2 11,5 3,8 15,3
30 14 140 17,2 7,7 7 7 11,0 3,8 14,8
36 12 120 21,0 10,9 7 7 11,5 3,5 15,0
42 10 100 24,0 9,8 7 8 11,0 3,6 14,6
48 9 85 28,4 11,6 11 6 11,5 3,5 15,0
Таким образом, можно констатировать, что увеличение номинального напряжения до определенного уровня (18 В для первого режима и 20 В - для второго) приведет к снижению массы ЭПС на (12...18)%. При дальнейшем увеличении номинального напряжения выигрыша в массе системы не будет.
Список литературы
1. Боровских Ю.И., Гутенев Н.И. Электрооборудование автомобилей: учебное пособие для втузов. Киев: Выща шк., 1988. 166 с.
2. Квайт С.М., Менделевич Я.А., Чижков Ю.П. Пусковые качества и системы пуска автотракторных двигателей. М.: Машиностроение, 1990. 255 с.
3. Дебелов В В., Иванов В В., Козловский В Н., Строганов В.И., Ютт В.Е. Электронная система регулирования скорости движения автомобиля в режимах поддержания и ограничения скорости // Грузовик. 2013. № 12. С. 19-23.
284
4. Козловский В.Н., Строганов В.И., Дебелов В.В., Пьянов М.А. Комплекс электронных систем управления движением легкового автомобиля с комбинированной силовой установкой // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2014. Часть 2. Т. 10. № 2. С. 19-28.
5. Kozlovski V.N., Petrovski A.V., Skripnuk D.F., Schepinin V.E., Telitsyna E. Intelligent diagnostic complex of electromagnetic compatibility for automobile ignition systems // Reliability, Infocom Technologies and Optimization (Trends and Future Directions). 6th International Conference ICRITO. 2017. P. 282-288.
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,
Шакурский Максим Викторович, канд. техн. наук, доцент, vigorsilentium@,mail.ru, Россия, Самара, Самарский государственный технический университет
COMPUTATIONAL AND STATISTICAL EXPERIMENT USING THE MONTE CARLO METHOD AS THE BASIS OF A QUALITY MANAGEMENT TOOL FOR TRANSPORT ELECTROMECHANICAL CONVERTERS
U.V. Brachunova, V.N. Kozlovsky, M.V. Shakursky
The article presents the results of a computational and statistical experiment using the Monte Carlo method conducted to establish the effect of the spread of the misalignment parameters of the stator and the EMF rotor on the output electrical characteristics of an automotive generator set.
Key words: misalignment, electromechanical converter, electrical equipment, car.
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,
Shakursky Maxim Viktorovich, candidate of technical sciences, docent, vigorsilenti-um@,mail.ru, Russia, Samara, Samara State Technical University
