CC BY
5
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
CALCULATION STUDY OF THE TECHNICAL AND OPERATIONAL CHARACTERISTICS
OF A GENERATOR SET OF A PASSENGER CAR AT DIFFERENT LEVELS OF THE RATED VOLTAGE OF THE ON-BOARD NETWORK
U.V. Brachunova, V.N. Kozlovsky, M.V. Shakursky
The paper presents the results of a computational study of the technical and operational characteristics of a passenger car generator set at various levels of the rated voltage of the on-board network
Key words: passenger car, on-board electrical complex, generator set.
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
УДК 621.31
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-4-105-110
РАСЧЕТНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНИКО-ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ЛЕГКОВОГО АВТОМОБИЛЯ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УРОВНЯХ НОМИНАЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ БОРТОВОЙ СЕТИ
У.В. Брачунова, В.Н. Козловский, М.В. Шакурский
В работе представлены результаты расчетного исследования технико-эксплуатационных характеристик электродвигателей легкового автомобиля при различных уровнях номинального напряжения бортовой сети.
Ключевые слова: легковой автомобиль, бортовой электротехнический комплекс, электродвигатели.
Номенклатура электродвигателей, применяемых в настоящее время в бортовых системах автомобилей, достаточно велика. Она включает в себя двигатели мощностью от нескольких Вт до нескольких сотен Вт, причем работают они как в длительных, так и в кратковременных режимах. В подавляющем большинстве это коллекторные машины с возбуждением от постоянных магнитов или от электромагнитов с сериесным или шунтовым включением обмоток.
Примем для анализа, что при любом напряжении питания должны оставаться постоянными:
мощность на валу электродвигателя (Р2); частота вращения в номинальном режиме (пн); момент на валу электродвигателя (М2).
1. Объем активной части коллекторных электродвигателей определяется так называемой машинной постоянной [1].
р^гп _ б,1106 (1)
~ Рэ ~ а^АВб ( 1
где Рэ - электромагнитная мощность двигателя, Вт.
В уравнение непосредственно не входит напряжение питания. Анализ, подобный проведенному для генератора, в данном случае затруднен в связи с многообразием типов двигателей по возбуждению и сложностью уравнений связи. Поэтому для выявления влияния напряжения питания на эксплуатационные характеристики двигателей проведена серия расчетов характеристик и геометрических расчетов электродвигателей на разное напряжение питания с одинаковыми номинальными значениями выходных параметров.
Были выполнены электромагнитные расчеты двигателей мощностью 5, 35 и 110 Вт. Электродвигатель на 5 Вт рассчитывался с возбуждением от постоянных магнитов с сериесным электромагнитным возбуждением. Остальные - только с возбуждением от постоянных магнитов.
В табл. 1 и 2, в качестве примера представлена часть данных расчета двигателей мощностью 35 Вт с возбуждением от постоянных магнитов при шести значениях номинального напряжения питания в диапазоне 12...48 В. На рис. 1 построены рабочие характеристики этих двигателей.
Как показывают расчеты, зависимость эксплуатационных показателей двигателей от напряжения незначительна. С повышением напряжения наблюдается монотонное и очень небольшое уменьшение удельного объема, не превышающее во всем диапазоне 7% от значения при напряжении 12 В. в том же соотношении увеличиваются с повышением напряжения частота вращения и КПД двигателя. На наш взгляд эти изменения обусловлены естественными погрешностями расчета, связанными с дискретностью изменения некоторых величин (например, диаметра обмоточного провода) и несовершенством методики. Внешние габариты двигателей остаются неизменными.
Таблица1
Расчетные параметры электродвигателей_
Наименование параметра Значение параметра при напряжении, В
12 18 24 30 36 42 48
Мощность Р2, Вт 35 35 35 35 35 35 35
ЭДС якоря Е, В 9 13,5 18 18 27 31,5 35
Индукция в зазоре Вб, Тл 0,28 0,28 0,28 0,28 0,28 0,28 0,28
Рабочая индукция магнита Вм, Тл 0,308 0,308 0,308 0,308 0,308 0,308 0,308
Число проводников якоря 543 814 1086 1086 1629 1901 2073
Площадь паза, м2 4910-6 47-10-6 49-10-6 49-10-6 48-10-6 50-10-6 51-10-6
Сопротивление обмотки якоря, Ом 0,479 1,078 1,918 1,918 4,314 5,874 7,675
Ширина зоны коммутации Вк, м 0,014 0,014 0,014 0,014 0,014 0,014 0,014
Плотность тока под щетками, А/м2 96619 64412 48309 48309 32206 27605 24154
Диаметр якоря Да, м 0,0418 0,0418 0,0418 0,0418 0,0418 0,0418 0,0418
Длина пакета якоря, м 0,025 0,025 0,025 0,025 0,025 0,025 0,025
Нужно отметить, что для двигателей с различным напряжением питания ще-точно-коллекторный узел принимался неизменным. Это вносит погрешность в анализ, но оправдано на наш взгляд тем, что в реальном производстве эти узлы, как правило, унифицированы для двигателей нескольких номиналов. Основная же причина заключается в том, что уменьшение габаритов контактного узла с повышением напряжения нецелесообразно из условий обеспечения коммутационной надежности. С повышением
106
напряжения условия коммутации ухудшаются, так как растет суммарная ЭДС самоиндукции секции из-за увеличения числа ее витков [2]. Следовательно, повышается износ щеток и уменьшается ресурс их работы. Это в определенной степени может быть скомпенсировано уменьшением плотности тока под щеткой, что и происходит, если при разных напряжениях сечение щетки оставить неизменным.
1а, А ив
1ЯВ
24 Р
■ 34 К
_ _ —X" — . . - -Ж д «В 4ИВ
Рис. 1. Рабочие характеристики
Рабочие характеристики электродвигателей
Таблица 2
U = 12 B
Ia А 1,944 3,111 3,889 4,667 5,833
Ua В 0,932 1,492 1,865 2,238 2,797
Uщ В 0,800 0,800 0,800 0,800 0,800
Ua+ Цщ В 1,732 2,292 2,665 3,038 3,597
E В 10,270 9,708 9,335 8,962 8,403
Фб Вб 3,314Е-04 3,314Е-04 3,314Е-04 3,314Е-04 3,314Е-04
п об/мин 3423,000 3236,000 3112,000 2987,000 2801,000
Рэл Вт 3,369 7,130 10,360 14,180 20,980
Рст Вт 1,314 1,206 1,136 1,068 0,970
Рмех Вт 4,432 4,175 4,006 3,838 3,587
Р Вт 10,210 14,010 17,370 21,370 28,600
Р1 Вт 23,330 37,330 46,670 56,000 70,000
Р2 Вт 1,313 23,320 29,300 34,630 41,400
КПД 0,525 0,628 0,628 0,618 0,591
В табл. 3 представлены результаты расчетов двигателей мощностью 5 Вт с возбуждением от постоянных магнитов и сериесным электромагнитным возбуждением, а также двигателя мощностью 110 Вт с возбуждением от постоянных магнитов. Данные табл. 3 подтверждают несущественность влияния напряжения на массу и габариты двигателей. В последнем столбце табл. 3 даны значения объема активной части двигателей при различных напряжениях [3, 4]. Колебания объемов для магнитоэлектрических двигателей объясняется несколько разными значениями электромагнитных загрузок [5].
Для двигателей с сериесным возбуждением заметна устойчивая тенденция снижения активного объема при повышении напряжения, хотя и здесь электромагнитные загрузки электродвигателей несколько различны.
Таблица 3
Расчетные параметры электродвигателей __
ин, Рн, Пн, 2р возбужд к 8, П Z Г2, в2, Вс7, Вс1, П М2, ^акт,
В Вт об/мин мм мм мм А Ом Тл Тл Тл нм см
24 5 4000 2 ПМ 24 24 0,25 1600 9 8,52 14,5 1,4 0,87 1,29 0,38 1,28 14,0
48 5 4000 2 ПМ 25 25 0,25 2503 9 6,5 31,8 1,14 1,71 1,04 0,368 0,87 15,5
12 110 1600 2 ПМ 65 65 0,25 336 21 2,8 0,11 1,25 1,2 1,44 0,68 0,65 216
24 110 1600 2 ПМ 65 70 0,25 546 21 3,23 0,45 1,56 1,28 1,0 0,697 0,649 225
48 110 1600 2 ПМ 65 65 1,0 1357 21 2,89 1,86 1,45 1,59 1,12 0,744 0,7 216
12 5 4000 2 сериес. 32 29 0,25 533 9 7,2 1,8 1,48 1,1 1,0 0,3 1,45 29,8
24 5 4000 2 сериес. 28 28 0,25 1080 9 7,0 5,05 1,41 0,56 1,02 0,58 1,29 22,0
48 5 4000 2 сериес. 26 26 0,25 2433 9 5,57 23,8 1,47 0,88 1,19 0,327 1,32 17,5
Таким образом, расчеты показывают, что активные размеры электродвигателей с возбуждением от постоянных магнитов практически мало зависят от уровня номинального напряжения. У двигателей с сериесным электромагнитным возбуждением объем активных материалов при повышении напряжения снижается. Однако с ростом напряжения коммутационная надежность коллекторно-щеточного узла становится ниже.
Список литературы
1. Вольдек А.И., Попов В.В. Электрические машины. Введение в электромеханику. Машины постоянного тока и трансформаторы: учеб. для вузов. СПб-Пи.: Питер, 2008. 320 с.
2. Ермолин Н.П. Электрические машины малой мощности. Издательство «Высшая школа». Издание второе, 1967. 504 с.
3. Козловский В.Н., Заятров А.В. проблема стратегического планирования улучшения качества и надежности системы электрооборудования автомобилей // Электроника и электрооборудование транспорта. 2012. № 1. С. 44-47.
4. Строганов В.И., Козловский В.Н. Итоги и перспективы развития электромобилей и автомобилей с гибридными силовыми установками // Электроника и электрооборудование транспорта. 2012. № 2-3. С. 2-8.
108
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. С. 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 STUDY OF TECHNICAL AND OPERATIONAL CHARACTERISTICS OF ELECTRIC MOTORS OF AUXILIARY SYSTEMS OF A PASSENGER VEHICLE AT DIFFERENT LEVELS OF THE RATED VOLTAGE OF THE ON-BOARD NETWORK
U.V. Brachunova, V.N. Kozlovsky, M.V. Shakursky
The paper presents the results of a computational study of the technical and operational characteristics of passenger car electric motors for various voltage characteristics of the on-board network.
Key words: passenger car, on-board electrical complex, electric motors.
Brachunova Uliana Viktorovna, postgraduate, [email protected], Russia, Samara, Samara State Technical University,
Kozlovsky Vladimir Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, head of the department, Kozlovskiy- 76@mail. ru, Russia, Samara, Samara State Technical University,
Shakursky Maxim Viktorovich, candidate of technical Sciences, docent, [email protected], Russia, Samara, Samara State Technical University
