Разработка и исследование стартерных электродвигателей с повышенными пусковыми свойствами при низких температурах

Актуальность проблемы.

Процесс создания автомобилей нового поколения — экономичных, безопасных, комфортных, — напрямую связан с электрификацией автомобиля и, в первую очередь, с внедрением энергоемких потребителейнового типа. Стоимость электрооборудования в автомобиле достигает трети стоимости всего автомобиля и имеет тенденцию к возрастанию. Число различных электродвигателей в современных автомобилях класса «Люкс» может достигать сотен: генераторы, стартеры для пуска двигателя внутреннего сгорания, двигатели блокировки дверей, вентиляции, отопления, предпускового подогрева двигателя внутреннего сгорания, подачи топлива, перемещения антенны и стекол, изменения положения сидений и зеркал, привода стеклои фароочистки и др. Четвертая часть всех эксплуатационных неисправностей автомобилей связана с неисправностями элементов электрооборудования. Таким образом, бурный рост автомобилизации, числа электродвигателей в автомобилях, их мощности повышает актуальность разработки новых, более совершенных конструкций автомобильных электродвигателей, применения в них современных материалов.

Наиболее мощным электромеханическим преобразователем в автомобилях с двигателями внутреннего сгорания является* стартерный электродвигатель. Мощность выпускаемых стартеров достигает 12 кВт. Характеристики стартерных электродвигателей определяют качество пусковой системы автомобиля. Объем выпуска стартеров для легковых автомобилей достигает нескольких миллионов штук в год. Стартерные электродвигатели работают с предельными электромагнитными нагрузками и обладают специфическими конструктивными особенностями по сравнению с электродвигателями общепромышленного исполнения.

Наиболее сложно осуществляется пуск стартерами двигателя внутреннего сгорания при низких температурах, когда вязкость моторного масла двигателя внутреннего сгорания и, соответственно, момент сопротивления возрастают.

При снижении температуры электролита аккумуляторной батареи ее внутреннее сопротивление, ток короткого замыкания и отдаваемая мощность уменьшаются. Механическая характеристика стартерного электродвигателя в этих условиях располагается ниже, что приводит к снижению пусковой частоты вращения двигателя внутреннего сгорания и затрудненному его запуску. В некоторых случаях для облегчения холодного пуска применяют предпусковой подогрев моторного масла двигателя внутреннего сгорания. Поэтому, разработка стартерных электродвигателей, обладающих повышенными пусковыми свойствами, особенно при низких температурах, является актуальной задачей.

В развитие современных конструкций и методов расчетов стартерных электродвигателей для запуска автомобильных двигателей внутреннего сгорания большой вклад внесли, в алфавитном порядке, Анисимов В. М., Боровеких Ю. И., Болотников И. Е., Брусенцов М. В., Евсеев Е. В., Казаков Ю. Б., Квайт С. М., Менделевич Я. А., Мишин Д. Д., Петленко Ю. И., Пятаков И. Л., ЧижковЮ.П., Фесенко М. Н., Филатов Б. С., ЮттВ.Е. и другие.

Направления совершенствования стартерных электродвигателей с целью повышения их пусковых свойств заключаются в.

— применении новых материалов;

— модернизации традиционной конструкции явнополюсных двигателей постоянного тока с электромагнитным возбуждением;

— изменении конструкции индуктора и переходе на неявнополюсную конструкцию;

— использовании систем возбуждения с постоянными магнитами;

— разработке интегрированных стартер — генераторов встраиваемого исполнения на основе асинхронных машин, вентильных и вентильно — индукторных машин.

Два последних направления при бортовой сети автомобиля постоянного тока требуют наличия достаточно сложных и мощных активных полупроводниковых преобразователей и могут быть эффективны при напряжении бортовой сети 42 В. Появление на рынке новых постоянных высокоэнергетических магнитов, например, на основе соединений NdFeB, и использование их в системе возбуждения стартеров позволяет существенно снизить их массогабаритные показатели.

Разработкой специальных электрических машин — неявнополюсных конструкций машин постоянного тока, машин с постоянными магнитами, машин для работы совместно с полупроводниковыми преобразователями занимались ведущие ученые Антипов В. Н., Бертинов А. И., Бут Д. А., Глебов И. А., Демир-чян К.С., Иванов-Смоленский А.И., Кожевников В. А., Копылов И. П., Косты-рев М.Л., Кузнецов В. А., Дедовский А. Н., Нестерин В. А., Овчинников И. Е., Орлов И. Н., Скороспешкин А. И., Шереметьевский Н. Н. и многие другие.

Работа стартерного, как и любого другого, электродвигателя характеризуется созданием физических полей — магнитного, электрического, теплового и механического. Эти поля определяют рабочие свойства и срок службы стартера. Важно осуществлять оценку полей на стадии разработки конструкции. Полевой анализ электродвигателей особенно актуален в случаях наличия конструктивных особенностей, использования новых конструкций и материалов, а также предельных электромагнитных нагрузок, что характерно для стартерных электродвигателей.

В стартерных электродвигателях физические поля существуют одновременно и являются взаимозависимыми. Взаимосвязь полей проявляется во влиянии параметров одних полей на характеристики сред и возбуждающие факторы других полей. Такое влияние может быть существенным. Например, для высокоэнергетических постоянных магнитов NdFeB характерны невысокая рабочая температура и сильная зависимость магнитных свойств от температуры. Изменение температуры существенно влияет на характеристику размагничивания постоянных магнитов на основе NdFeB, что требует взаимосвязанного термомагнитного анализа полей таких электрических машин. Действительно, потери в стали и температуры в двигателе зависят от магнитного потока, а свойства магнита зависят от температуры. Кроме того, характеристики аккумуляторной батареи и, соответственно, напряжение на стартере, также сильно зависят от температуры. Поэтому актуальным является анализ магнитных и тепловых полей в стартерных электродвигателях, особенно с возбуждением от высоэнерге-тических магнитов.

Пуск стартера при работе совместно с аккумуляторной батареей может происходить при температурах окружающей среды от -50 °С (холодный запуск), до +50 °С. Температура в подкапотном пространстве летом после продолжительной работы двигателя внутреннего сгорания может достигать +90 °С. В соответствии с этим необходима разработка методики, системы проектирования и расчета характеристик магнитоэлектрических стартерных электродвигателей в электропусковой системе при разных температурных условиях работы.

Завершающим элементом разработки электрических машин является экспериментальное исследование созданных опытных образцов и опытная проверка предложенных конструкций усовершенствованных стартерных электродвигателей. Для испытаний целесообразно использование стандартных и метрологически аттестованных стендов.

Таким образом, разработка и исследование улучшенных конструкций стартерных электродвигателей с применением современных материалов, обладающих повышенными пусковыми свойствами при низких температурах, является актуальной научной проблемой.

Актуальность проблемы позволяет сформулировать цель диссертацииулучшение пусковых свойств стартерных электродвигателей при низких температурах на основе совершенствования конструкции и применения современных материалов.

Поставленная цель требует решения следующих основных задач: Разработать и проанализировать неявнополюсную конструкцию шихтованного индуктора с распределенными обмотками возбуждения для повышения пускового момента стартерного электродвигателя.

Разработать методику, программу проектирования и расчета эксплуатационных показателей и электромеханических характеристик магнитоэлектрических стартерных электродвигателей на основе моделирования магнитных полей при разных температурах.

Выполнить исследования стартерных электродвигателей в разных режимах и при разных температурах пуска на основе моделирования магнитных и тепловых полей.

Для повышения пускового момента стартерного электродвигателя при низких температурах разработать, исследовать и испытать двигатель с высокоэнергетическими магнитами.

Методы исследований.

Использованы методы математического анализа, численного моделирования, испытаний опытных образцовэлементы теории матричного анализаавтоматизированные методы проектированиямоделирование на персональном компьютеречисленный метод моделирования магнитных и тепловых полейметод конечных элементовметоды экспериментальных исследований.

Научная новизна работы:

Разработаны математические модели, способы формирования и анализа распределенных обмоток индуктора неявнополюсного стартерного электродвигателя с шихтованным сердечником, на основе которых выполнено исследование свойств двигателя, обладающего повышенным пусковым моментом.

Разработана методика, программа проектирования и расчета магнитоэлектрических стартерных электродвигателей с использованием результатов моделирования магнитных полей, которая позволяет определять их эксплуатационные показатели и электромеханические характеристики конструкций при разных температурах, проводить сравнительный анализ стартеров.

Разработаны численные модели и исследованы взаимоувязанные магнитные и тепловые поля в стартерном электродвигателе с высокоэнергетическими магнитами, имеющими повышенные магнитные свойства при низких температурах, что позволило определить магнитное состояние и предельно достигаемые температуры элементов двигателя в разных режимах и при разных условиях пуска.

Разработан и исследован стартерный электродвигатель с возбуждением от магнитов NdFeB, обладающий улучшенными пусковыми свойствами при низких температурах.

Практическая значимость работы:

Предложена конструкция неявнополюсного стартерного электродвигателя с шихтованным сердечником индуктора и распределенными обмотками возбуждения, которая использована при разработке стартеров с повышенным пусковым моментом.

Разработаны методика, компьютерная программа проектирования и расчета эксплуатационных показателей, электромеханических характеристик магнитоэлектрических стартерных электродвигателей при разных температурах, которые предлагается использовать при разработке современных систем элек-тростартерного пуска, в учебном процессе ВУЗов при подготовке специалистов по электромеханике и электрооборудованию автомобилей.

Результаты исследований магнитных и тепловых полей в стартерных электродвигателях с магнитами NdFeB рекомендуется использовать для совершенствования конструкций индукторов, определения магнитного состояния и максимально достижимых температур элементов стартера в разных режимах и при разных условиях пуска.

Предложены конструкции стартерного электродвигателя с высокоэнергетическими магнитами, имеющими повышенные магнитные свойства при низких температурах, которые рекомендуется использовать при разработке перспективных стартеров с повышенным пусковым моментом при низких температурах.

Реализация результатов работы:

В научно-техническом центре ОАО «АвтоВАЗ» использованы результаты исследований и рекомендации для разработок модернизированной электро-стартерной системы пуска с повышенной надежностью запуска.

В ОАО «Завод им. Тарасова», осуществляющем разработку и производство стартеров, использованы результаты исследований в практике разработок перспективных стартеров с повышенными пусковыми свойствами.

В практике ремонта и модернизации электростартерной системы пуска двигателей внутреннего сгорания автомобилей на Сызранской станции технического обслуживания.

В учебный процесс и научную работу студентов Сызранского филиала ГОУ ВПО Самарский государственный технический университет, обучающихся по специальностям кафедр «Электромеханика и промышленная автоматика» и «Ремонт и эксплуатация автомобилей», внедрена разработанная компьютерная система проектирования и расчета характеристик стартерных электродвигателей в электростартерной системы пуска двигателей внутреннего сгорания легковых автомобилей.

Обоснованность и достоверность результатов и выводов диссертации обеспечена строгим выполнением математических преобразований, использованием современных математических моделей и пакетов программ, использованием общепринятых допущений, подтверждением данных численного моделирования экспериментальными исследованиями, изготовлением и испытанием опытной конструкции стартерного двигателя, применением метрологически аттестованных средств проведения эксперимента, совпадением расчетных и экспериментальных результатов измерения температур, пусковых моментов и частоты вращения стартерного электродвигателя в лаборатории Сф СамГТУ и Сызранской СТО.

Основные положения, выносимые на защиту:

Математические модели, способы формирования и анализа распределенных обмоток индуктора неявнополюсного стартерного электродвигателя с шихтованным сердечником и результаты исследования его свойств.

Методика, компьютерная программа проектирования и расчета эксплуатационных показателей, электромеханических характеристик магнитоэлектрических стартерных электродвигателей с использованием результатов моделирования магнитных полей при разных температурах.

Численные модели и результаты исследования взаимоувязанных магнитных и тепловых полей в стартерном электродвигателе с высокоэнергетическими магнитами, имеющими повышенные магнитные свойства при низких температурах в разных режимах и при разных температурах пуска.

Результаты разработки и исследования стартерного электродвигателя с возбуждением от магнитов NdFeB и улучшенными пусковыми свойствами при низких температурах.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XI, XII и XIII Международных конференциях «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (г. Иваново — 2005, 2006 и 2007 г.), XII Международной Плесской конференци по магнитным жидкостям (г. Плес — 2006 г.), II Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (г. Тольятти — 2007 г.), XIX Международной конференции «Материалы с особыми физическими свойствами и магнитные системы» (г. Суздаль — 2007 г.).

Работа докладывалась и обсуждалась на расширенном заседании кафедры -«Электромеханика и промышленная автоматика» Сызранского филиала Самарского государственного технического университета.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных статей, докладов и тезисов докладов [21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 71], в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для публикаций результатов кандидатских диссертаций [21, 24, 27].

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 166 страницах и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 116 наименований, приложений, включает 82 рисунка и 10 таблиц.

4.4. Выводы.

1. Предложенная модернизация индуктора стартерного электродвигателя 5702.3708 с применением высокоэнергетических магнитов NdFeB практически реализуема, стартерный электродвигатель изготовлен и работоспособен.

2. Доработанная и отлаженная для опытного подтверждения эффективности модернизированной конструкции индуктора стартерного электродвигателя установка позволяет снимать по предложенной технологии характеристики стартера.

3. Результаты экспериментальных исследований подтвердили эффективность применения модернизированной конструкции индуктора стартерного электродвигателя с высокоэнергетическими магнитами NdFeB для улучшения пусковых свойств стартеров при низких температурах пуска.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основные научные теоретические и практические результаты, выводы диссертации при решении проблемы разработки и исследования стартерных электродвигателей с улучшенными пусковыми свойствами при низких температурах заключаются в следующем:

1. Для повышения пусковых свойств стартерных электродвигателей при низких температурах целесообразно совершенствование индуктора явнополюсных двигателей постоянного тока с электромагнитным возбуждением, переход на неявнополюсную конструкцию индуктора, применение возбуждения от высокоэнергетических магнитов.

2. Разработаны математические модели и конструкция неявнополюсного стартерного электродвигателя с шихтованным индуктором и распределенными обмотками возбуждения, способы формирования схем индукторных обмоток. На их основании выполнен анализ пусковых свойств неявнополюсных стартерных электродвигателей.

3. Отсутствие полюсных наконечников в конструкции индуктора, по сравнению с явнополюсной конструкцией, с последовательным возбуждением исключает насыщение наконечников в пусковых режимах и обеспечивает больший магнитный поток и момент при пуске. Применение шихтованного сердечника индуктора исключает демпфирование основного магнитного потока в момент пуска, характерное для явнополюсных электродвигателей со стороны сплошных полюсов и корпуса, и увеличивает пусковой момент.

4. Увеличение насыщения магнитной цепи в неявнополюсных стартерных электродвигателях с последовательным возбуждением в режиме пуска приводит к росту коэффициента полюсного перекрытия, что противоположно явлению в явнополюсных стартерах. При смешанном возбуждении в неявнополюсных стартерных электродвигателях и при коэффициенте полюсного перекрытия параллельной обмотки возбуждения меньшем коэффициента полюсного перекрытия последовательной обмотки в режиме пуска дополнительно возрастают магнитный поток и момент.

5. Усечение наружной поверхности сердечника неявнополюсного индуктора стартерных электродвигателей, объединение распределенных последовательной и компенсационной обмоток позволяют снизить расход обмоточного провода, получить экономию стали, улучшить коммутацию, закреплять стартер на «постели», образованной внешними усечениями сердечника.

6. Разработана методика, программа проектирования и расчета магнитоэлектрических стартерных электродвигателей с использованием результатов моделирования магнитных полей, позволяющая определять показатели и электромеханические характеристики магнитоэлектрических стартеров при разных температурах и проводить сравнительный анализ стартеров.

7. Разработаны численные модели, рассчитаны и исследованы взаимоувязанные магнитные и тепловые поля в стартерном электродвигателе с высокоэнергетическими магнитами, имеющими повышенные магнитные свойства температурах, что приводит к возрастанию магнитного потока в стартере при снижении температуры. Определено магнитное состояние и предельно достигаемые температуры элементов двигателя в разных режимах и при разных температурах пуска. Установлено, что для номинальных режимов работы температура магнитов NdFeB не превышает максимально допустимую.

8. Разработан, изготовлен и исследован стартерный электродвигатель с магнитами NdFeB, обладающий улучшенными пусковыми свойствами при низких температурах.

9. Объем магнитов NdFeB в стартерах 5702.3708 может быть снижен до 12,5 раз, по сравнению с объемом магнитов 28СА250, что позволяет уменьшить наружный диаметр корпуса на 25,8% (80 мм и 63,6 мм) или на один габарит.

10. Повышенные магнитные свойства при низких температура магнитов NdFeB позволяют в стартерных электродвигателях при низких температурах пуска повысить на 13,5% магнитный поток, изменяемый с температурным коэффициентом -0,276%/°С, что обеспечит больший на 13,5% пусковой момент и на столько же меньшую частоту вращения при холостом ходе.

11. Пусковой момент стартера 5702.3708 с магнитами NdFeB при работе с аккумуляторной батареей 6СТ55 при уменьшении температуры пуска с +20 °С до -30 °С снижается в 1,97 раза, с температурным коэффициентом 3,94%/°С. Для стартеров с магнитами 28СА250 пусковой момент снижается в 2,24 раза, температурный коэффициент 4,48%/°С.

12. Стартерный электродвигатель с магнитами NdFeB имеет пусковую частоту вращения при температуре -30 °С на 13,5% большую и более низкую минимальную температуру пуска, чем стартер с магнитами 28СА250, что обеспечивает более надежный запуск двигателя внутреннего сгорания при низких температурах.

13. Температурный режим стартерных электродвигателей с ферритовыми магнитами более напряженный, чем с магнитами NdFeB, так как коэффициент теплопроводности магнитов NdFeB в 3,6 раза выше. Перепад температур по массиву ферритовых магнитов достигает 10 °C, а с магнитами NdFeB — 0,7 °С.

14. Выполнен сравнительный анализ показателей стартеров разных конструкции при температурах пуска +20 °С и -30 °С. Стартерный электродвигатель с электромагнитным возбуждением имеет наибольшие габариты, но наименьшую стоимость. Стартерный электродвигатель с магнитами NdFeB имеет такую же стоимость, что и двигатель с ферритовыми магнитами.

15. Результаты экспериментальных исследований подтвердили эффективность применения высокоэнергетических магнитов NdFeB для улучшения пусковых свойств стартерных электродвигателей при низких температурах.