Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Направления совершенствования конструкции стартерных электродвигателей 14
1.1. Особенности конструкции и условий работы стартерных электродвигателей 14
1.2. Подход к численному моделированию физических полей в стартерных электродвигателях 21
1.3. Уточненный расчет и совершенствование конструкции явнополюсных стартерных электродвигателей постоянного тока 27
1.4. Неявнополюсная конструкция индукторов стартерных электродвигателей постоянного тока с электромагнитным возбуждением 32
1.5. Свойства, характеристики и параметры постоянных магнитов и их применение в стартерных электродвигателях 35
1.6. Стартерные электродвигатели на основе машин переменного тока, вентильных и вентильно-индукторных двигателей 43
1.7. Выводы и постановка задач 46
ГЛАВА 2. Разработка и исследование неявнополюсных стартерных электродвигателей с повышенным пусковым моментом 49
2.1. Применение в стартерных электродвигателях неявнополюсного индуктора с распределенными обмотками возбуждения 49
2.2. Разработка математической модели неявнополюсного стартерного электродвигателя, способов формирования схем распределенных обмоток индуктора и их анализ 52
2.3. Разработка конструкции, расчет характеристик и оценка эффективности применения неявнополюсных стартерных электродвигателей. 58
2.4. Усовершенствованная неявнополюсная конструкция индуктора 71
2.5. Выводы
ГЛАВА 3. Разработка и исследование стартерных электродвигателей с высокоэнергетическими магнитами и улучшенными пусковыми свойствами при низких температурах 81
3.1. Разработка методики и компьютерной программы проектирования магнитоэлектрических стартерных электродвигателей 81
3.2. Применение высокоэнергетических магнитов NdFeB при модернизации индуктора стартерного электродвигателя 5702.3708 92
3.3. Разработка численных полевых моделей, определение коэффициентов бокового и торцевого рассеяния магнитов, исследование магнитных и тепловых полей стартерного электродвигателя с магнитами NdFeB - 98
3.4. Исследование характеристик магнитоэлектрических стартерных электродвигателей при разных температурных условиях работы, сравнительный анализ конструкций стартеров 120
3.5. Выводы 131
ГЛАВА 4. Модернизация и экспериментальные исследования характеристик стартерного электродвигателя 5702.3708 с применением высокоэнергетических магнитов 133
4.1. Модернизация индуктора стартерного электродвигателя 5702.3708
с применением магнитов NdFeB 133
4.2. Испытательная установка и методика определения характеристик стартерного электродвигателя 136
4.3. Результаты экспериментальных исследований стартерного электродвигателя 140
4.4. Выводы 146
Заключение 147
Литература
- Уточненный расчет и совершенствование конструкции явнополюсных стартерных электродвигателей постоянного тока
- Стартерные электродвигатели на основе машин переменного тока, вентильных и вентильно-индукторных двигателей
- Разработка математической модели неявнополюсного стартерного электродвигателя, способов формирования схем распределенных обмоток индуктора и их анализ
- Разработка численных полевых моделей, определение коэффициентов бокового и торцевого рассеяния магнитов, исследование магнитных и тепловых полей стартерного электродвигателя с магнитами NdFeB -
Введение к работе
Актуальность работы
Стоимость электрооборудования в автомобиле достигает трети его стоимости и постоянно возрастает. Четвертая часть неисправностей автомобилей связана с неисправностями электрооборудования. Число электрических машин в современных автомобилях достигает сотен: генераторы, стартеры, двигатели блокировки дверей, вентиляции и др. Наиболее мощным электромеханическим преобразователем в автомобилях с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) является стартерный электродвигатель. Мощность стартеров достигает 12 кВт. За год производится несколько миллионов стартеров. Стартерные электродвигатели работают в кратковременном режиме с предельными электромагнитными нагрузками при питании от источника соизмеримой мощности. Особенности их конструкции по сравнению с электродвигателями общепромышленного исполнения обусловлены совмещением с механизмом привода. Пуск ДВС может происходить при температурах воздуха от -50 0С до +50 0С. Температура в подкапотном пространстве летом может достигать +90 0С. Наиболее тяжело осуществляется пуск стартерами ДВС при низких температурах, когда вязкость моторного масла и момент сопротивления ДВС возрастают. При снижении температуры сопротивление аккумуляторной батареи возрастает, максимальный ток и отдаваемая мощность уменьшаются. Это приводит к снижению частоты вращения стартером ДВС и затрудненному его запуску.
В развитие современных конструкций и методов расчетов стартерных электродвигателей большой вклад внесли ученые: Боровских Ю.И., Брусенцов М.В., Болотников И.Е., Евсеев Е.В., Казаков Ю.Б., Квайт С.М., Менделевич Я.А., Мишин Д.Д., Петленко Ю.И., Пятаков И.Л., Чижков Ю.П., Фесенко М.Н., Филатов Б.С., Ютт В.Е. и другие.
Направления совершенствования и разработки стартерных электродвигателей с целью повышения их пусковых свойств могут заключаться в применении новых материалов, модернизации явнополюсной конструкции стартерных электродвигателей с электромагнитным возбуждением, переходе на неявнополюсную конструкцию индуктора, возбуждении от постоянных магнитов, создании интегрированных стартер-генераторов на основе вентильных асинхронных, синхронных и индукторных машин.
Разработкой специальных электрических машин постоянного тока – неявнополюсных с электромагнитным возбуждением, магнитоэлектрических и вентильных занимались ученые: Антипов В.Н., Афанасьев А.А., Бертинов А.И., Бут Д.А., Глебов И.А., Демирчян К.С., Иванов-Смоленский А.И., Кожевников В.А., Копылов И.П., Костырев М.Л., Кузнецов В.А., Ледовский А.Н., Нестерин В.А., Овчинников И.Е., Орлов И.Н., Скороспешкин А.И., Шереметьевский Н.Н. и другие.
При работе в стартере создаются физические поля - магнитное, электрическое, тепловое и механическое. Важно осуществлять оценку полей на стадии разработки стартерных электродвигателей. В электродвигателях с магнитами, обладающими термозависимыми магнитными свойствами необходим взаимоувязанный расчет магнитных и тепловых полей. Потери в стали и нагрев магнитопроводов зависят от потока магнита, тогда как его магнитные свойства зависят от температуры.
Таким образом, совершенствование конструкций, применение высокоэнергетических постоянных магнитов, разработка методики проектирования, системы расчета эксплутационных показателей и электромеханических характеристик стартерных электродвигателей с улучшенными пусковыми свойствами является актуальной научно-технической задачей.
Цель диссертационной работы - улучшение пусковых свойств стартерных электродвигателей при низких температурах на основе совершенствования конструкции и применения современных материалов.
Основные задачи
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 взаимосвязанных 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, в частности дифференциальные уравнения в частных производных, вариационное исчисление, элементы линейной алгебры и прикладной математики; численный метод моделирования магнитных и тепловых полей - метод конечных элементов; методы компьютерного анализа, автоматизированные методы проектирования; методы экспериментальных исследований опытных образцов.
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 электродвигателя, обладающего повышенным пусковым моментом.
Разработана методика, программа проектирования и расчета магнитоэлектрических стартерных электродвигателей с использованием результатов моделирования магнитных полей, которая позволяет определять эксплуатационные показатели и электромеханические характеристики стартеров при разных температурах, проводить их сравнительный анализ.
Разработаны численные конечноэлементные модели и исследованы взаимоувязанные магнитные и тепловые поля в стартерном электродвигателе с высокоэнергетическими магнитами, имеющих повышенные магнитные свойства при низких температурах, что позволило определить магнитное состояние и предельно достигаемые температуры элементов двигателя в разных режимах и при разных температурах пуска.
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, программа проектирования и расчета эксплуатационных показателей, электромеханических характеристик магнитоэлектрических стартерных электродвигателей при разных температурах, которые предлагается использовать при разработке современных систем электростартерного 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 температурах пуска.
Предложена конструкция и разработан электродвигатель с возбуждением от высокоэнергетических магнитов, обладающий улучшенными пусковыми свойствами при низких температурах, который рекомендуется использовать в перспективных системах электростартеров.
Результаты работы реализованы в виде рекомендаций в НТЦ ОАО «АвтоВАЗ» при разработке модернизированной электростартерной системы пуска, в виде результатов исследований в ОАО «ЗиТ» в практике разработок перспективных стартеров с повышенными пусковыми свойствами, при ремонте и модернизации электростартерной системы пуска на Сызранской СТО, в учебном процессе в Сызранском филиале Самарского государственного технического университета.
Обоснованность и достоверность результатов и выводов диссертации обеспечена строгим выполнением математических преобразований, использованием современных математических моделей и пакетов программ, принятием признанных допущений, подтверждением данных численного моделирования экспериментальными результатами измерения пусковых моментов, токов, частоты вращения и температур, изготовлением и испытанием опытной конструкции стартерного электродвигателя.
Основные положения, выносимые на защиту
Функционально ориентированные математические модели неявнополюсного стартерного электродвигателя с шихтованным сердечником, способы формирования и анализа распределенных обмоток индуктора и результаты исследования его свойств.
Методика, программа проектирования и расчета эксплуатационных показателей и электромеханических характеристик магнитоэлектрических стартерных электродвигателей с использованием результатов моделирования магнитных полей при разных температурах.
Частные математические модели и результаты исследования взаимоувязанных магнитных и тепловых полей в стартерном электродвигателе с высокоэнергетическими магнитами.
Результаты разработки и исследования стартерных электродвигателей с возбуждением от магнитов NdFeB с улучшенными пусковыми свойствами.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференции «Научный потенциал - XXI веку» (Сызрань, 2002 г.), XI, XII и XIII Международных конференциях "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (Иваново - 2005, 2006 и 2007 г.г.), XII Международной Плесской конференции по магнитным жидкостям (Плес – 2006 г.), II Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (Тольятти - 2007 г.), XIX Международной конференции "Материалы с особыми физическими свойствами и магнитные системы" (Суздаль - 2007 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных статей, докладов и тезисов, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.
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.
Уточненный расчет и совершенствование конструкции явнополюсных стартерных электродвигателей постоянного тока
Условия работы стартерного электродвигателя отличаются от условий работы электрических машин общего назначения. В соответствии с ГОСТ 18509-80, ОСТ 37.001.052-75 стартер должен обеспечивать надежный пуск двигателя автомобиля, т. е. запускать двигатель внутреннего сгорания, при использовании штатных аккумуляторных батарей, заряженных на 75%, не более чем за три попытки пуска продолжительностью 10-15 с каждая с интервалом между попытками 1 мин. Поэтому стартерные электродвигатели - машины кратковременного режима работы с длительностью (по ГОСТ 9944-77) 10 с для нормальных условий запуска и 15-20 с для запуска при пониженных температурах. Кратковременный цикл работы стартерных электродвигателей позволяет выполнить их высокоиспользованными - при мощности стартерного двигателя 0,7-9 кВт плотность тока в их обмотках может достигать (19-30) 106 А/м2, под щетками -(80-120) 10 А/м", линейная нагрузка - (2-5) 10 А/м, индукция в воздушном зазоре - 1,0 Тл. Магнитная система электродвигателя получается сильно насыщенной. Величина коэффициента полезного действия не превышает 60 %. С повышением температуры пуска сопротивление обмоток стартера возрастает. В процессе пуска происходит повышение температуры электролита батареи и обмоток стартера, изменение их сопротивлений.
Требования электропусковой системы делают необходимым выбор точки запуска вблизи максимальной мощности стартерного электродвигателя. Поэтому обычно внутреннее сопротивление батареи и сопротивление стартера стараются сделать близкими друг другу. Рабочая точка двигателя выбирается при токе от 50 % до 70 % величины тока короткого замыкания. Максимальная мощность зависит от внутреннего сопротивления батареи и сопротивления стартера, а, следовательно, от номинальной емкости, температуры электролита и степени заряженности батареи, температуры обмоток стартера, номера и продолжительности попытки пуска. В соответствии с ГОСТ 9944-77 за номинальную (каталожную) мощность стартера принимают максимальную полезную мощность в кратковременном режиме работы при питании от батареи, заданной емкости, при ее 100%-ной степени заряженности, при температуре электролита +25 С, на первой попытке пуска без учета падения напряжения на участке сети от батареи до зажимов стартера.
Стартер должен обеспечивать запуск ДВС при отрицательных температурах и при неполной заряженности аккумуляторной батареи. За пусковую мощность принимают максимальную мощность стартера в кратковременном режиме работы при питании от батареи, заданной емкости, при ее 75 %-ной степени заряженности, температуре электролита -15 С, в конце третьей попытки запуска, с учетом падения напряжения в соединительных проводах (0,2 В на 100 А пускового тока). Соотношение между пусковой и номинальной мощностями зависит от соотношения между емкостью батареи и мощностью стартера. Обычно пусковая мощность на 30-40% меньше номинальной.
В качестве стартерных электродвигателей обычно используются явнопо-люсные коллекторные двигатели постоянного тока, в основном с электромагнитным последовательным возбуждением. Для ограничения частоты вращения при холостом ходе могут применяться двигатели смешанного возбуждения. Шунтовую обмотку в этом случае располагают на одном полюсе (создавая несимметрию магнитного потока) или на двух полюсах одной полярности. Коллектор обычно выполняют с креплением пластин на пластмассе. Применение торцевого коллектора, например, у стартера 35.3708, позволяет уменьшить осевые размеры стартера. Корпус стартера выполняют из конструкционной магнитной стали. Диаметры корпусов стандартизованы: 70, 80, 90, 100, 105, 115, 130, 150, 180 мм. Для защиты якоря стартера от разрушения большими центробежными силами после запуска двигателя внутреннего сгорания в приводе стартера имеется муфта свободного хода. Стартеры закрепляются на двигателе внутреннего сгорания с помощью фланца или на «постели».
Штампованные сплошные полюсы крепят к корпусу винтами. Толщина полюсных наконечников у большинства отечественных автомобильных стартеров составляет 3 мм. Вылет полюсных наконечников значительно превосходит имеющиеся в литературе рекомендации для машин общепромышленного исполнения. Так, для стартера СТ221, вылет полюсного наконечника составляет 8,5 мм или 39 % ширины сердечника полюса. Традиционная магнитная цепь адекватна реальному распределению магнитного потока, если индукция в полюсных наконечниках не превышает 1,8-1,9 Тл. Согласно [63, 101] длина вылета полюсного наконечника не должна превышать 20 % ширины сердечника полюса, а толщина его выбирается такой, чтобы сечение не было чрезмерно насыщено, и определяется соотношением где В5цп - индукция в воздушном зазоре под центром полюса; Впн - индукция в полюсном наконечнике; Ьгн - ширина полюсной дуги; Ьгп - ширина сердечника полюса; кст - коэффициент заполнения сталью; lg, 1г - длины воздушного зазора и полюса.
Для стартерных электродвигателей вылет полюсных наконечников превышает рекомендации, следующие из этого соотношения. Так, для стартера СТ230Б они не должны превышать 4,6 мм, а в действительности составляют 9,3 мм, что в два раза больше. При существующем вылете наконечников толщина их по приведенной формуле должна быть не менее 4 мм, а на практике используется наконечник на 25 % тоньше. Следовательно, для расчета таких магнитных цепей необходимо учитывать магнитное сопротивление полюсных наконечников.
Стартерные электродвигатели на основе машин переменного тока, вентильных и вентильно-индукторных двигателей
В отличие явнополюсного, неявнополюсный стартерный электродвигатель имеет распределенные по пазам индуктора обмотки. Поэтому, математическая модель, предназначен а) б)
В неявнополюсном стартерном электродвигателе номинальный магнитный поток можно обеспечить, имея соответствующую магнитодвижущую силу ОВ и форму распределения намагничивающей силы в зазоре. Одним из основных параметров, определяющих использование внутреннего пространства в машине, является коэффициент полюсного перекрытия а. Его значение не должно быть больше, чем в явнополюсных стартерах, иначе возрастает доля потока возбуждения, проникающего в зону коммутации. Для неявнополюсного индуктора стартерного электродвигателя способов расчета а в общем виде при различным способом распределенных нескольких ОВ и КО не разработано.
В явнополюсном стартерном электродвигателе кроме последовательной ОВ для ограничения частоты вращения при холостом ходе применяется и небольшая параллельная ОВ (рис. 2.1, а), но редко обе обмотки располагаются на одних и тех же полюсах. Чаще параллельная ОВ располагается только на одном из полюсов, как например, в стартере СТ221, создавая при этом несимметрию магнитного потока. В неявнополюсном индукторе стартерного электродвигателя катушки последовательной ОВ можно располагать как в тех же, так и в других пазах (рис. 2.1, б) на всех полюсных делениях, что исключает магнитную несимметрию. В явнополюсных машинах коэффициент полюсного перекрытия параллельной ОСПАР И последовательной ссПос ОВ заданы формой полюса и равны между собой во всех режимах. В неявнополюсных машинах при разных распределениях параллельной и последовательной ОВ ОСПАР И otnoc могут различаться (рис. 2.1). Для такого случая тоже нет соотношений для расчета результирующего а.
Для определения индукций необходимо выполнить расчет магнитного поля стартера или провести анализ распределения МДС обмоток на основе распределения скалярного магнитного потенциала в зазоре. Скалярный потенциал в зазоре ф (у) является ступенчатой по пазам кривой изменения пазовых токов.
Вычерчивание ступенчатой кривой изменения скалярного потенциала при нескольких распределенных обмотках и определение по ней а затруднительно. Возможно использование матричных преобразований. Представим индукторные обмотки структурной матрицей N, состоящей из М столбцов - числа индукторных обмоток, и Z строк - числа пазов индуктора, в том числе и невырублен -54 ных, и содержащей в качестве элементов Njj - числа проводников і-той обмотки в j-том пазу. Для учета полярностей токов знак Njk может меняться. Если паз не вырублен Njj равен нулю.
Элементы матрицы-столбца скалярных потенциалов зубцовых делений ф, принимая за нулевое значение потенциал перед первым пазом, определяемые как сумма потенциала предыдущего зубцового деления и тока данного паза, могут быть получены как
Умножение этой матрицы на столбец соответствует операции последовательного суммирования элементов столбца.
С учетом линейной связи между МДС и индукцией в воздушном зазоре без учета влияния насыщения сердечников значение а, определяемое всеми обмотками индуктора, находится как
Если OB (параллельная и последовательная) неявнополюсного индуктора выполнены в виде концентрических катушек с разным распределением по пазам, то их а могут оказаться разными, но соотношения упрощаются. Так, если в индукторе по одной оси расположены распределенные М обмоток, то у каждой
Очевидно, что заданный а можно обеспечить разными способами распределения обмотки - изменяя шаги, число катушек и числа витков в них. Для смешанного возбуждения, распределяя параллельную и последовательную ОВ по-разному (с разными wiK, YiK, в разных пазах), можно обеспечить требуемое изменение формы магнитного поля и соответственно а с ростом нагрузки.
Формирование обмоток неявнополюсного индуктора, каждой со своим числом витков и проводом, должно предусматривать алгоритм распределения катушек обмоток по пазам, определение чисел витков в катушках и шагов катушек при заданных коэффициентах полюсного перекрытия и при коэффициентах заполнения пазов не выше предельного [48].
При однослойных концентрических обмотках для более равномерного распределения КО шаги желательно брать отличающимися на 4. Задаются YiKi шагами К; катушек М обмоток в виде целых чисел l Y;i Yicp YiKi ZB/(2p).
Возможные числа витков в катушках определяются из системы уравнений и по допустимому коэффициенту заполнения паза wil+wi2+... + wiKi=Wi; w-aYu + wi2Yi2 +.- + wiKiYiKi =та Если выбраны две катушки и определены их шаги, то можно однозначно рассчитать числа витков в катушках. При Kj 3 и определенным их шагам, дополнительно задаются значениями чисел витков в К;-2 катушках. Затем проверяется возможность выполнения обмотки с точки зрения обеспечения заданного а и рассчитываются числа витков в оставшихся катушках.
Для облегчения формирования схемы создана расчетная подсистема, в результате работы которой формируется таблица распределения витков обмоток, где для всех пазов приводится число витков в катушках каждой из обмоток индуктора, шаги катушек и коэффициенты заполнения пазов.
Разработка математической модели неявнополюсного стартерного электродвигателя, способов формирования схем распределенных обмоток индуктора и их анализ
В системах пуска начинают применяться стартерные электродвигатели с возбуждением от постоянных магнитов. Разработка такого электродвигателя требует наличия методики проектирования и расчета его характеристик. Оптимальным является использование автоматизированной компьютерной системы, объединяющей разные этапы разработки и расчетов. Применение автоматизации проектирования улучшает технико-экономические показатели объектов на 5-15 % [29, 98], повышает производительность труда, сокращает сроки проектирования [66, 91, 93, 99]. Однако, в литературе не было найдено методики проектирования стартерных электродвигателей с постоянными магнитами. Для проектирования и расчета характеристик таких магнитоэлектрических стартерных электродвигателей, сравнивания вариантов была доработана методика, в которой объединены соотношения, приведенные в [10, 18, 58, 60, 61, 97, 107].
Некоторые соотношения для определения параметров системы пуска стар-терного электродвигателя с постоянными магнитами приводятся ниже. Расчет ведем для температуры +20 С. Считаем заданными мощность и частоту вращения в номинальном режиме Рн, пн, напряжение батареи U, кратность тока в номинальном режиме к пусковому току к=1нЯп, остаточную индукцию и коэрцитивную силу магнита ВГ2о, Нсвго
Емкость аккумуляторной батареи выбирается по мощности С20 = f(Pa)-Так как принимается, что якорь не зависит от системы возбуждения, его конструкция и расчет, выбор величины зазора принимаются в соответствии с [18]. Диаметр якоря определяется по графикам Da =f(0.5PH /(k-n)), коэффициент полюсного перекрытия и электромагнитные нагрузки - в зависимости от диаметра якоря а, А,В5 =f(Da), зазор - в зависимости от диаметра якоря и частоты вращения 8 = f(Da,n).
Для выбранного типа магнита выбирают рабочую точку на кривой возврата магнита (индукцией Bd и напряженностью магнитного поля Hd в нейтральном сечении магнита), которая для максимального использования объема магнита должна быть в зоне максимальной удельной мощности магнита - для высококоэрцитивных и высокоэнергетических магнитов на середине прямой спинки размагничивания.
Задаются коэффициентами бокового и торцевого рассеяния магнита аб0К5 аторц. Эти коэффициенты могут быть известны или определены на основе расчетов магнитных полей. Поток магнита с учетом потоков бокового и торцевого рассеяния определяет поток индуктора, сцепленный с якорем в режиме холостого хода Фхх. Этот поток из-за влияния реакции якоря должен быть несколько больше ранее определенного потока Фн для номинального режима.
Поток магнита Фс1 = аторц а6ок Фн . Сечение магнита SM = ЬМ 1М=ФСІ / Bd . Ширину магнита Ьм задают по коэффициенту полюсного перекрытия, дли на магнита 1м обычно больше длины пакета якоря на величину вылета лобовых частей обмотки якоря Ьм ат, 1м 1а + 1апыл. Уточняют размеры магнита в соответствии с выпускаемыми. Поток магнита, проходящий по корпусу, по допустимой индукции позво ляет найти толщину корпуса и максимальную высоту (толщину) магнита. Тол щина корпуса hKopn = Фм / (2Вкорп 1корп) -84 Если bM = а т и 1м 1а, то полюсный наконечник не нужен. Выполняем расчет магнитной цепи. Из расчета находим суммарную намагничивающая силу Fy . МДС магнита должна быть больше Fy на величину размагничивающего действия реакции якоря, которая составляет 10-15 %, если щетки расположены на геометрической нейтрали. Но так как в нереверсивных стартерных электродвигателях для улучшения коммутации щетки сдвинуты с геометрической нейтрали на одно коллекторное деление против направления вращения, то кроме поперечной реакции якоря возникает и продольно-размагничивающая реакция якоря, что требует увеличения МДС магнита уже на 17-22 % . п+- число положительных пластин в аккумуляторе (п+=6); 1+0- ток короткого замыкания, приходящийся на одну положительную пластину при первой попытке пуска и температуре электролита Тэл =0 С; kb,kc,kd,ke - коэффициенты, учитывающие влияние на величину 1кз температуры электролита, степени разряженности батареи, числа попыток пуска и скорости снижения силы тока короткого замыкания в течение одной попытки пуска (приведены в [107]); тп продолжительность попытки пуска, с; zn - число 10-секундных попыток пуска.
Все расчетные соотношения объединены в методику проектирования и расчета электромеханических характеристик магнитоэлектрических стартерных электродвигателей. Методика алгоритмизирована, запрограммирована, отлажена и оформлена в виде компьютерной программы.
Система проектирования и определения характеристик магнитоэлектрического стартерного электродвигателя включает (рис. 3.1) в себя ряд взаимоувязанных подсистем поэтапного расчета, где подсистемы связаны между собой информационно, структурно-логически и методически.
Разработка численных полевых моделей, определение коэффициентов бокового и торцевого рассеяния магнитов, исследование магнитных и тепловых полей стартерного электродвигателя с магнитами NdFeB -
Максимальная мощность на валу снижается с 1650 Вт при температуре +20 С до примерно 650 Вт при температуре -30 С для обоих типов магнитов, так как подводимая электрическая мощность Р1 не зависит от величины магнитного потока магнитов. Небольшое отличие в Р2 для разных магнитов при температуре -30 С обусловлено различием в механических потерях и потерях в стали из-за отличающихся при этой температуре магнитных потоках магнитов NdFeB и ферритовых магнитов, а также отличающихся частот вращения.
Магнитный поток в стартере с магнитами NdFeB при снижении температуры с +20 С до -30 С в режиме холостого хода возрастает с Фххш+20 =6,0110" Вб до OxxNd-30=6,83 10"4 Вб, то есть на 13,6 %, тогда как в стартере с магнитами 28СА250 остается без изменения ФххФерри-г ОГЮ"4 Вб. Частота вращения идеального холостого хода (ток якоря 1а=0) в этом случае снижается для стартера с магнитами NdFeB с пХхш+20=2799 до пХхш-зо=2460 об/мин, то есть на 13,8 %, с температурным коэффициентом -0,276 %/С. Для стартера с ферритовыми магнитами она остается без изменения пХхФеррит=2799 об/мин.
Магнитный поток в стартере с магнитами NdFeB при пуске при температуре -30 С Фп Nd-зо =6,49 10"4 Вб и, соответственно пусковой момент Мп ш-зо = 10,67 Нм, по сравнению с магнитным потоком и пусковым моментом в стартере с ферритовыми магнитами (Фп ФерРит-зо=5,73 10"4 Вб, Мп ФЄРРИТ-ЗО=9,43 Нм) больше на 13,2 %. Пусковой ток в стартерах не зависит от типа магнитов и при температуре -30 С составляет 1П-зо 302 А, при температуре +20 С составляет 1п+2о=702 А.
Пусковой момент у стартера 5702.3708 с магнитами NdFeB при работе совместно с аккумуляторной батареей 6СТ55 при уменьшении температуры пуска с +20 С до -30 С снижается в 1,97 раза (MnNd+20 = 21,09 Нм, Мп ш -зо=Ю,67 Нм), то есть с температурным коэффициентом 3,94 %/С. Для стартеров с ферритовыми магнитами такое снижение больше - в 2,24 раза (Мп ФЄРРИТ+20 = 21,09 Нм, Мп Феррнт-зо=9,43 Нм), температурный коэффициент составляет 4,48 %/С. Это положительное явление для стартера 5702.3708 с магнитами NdFeB, так как пусковой ток аккумуляторной батареи с понижением температуры снижается, а возрастание магнитного потока постоянного магнита NdFeB в определённой степени компенсирует снижение пускового момента.
Все эти факты отражены на зависимостях частоты вращения и момента на валу от тока якоря, механических характеристиках (рис. 3.35, 3.36, 3.37).
Механические характеристики стартерных электродвигателей с разными магнитами при температуре пуска -30 С (рис. 3.37) имеют разный наклон. Механическая характеристика стартера с магнитами NdFeB более "мягкая", чем механическая характеристика стартера 5702.3708 с ферритовыми магнитами. Большая "мягкость" механической характеристики стартера с магнитами NdFeB обеспечивается, в том числе, противоположными температурными зависимостями сопротивления батареи и магнитных свойств магнита.
Механические характеристики стартерного электродвигателя: 1-е ферритовыми магнитами или магнитами NdFeB при температуре пуска +20 С; 2-е магнитами NdFeB при температуре пуска - 30 С; 3-е ферритовыми магнитами при температуре пуска - 30 С;
Обе механические характеристики пересекаются в середине, что примерно соответствует половинному току короткого замыкания, максимальной мощности и равенству мощностей на валу стартеров. Это свидетельствует о правильном выборе конструкции стартерного электродвигателя с магнитами NdFeB так, чтобы он соответствовал стартерному электродвигателю с ферритовыми магнитами в номинальном режиме. При других режимах, например, близких к режиму холостого хода, из-за отличающихся магнитных потоков при одинаковой частоте вращения, момент на валу стартера с магнитами NdFeB становится меньше, чем момент стартера с ферритовыми магнитами. При режимах, близких к режиму короткого замыкания, наоборот - при одинаковой частоте вращения момент на валу стартера с магнитами NdFeB становится больше, чем момент стартера с ферритовыми магнитами. Оба эти различия подчеркивают пре -126 имущества стартерного электродвигателя с магнитами NdFeB при холодном пуске, так как пусковой момент стартерного электродвигателя с магнитами NdFeB больше, а частота вращения при холостом ходе меньше, чем у стартерного электродвигателя с ферритовыми магнитами. С ростом температуры свойства магнитов падают, но снижается и сопротивление аккумуляторной батареи, что повышает пусковой ток и обеспечивает необходимый пусковой момент.
На рис.3.38 на механические характеристики стартерных электродвигателей с ферритовыми магнитами толщиной 9 мм и магнитами NdFeB толщиной 0,8 мм при температуре -30 С наложена зависимость момента сопротивления ДВС при той же температуре. Точки пересечения характеристик стартера и ДВС дают пусковую частоту вращения (см. раздел 1.1) пПфер - для двигателя с ферритовыми магнитами, пПш - Для двигателя с магнитами NdFeB. Момент сопротивления на коленчатом валу ДВС больше, а его частота вращения меньше чем у стартерного электродвигателя в i2—129/9=14.33 раза - передаточное число между шестерней стартера и шестерней маховика коленчатого вала.
Стартерный электродвигатель с ферритовыми магнитами при температуре -30 С обеспечивает пусковую частоту вращения коленчатого вала только 69,78 об/мин, а стартерный электродвигатель с магнитами NdFeB - 79,2, что на 13,5 % больше. Если учесть, что минимальная пусковая частота вращения для карбюраторных ДВС составляет: 40-70 об/мин, то вполне может оказаться, что при температуре-30 С стартерный электродвигатель с ферритовыми магнитами не сможет запустить ДВС, а стартерный электродвигатель с магнитами NdFeB сможет. Следовательно, обеспечивается более надежный запуск ДВС при низких температурах. Более того, стартерный электродвигатель с магнитами NdFeB будет иметь более низкую минимальную температуру пуска tmjn ДВС (см. раздел 1.1), чем стартерный электродвигатель с ферритовыми магнитами.
По разработанной методике и системе расчета определены пусковые моменты стартерных электродвигателей с ферритовыми магнитами и магнитами NdFeB при работе в системе пуска в зависимости от температуры пуска. На рис. 3.39 представлены эти графики. Очевидно повышение пускового момента для стартерного электродвигателя с магнитами NdFeB при температуре -30С по сравнению с двигателем с ферритовыми магнитами на 13,5 %, с сохранением одного и того же момента при температуре + 20 С и со снижением пускового момента при повышении температуры до +90 С на 3 % к моменту при температуре = +20 С и на 4 % к моменту двигателя с ферритовыми магнитами при температуре +90С. Следует отметить, что пусковой ток в системе электростар-терного пуска с аккумуляторной батареей емкостью 55 А ч уменьшается с 702 А при температуре + 20С до 302 А при температуре -30 С, что без учета изменения магнитного потока в зависимости от температуры и влияния реакции якоря пропорционально снижает электромагнитный момент.
