Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ электростартерных систем пуска двигателей внутреннего сгорания и направления их совершенствования 13
1.1. Анализ условий пуска двигателей внутреннего сгорания и требования, предъявляемые к системам пуска 13
1.2. Электростартерные системы пуска двигателей внутреннего сгорания, особенности их работы и направления совершенствования с целью улучшения пусковых свойств 15
1.3. Параметры аккумуляторных батарей 21
1.4. Стартерные электродвигатели, применяемые в системах пуска 27
1.5. Подход к моделированию процесса пуска двигателей внутреннего сгорания электростартерной системой 36
Выводы по главе 1 и постановка задач 41
ГЛАВА 2. Разработка системы моделирования динамических режимов электростартерных систем пуска двигателей внутреннего сгорания 44
2.1. Математическая модель электростартерной системы пуска с магнитоэлектрическими стартерами 44
2.2. Возможность улучшения пусковых характеристик электростартерной системы путем применения в стартерах магнитов с зависимыми от температуры магнитными свойствами 47
2.3. Разработка структурно-функциональной схемы имитационного моделирования динамических режимов электростартерной системы 48
2.4. Моделирование свойств аккумуляторной батареи и условий пуска 51
2.5. Разработка структурно-функциональных схем задания в системе моделирования индуктивности и магнитного потока стартера 55
2.6. Моделирование момента инерции вращающихся частей и момента сопротивления двигателя внутреннего сгорания при пуске 63
Выводы по главе 2 70
ГЛАВА 3. Разработка усовершенствованной электростартернои системы и моделирование физических полей, возникающих в стартерах при пуске двигателей внутреннего сгорания . 71
3.1. Разработка усовершенствованной электростартернои системы на основе применения в стартерах высокоэнергетических магнитов с зависимыми от температуры магнитными свойствами 71
3.2. Численное моделирование магнитных и тепловых полей, возникающих в стартерах при пуске двигателя внутреннего сгорания . 76
3.3. Взаимодействие систем моделирования нестационарных магнитных и тепловых полей в стартерах и переходных процессов в электростартернои системе пуска двигателя внутреннего сгорания 87
3.4. Исследование изменения при пуске двигателя внутреннего сгорания магнитных потоков в стартерах при разных температурах 89
Выводы по главе 3 105
ГЛАВА 4. Исследование динамических режимов и электромеханических характеристик усовершенствованной электростартернои системы пуска двигателей внутреннего сгорания 107
4.1. Исследование динамических режимов работы и электромеханических характеристик усовершенствованной электростартернои системы при разных температурах пуска 108
4.2. Анализ изменения теплового состояния магнитоэлектрических стартеров при пуске двигателя внутреннего сгорания 123
4.3. Экспериментальное исследование электромеханических характеристик усовершенствованной электростартернои системы пуска 131
Выводы по главе 4 138
Заключение 140
Литература 142
Приложения 155
- Электростартерные системы пуска двигателей внутреннего сгорания, особенности их работы и направления совершенствования с целью улучшения пусковых свойств
- Разработка структурно-функциональной схемы имитационного моделирования динамических режимов электростартерной системы
- Численное моделирование магнитных и тепловых полей, возникающих в стартерах при пуске двигателя внутреннего сгорания
- Анализ изменения теплового состояния магнитоэлектрических стартеров при пуске двигателя внутреннего сгорания
Введение к работе
Актуальность работы. Улучшение условий эксплуатации автомобилей может быть достигнуто совершенствованием электротехнических систем. Для пуска автомобильных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) применяют электростартерные системы пуска (ЭСП), содержащие аккумуляторную батарею, электромагнитное тяговое реле, стартер, реле блокировки, редукторы и другие элементы. ЭСП должна разогнать ДВС в динамическом режиме и вращать его в течение некоторого времени с пусковой частотой вращения, не ниже минимально требуемой. Допускается запуск ДВС за несколько попыток пуска, т.е. работа в повторно-кратковременном режиме. Ограниченная мощность аккумуляторной батареи требует быстрого и гарантированного запуска ДВС, т.е. ЭСП должны иметь высокие динамические показатели - малое время разгона ДВС и большую достигаемую пусковую частоту вращения. Для работы от аккумуляторной батареи в качестве стартеров в настоящее время применяют магнитоэлектрические электродвигатели постоянного тока с фер-ритовыми магнитами. Объем выпуска ЭСП значителен и определяется объемом выпуска автомобилей. Неисправности ЭСП автомобилей ВАЗ-2110 в гарантийный период достигают 18 % всех неисправностей. При работе ЭСП в динамических режимах возникают взаимосвязанные переходные процессы: электромагнитные переходные процессы в электрических и магнитных цепях, механический процесс разгона стартером ДВС, переходной тепловой процесс нагрева элементов ЭСП. В процессе пуска изменяются ток в ЭСП и реакция якоря в стартере, возникает нестационарное электромагнитное поле, наводятся вихревые токи в массивных проводящих элементах конструкции. Все это воздействует на магнитный поток магнитов. Результирующий поток определяет электромагнитный момент и динамические показатели ЭСП. Во время нестационарного теплового процесса могут изменяться параметры термочувствительных элементов ЭСП. Нагрев не должен превышать предельно допустимых температур. Запуск ДВС должен осуществляться в широком диапазоне температур. При снижении температуры запуск осложняется - мощность аккумуляторной батареи уменьшается, минимально требуемая пусковая частота вращения, вязкость моторного масла, момент сопротивления ДВС и время разгона возрастают, изменяются сопротивления элементов ЭСП.
Для совершенствования ЭСП с целью улучшения динамических показателей в пусковых режимах, особенно при низких температурах, перспективно применение в стартерах магнитов с возрастающим магнитным потоком при снижении температуры. При низких температурах пуска за счет увеличенного магнитного потока будет создаваться больший электромагнитный момент, что приведет к более быстрому разгону ДВС, большей пусковой частоте вращения, т.е. улучшению динамических свойств ЭСП и гарантированному запуску ДВС.
Разработкой специальных электротехнических систем занимались Бертинов А.И., Глебов И.А., Демирчян К.С., Иванов-Смоленский А.В., Нестерин В.А,. Овчинников И.Е., Орлов И.Н., Шереметьевский Н.Н. и другие. В развитие ЭСП и методов расчета установившихся режимов работы большой вклад внесли Акимов СВ., Боровских Ю.И., Брусенцов М.В., Болотников И.Е., Казаков Ю.Б., КвайтС.М., Литвиненко В.В., Менделевич Я.А., Мишин Д.Д., Петленко Ю.И., Чижков Ю.П., Евсеев Е.В., Пятаков И.Л., Фесенко М.Н., Филатов Б.С, Ютт В.Е. и др. Однако разработка ЭСП на основе применения в стартерах магнитов с зависимыми оттемпера-
туры магнитными свойствами, моделирование и исследование динамических режимов работы ЭСП при пуске, в старт-стоповом режиме, с учетом меняющихся параметров аккумуляторной батареи, стартера и других элементов ЭСП в процессе пуска к настоящему времени не выполнялись. Целесообразно компьютерное моделирование динамических режимов работы ЭСП с учетом влияния температуры на параметры пуска, использование численных моделей нестационарных электромагнитных и тепловых полей, организации взаимодействия систем расчета переходных электромеханических процессов и нестационарных физических полей.
Таким образом, совершенствование ЭСП путем применения элементов с термозависимыми свойствами, обеспечивающими сокращение времени разгона ДВС и повышенную пусковую частоту вращения при низких температурах, моделирование и исследование динамических режимов работы таких ЭСП с учетом изменения параметров в процессе пуска является актуальной проблемой.
Актуальность проблемы позволяет сформулировать цель диссертации - улучшение динамических характеристик электростартернои системы пуска двигателей внутреннего сгорания на основе применения в стартерах высокоэнергетических магнитов с зависимыми от температуры магнитными свойствами.
Поставленная цель требует решения следующих основных задач:
Обосновать возможность улучшения динамических электромеханических характеристик электростартернои системы пуска двигателей внутреннего сгорания путем применения в стартерах магнитов с зависимыми от температуры магнитными свойствами.
Разработать усовершенствованную электростартерную систему с улучшенными динамическими характеристиками при низких температурах на основе применения в стартерах высокоэнергетических магнитов с зависимыми от температуры магнитными свойствами.
Разработать методику расчета, математические модели и структурно-функциональные схемы имитационного моделирования динамических режимов работы электростартернои системы с учетом изменения параметров системы в процессе пуска при разных температурах.
Исследовать электромеханические характеристики усовершенствованной электростартернои системы в динамических режимах работы, нагрев стартеров в процессе пуска двигателей внутреннего сгорания при разных условиях пуска.
" Разработать опытный образец и испытать усовершенствованную электростартерную систему пуска двигателей внутреннего сгорания.
Методы исследований. Для решения поставленных задач используются математические методы исследования переходных процессов, схемное структурно-функциональное моделирование, методы компьютерного имитационного моделирования систем, методы численного моделирования нестационарных физических полей, методы физического моделирования и натурного эксперимента.
Научная новизна:
Разработана усовершенствованная электростартерная система пуска двигателя
внутреннего сгорания, отличающаяся применением в стартерах высокоэнергетиче
ских магнитов с зависимыми от температуры магнитными свойствами, обладающая
улучшенными динамическими электромеханическими характеристиками при низ
ких температурах.
Разработаны математические модели и структурно-функциональные схемы имитационного моделирования динамических режимов работы усовершенствованной электростартернои системы, отличающиеся использованием функциональных зависимостей изменения параметров системы в процессе пуска при разных температурах.
Разработана итерационная методика взаимодействия системы моделирования переходных электромеханических процессов в электростартернои системе и системы моделирования нестационарных магнитных и тепловых полей в стартерах, возникающих при пуске.
Выполнены исследования динамических электромеханических характеристик усовершенствованной электростартернои системы и нагрева стартеров при разных условиях пуска, отличающиеся учетом изменения параметров системы и тепловыделений в процессе пуска, что обеспечило повышение точности определения параметров и характеристик системы.
Практическая значимость:
Разработанные математические модели и структурно-функциональные схемы имитационного моделирования позволяют проводить исследования характеристик электростартерных систем пуска двигателей внутреннего сгорания с учетом изменения параметров системы в процессе пуска при разных температурах, результатов расчетов нестационарных магнитных и тепловых полей в стартерах. Модели и схемы целесообразно использовать при разработке современных систем электростар-терного пуска, в учебном процессе.
Разработанная усовершенствованная электростартерная система пуска на основе применения в стартерах высокоэнергетических магнитов с зависимыми от температуры магнитными свойствами, с улучшенными динамическими электромеханическими характеристиками при низких температурах может быть применена в перспективных разработках автомобильного электрооборудования.
Результаты исследования электромеханических характеристик электростартерных систем в динамических режимах работы при разных условиях пуска двигателей внутреннего сгорания позволяют выработать рекомендации по совершенствованию электростартерных систем и условиям их применения.
На защиту выносятся:
Усовершенствованная электростартерная система пуска двигателя внутреннего сгорания на основе применения в стартерах высокоэнергетических магнитов с зависимыми от температуры магнитными свойствами, обладающая улучшенными динамическими электромеханическими характеристиками при низких температурах.
Методика расчета, математические и структурно-функциональные модели имитационного моделирования динамических режимов работы усовершенствованной электростартернои системы с использованием функциональных зависимостей изменения параметров системы в процессе пуска при разных температурах.
Результаты исследования динамических электромеханических характеристик усовершенствованной электростартернои системы и нагрева стартеров при разных условиях пуска, полученные с учетом изменения параметров системы и тепловыделений в процессе пуска, обеспечившим повышение точности определения параметров и характеристик системы.
Обоснованность и достоверность результатов и выводов диссертации обеспечена строгим выполнением математических преобразований, использованием со-
временных математических моделей и пакетов программ, принятием признанных допущений, подтверждением данными численного моделирования. Адекватность разработанных математических моделей подтверждается удовлетворительным совпадением расчетных данных с экспериментальными результатами.
Результаты работы реализованы в виде рекомендаций при модернизации электростартерных систем пуска в ЗАО «Сызранская СТО», в виде экспертного заключения по определению работоспособности электростартерной системы по гражданскому делу № 2-68/07 Судебного участка № 3 Ленинского района г. Иваново, в учебном процессе в Сызранском филиале СамГТУ.
Апробация работы. Результаты диссертации докладывались и обсуждались на XII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (Москва, 2006 г.), Международных научно-технических конференциях "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (XIII, XIV, XV Бенардосовские чтения, Иваново, 2006, 2007, 2009 г.г.), II Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (Тольятти, 2007 г.), III Международной научно-технической конференции «Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы» (Екатеринбург, 2007 г.), Международном симпозиуме "Исследование проблем создания магнитных систем новых электрических машин и применения в них высокоэнергетических магнитотвердых материалов с целью совершенствования параметров и конструкций" (Суздаль, 2007 г.), научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Электромеханика» и «ЭНЕРГИЯ 2008» (Иваново, 2006,2008 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 159 страницах и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 125 наименований, приложений, включает 78 рисунков и 7 таблиц, приложения.
Электростартерные системы пуска двигателей внутреннего сгорания, особенности их работы и направления совершенствования с целью улучшения пусковых свойств
Системы электростартерпого пуска имеют дистанционное управление стартером. Электрический стартер представляет собой устройство, состоящее из стартерного электродвигателя механизма сцепления-расцепления, редуктора и аппаратуры управления. При дистанционном управлении стартерный электродвигатель соединен с аккумуляторной батареей с помощью тягового реле стартера. Якорь реле втягивается в электромагнит, через рычажный механизм вводит шестерню в зацепление с венцом маховика и в конце хода замыкает силовые контакты в цепи питания стартерного электродвигателя.
Источником энергии в ЭСП является аккумуляторная батарея, поэтому ЭСП это системы постоянного тока и в качестве стартеров используют электродвигатели постоянного тока, характеристики которых хорошо согласуются со сложным характером нагрузки при пуске ДВС. Питание стартера осуществляется через замкнутые контакты втягивающего реле.
Номинальное напряжение ЭСП, как правило, равно напряжению системы электрооборудования автомобиля. Для легковых автомобилей это 12 В постоянного тока. Для перспективных легковых автомобилей, автомобилей большой грузоподъемности и тракторов с дизельными двигателями разрабатываются ЭСП на напряжение 24 В и даже 42 В.
Для оптимальности использования ЭСП необходим выбор точки запуска вблизи максимальной мощности стартерного электродвигателя. Поэтому обычно сопротивление батареи и сопротивление стартерного электродвигателя стараются сделать близкими друг другу. Рабочая точка ЭСП по току выбирается при токе от 50 % до 70 % величины тока короткого замыкания. Напряжение на стартере изменяется от 12 В в режиме XX до 7-8 В в первый момент пуска.
Максимальная мощность на валу стартерного электродвигателя 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. С повышением температуры пуска сопротивление обмоток стартера возрастает, а сопротивление аккумуляторной батареи снижается, что приводит к изменению точки оптимальной работы. Кроме того, в процессе пуска происходит повышение температуры электролита батареи и обмоток стартера, изменение их сопротивлений.
Условия работы ЭСП ДВС достаточно! напряженные, а работа самой ЭСП обладает особенностями. Электростартерная система должна обеспечивать запуск ДВС при отрицательных температурах и при неполной заряженности аккумуляторной батареи. В( соответствии с ГОСТ 18509-80, ОСТ 37.001.052-75 ЭСП должна обеспечивать надежный пуск ДВС автомобиля при использовании штатных аккумуляторных батарей, заряженных на 75%, при температурах пуска от -30 до +30 С, не более чем за-три попытки пуска продолжительностью 10-15 секунд каждая для нормальных условий запуска и 15-20 с для запуска при пониженных температурах с интервалом между попытками. 1 мин. После трех попыток пуска допускается выдержать интервал - 3 мин. Поэтому работа ЭСП - это работа системы в повторно кратковременном режиме. Выше уже было обозначено требование, что ЭСП должна обеспечивать минимальную пусковую частоту вращения 40-70 об/мин для карбюраторных ДВС и 100-200 об/мин для дизельных ДВС. За пусковую мощность ЭСП принимают максимальную мощность в кратковременном режиме работы при питании от батареи при 75 %-ной степени за-ряженности, 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 стартерного электродвигателя. Обычно пусковая мощность на 30-40% меньше номинальной.
Электростартерные системы пуска работают с конкретным ДВС с задан ной механической характеристикой МС.СР = f(ncp) (рис. 1.5) [10, 12, 106]. Для обеспечения работы стартерного электродвигателя вблизи точки максимальной мощности, его механическую характеристику М2 д = f( пСр ) согласуют с характеристикой ДВС путем выбора передаточного отношения редуктора. Точка пересечения механических характеристик стартерного электродвигателя и ДВС дает частоту вращения стартером ДВС при пуске пп. С понижением температуры механическая характеристика стартерного электродвигателя последовательного возбуждения располагается ниже, зависимость момента сопротивления ДВС от частоты вращения выше. Поэтому с понижением температуры пп снижается. Одновременно с понижением температуры пуска минимальная допустимая пусковая частота вращения ДВС nmin возрастает. Точка пересечения этих зависимостей дает минимально возможную температуру пуска tmin ДВС таким стартером (рис. 1.6.) [80]. тромагнитныи переходной процесс в цепях ЭСП, переходной тепловой процесс нагрева элементов ЭСП и механический процесс разгона,якоря стартера и маховика коленчатого вала ДВС. Возникновение переходных процессов в ЭСП, ее элементах, в том числе и в стартерных электродвигателях, обусловлено изменением количества электромагнитной энергии в их электрических и магнитных цепях и механической энергии вращающихся- масс в процессе перехода ЭСП из одного состояния в другое. В переходном процессе в системе происходит накопление, преобразование и рассеивание энергии, от количества которых зависит продолжительность протекания переходных процессов. Длительность переходных процессов в ЭСП при пуске ДВС невелика, однако от характера их протекания во времени и окончательно установившегося режима зависит надежность запуска ДВС. На рис. 1.7 представлен осциллографированный процесс запуска ДВС автомобиля «ГАЗ» [117]. Выделяют три стадии в процессе электростартерного пуска поршневого ДВС На 1 стадии частота вращения увеличивается до средней частоты вращения в установившемся режиме. Продолжительность 1 стадии зависит от вязкости моторного масла, мощности стартера, момента инерции системы стартер-ДВС и обычно не превышает 0.4-0.6 с. На осциллограмме проявляются характерные пульсации связанны с работой отдельных цилиндров.
На 2 стадии пуска стартер вращает ДВС с постоянной частотой вращения пср, его вращающий момент и момент сопротивления ДВС уравновешены. Возможно некоторое увеличение частоты вращения к концу 2 стадии пуска вследствие снижения вязкости масла из-за его подогрева из-за выделяемых потерь. Воспламенение топлива в цилиндрах начинается на 2 стадии. Ее продолжительность до 10 с. На третьей стадии начинают схватывать цилиндры внутреннего сгорания и происходит разгон самого стартера ДВС. В этот момент требуется отключать стартер.
Таким образом, электростартерные системы пуска работают в динамических режимах при специфических условиях. На их работу сильное влияние оказывает температура пуска. Наиболее сложно пуск ДВС электростартерной системой осуществляется при пониженных температурах.
Разработка структурно-функциональной схемы имитационного моделирования динамических режимов электростартерной системы
Также ни в одном из этих методов не рассмотрен случай применения в двигателях постоянных магнитов. В стартерах с электромагнитным последовательным возбуждением с нарастанием тока в первый момент пуска магнитный поток нарастает. В стартерах с постоянными магнитами поток магнитов есть всегда. Поэтому с нарастанием тока из-за реакции якоря основной магнитный поток наоборот будет снижаться. В стартерах с постоянными магнитами нет обмотки возбуждения, обычно последовательной, поэтому индуктивность в цепи ЭСГТ меньше. При пуске ток в ЭСП будет нарастать быстрее, амплитудное его значение будет больше и, соответственно, реакция якоря и наведенные вихревые токи будут интенсивнее воздействовать на основной магнитный поток в стартере, электромагнитный момент, частоту вращения и время пуска. Важно оценить эти влияния.
Для явнополюсных стартеров с электромагнитным возбуждением высокую точность показал конечно-элементный расчет магнитного поля в стационарном режиме с одновременным учетом влияния реакции якоря, насыщения полюсных наконечников, зубцов, спинок статора и» якоря. Конечно-элементная модель [123] обеспечивает хорошее совпадение кривой распределения индукции и магнитного потока с опытными данными. На основе результатов расчетов определялись характеристики стартерных электродвигателей, показавшие хорошее совпадение с экспериментальными результатами [49, 51, 54].
Поэтому моделирование переходных процессов в стартере с постоянными магнитами возможно осуществить на основе взаимодействия систем моделирования переходных процессов [76] и систем моделирования нестационарных магнитных электромагнитных полей [121] в стартере, например на основе метода конечных элементов [71, 72].
В процессе пуска стартер работает в динамическом режиме, в нем возникают переходные электромеханические процессы, процесс нестационарного нагрева. При нагревании стартера возможно изменение электрических параметров и магнитных свойств, например, температурозависимых магнитов. Необходимо оценить изменение температур во время пуска. Это возможно сделать при расчете нестационарных тепловых полей.
Из; обзора литературных источников и вышеприведенного анализа можно сделать следующие выводы: 1. Для- запуска в работу двигателей; внутреннего сгорания; в автомобилях применяетсяэлектростартерная система пуска. В связи с массовым производством автомобилей и электростартерных систем для них, разработка и исследование усовершенствованных, электростартерных систем пуска является актуальной задачей: Т. Наиболее сложно осуществляется запуск в работу двигателей внутренне го5 сгорания при; пониженных температурах, что требует улучшениям пусковых . характеристик электростартерных систем в таких условиях. Дляшадежного за пуска; ДВЄ система пуска должна обеспечивать минимально требуемую пуско І вую частоту вращения в широком температурном; диапазоне. С понижением температуры пусковая частота вращения возрастает. 3. Электростартерные систем пуска работают в напряженных динамических повторно кратковременных режимах при?специфических условиях. 4. Направления совершенствования электростартерной системы пуска: с целью улучшения;ее пусковых свойств должны заключаться в обеспечении гарантированного запуска ДВС при низких температурах. Совершенствование электростартерной системы, пуска ;за счет применения более качественных аккумуляторных батарей вызывает возрастание массы; габаритов и стоимости элек-, тростартерной системы пуска. Пределы.совершенствования конструкции явно-полюсных стартерных. электродвигателей с целью повышения их пусковых свойств при; низких температурах: практически исчерпаны. Интегрированные: гибридные стартер-генераторные установки; на основе асинхронных машин иг вентильно-индукторных машин в настоящее время имеют значительно- большую стоимость, требуют наличия электронных блоков на большие токи и электрической бортовой сети автомобиля с напряжением 42 В. 5. Для совершенствования электростартерной системы пуска, с целью улучшения ее пусковых характеристик при низких температурах, перспективно применение в системе стартеров с магнитами с зависимыми от температуры магнитными свойствами. В стартере с такими магнитами при изменении температуры пуска будет изменяться магнитный поток магнитов и электромагнитный момент, что возможно приведет к изменению скорости разгона двигателей внутреннего сгорания, большей частоте вращения двигателей внутреннего сгорания при пуске. Однако детальная разработка таких электростартерных систем и анализ их характеристик до настоящего времени не проводились. 6. В применяемых методиках моделирования динамических режимов работы электростартерных систем пуска двигателей внутреннего сгорания особенности их работы учитываются не в полной мере, тем более при использовании стартеров с зависимыми от температуры магнитными свойствами магнитов. Это обуславливает необходимость применения компьютерных систем моделирования динамических режимов с учетом влияния температуры на параметры системы пуска, более точных моделей при расчетах характеристик стартерных электродвигателей, взаимодействия систем моделирования переходных процессов и систем моделирования нестационарных электромагнитных полей в стартере, проведения корректного термоэлектромагнитного анализа работы магнитоэлектрических стартеров в процессе пуска двигателей внутреннего сгорания.
Численное моделирование магнитных и тепловых полей, возникающих в стартерах при пуске двигателя внутреннего сгорания
В целом возникает проблема, когда нельзя корректно смоделировать ЭСП, не зная результатов расчета нестационарных магнитных и тепловых полей с определением их влияния на температуры и магнитные свойства магнитов. И в то же время нельзя рассчитать нестационарные магнитные и тепловые поля, не зная результатов изменения токов во времени, протекающих в ЭСП, и выделяемых потерь в стартере. Возможно реализовать итерационную процедуру взаимодействия двух систем моделирования MatLab Simulink и Elcut, которые будут взаимно дополнять друг друга. В этом случае выполняется, уточнение параметров водной системе и задание их в качестве исходных для-другой системы. В модели ЭСП,.созданной,на= основе программного комплекса MatLab (см. Главу 2), для предварительно заданного изменения магнитного потока в стартере,, выполняется расчет изменения тока во времени -пуска ДВС и полученная время-токовая зависимость задаетсяв модель нестационарного магнитного поля стартера; созданную на основе программного комплекса; Elcut (см. раздел выше). В полевой модели стартерафассчитывается-уточненное изменение; магнитного? потока во времени и полученнаяі зависимость, возвращается об-ратно в« модель ЭСШ
Временные зависимости-изменения тока-немагнитного потока;в стартере определяющие изменение во- времени выделения греющих потерь в обмотках И стали-стартера, такжегзадаютсяш конечно-элементную модель нестационарных тепловых полей1 стартера, созданную в системе Elcufr [96]; что- позволяет рас-. считывать, нагрев стартера; в, процессе пуска ДВЄ. Полученные?температуры, магнита,, определяющие; магнитные свойства магнита; возвращаются:в модель» нестационарного магнитного-поля стартера; а. температура обмотки якоря; оп-ределяющаяіее сопротивление, - в модель.ЭСП.. изменныи времени магнитный поток в стартере до начала пуска: — только- от постоянных магнитов при 1=0;. № заданная температура пуска. Модель I динамических ;ї режимов работы? электр о стартерной { системы пуска Модель. нестационарного магнитного поля Взаимодействие моделей в системах моделирования MatLab и Elcut представлено на рис. 3.1 Г. Такая итерационная, процедура; позволяет в конечном итоге получить корректные динамические характеристики ЭСП с учетом результатов расчетов нестационарных магнитных и тепловых полей и изменения тока ЗЄП вовремени. Таким- образом в разделе представлена процедура взаимодействия систем моделирования- нестационарных магнитных, ш тепловых полей в- стартерах и переходных процессов в электростартернойс системе пуска-двигателей внутреннего сгорания. 3.4.. Исследование изменения при пуске двигателя внутреннего сгорания; магнитных потоков в стартерах при разных температурах Исследование изменения в процессе пуска; магнитных-потоков в стартерах ранее практически не осуществлялось, хотя изменение,магнитного потока;при пуске влияет на пусковые характеристики. Стартеры, с электромагнитным последовательным- возбуждением! выпускаются достаточно давно; щ так или;иначе,замечет поправочных коэффициентов на основе испытаний и опыта эксплуатации это; изменение магнитного потока учитывалось. Для;недавно; начавших выпускаться стартеровдс постоянными-магнитами такие:исследования;не проводились. Наработанные практикой поправочные положения для явнополюсных стартеров с электромагнитным возбуждением не могут быть непосредственно применены к магнитоэлектрическим, стартерам; вследствие некоторых отличий процессов. В стартерах,с электромагнитным;последовательным;возбуждения в цепи ЭСП дополнительно действует активное и: индуктивные сопротивления; последовательной обмотки возбуждения; которых нет: в стартере с постоянными магнитами. Поэтому процесс нарастания тока в стартере с электромагнитным возбуждением в первый момент пуска более замедленный, амплитуда тока КЗ меньше. Основной магнитный поток в стартера последовательного возбуждения в первые моменты пуска при нарастании тока достаточно плавно возрастает от нуля, возрастает также и поток реакции якоря, оказывающий размагничивающее действие и уменьшающий: основной; поток. Изменяющиеся магнитные потоки Последовательной обмотки возбуждения и реакции якоря будут зывать свои вихревые токи-в.массивных элементах магнитной системы, демпфирующие, в некоторой степени, изменение этих потоков. В: стартере с постоянными магнитами магнитный поток возбуждения су- ществует идо момента пуска: В первый момент пуска, более интенсивно нарастающий и до большей амплитуды ток, вызывает интенсивно нарастающий: магнитный поток реакцишякоря, оказывающийфазмагничивающее действие на магнит и уменьшающий магнитный поток магнита: Наводимые вихревые токи демпфируют в некоторой! степени изменяющийся поток реакции якоря: Таким образом, отличия в изменении магнитного потока при пуске в стартерах с электромагнитным: возбуждением и« с: постоянными магнитами-заключаются: в: следующем: интенсивность нарастания тока и его амплитуда в первый момент пуска ДВС в ЭСП со стартерами с постоянными магнитами больше; магнитный: поток в стартерах с постоянными магнитами - существует постоянно и в; первый» момент пуска ДВС из-за действия реакции якоря снижается до некоторой величины, тогда как в стартерах с электромагнитным последовательным возбуждением; возрастает от нуля; наводимые в процессе пуска вихревые токи в стартере: с постоянными магнитами демпфируют изменение магнитного потока реакции якоря и снижают его размагничивающее действие, тогда как в стартёрах с.элек тромагнитным последовательным возбуждением демпфируются изме няющие1 магнитные: потоки как обмотки возбуждения, так и-реакции Эти отличия вызывают необходимость детального исследования изменения магнитного потока в стартерах с постоянными магнитами в процессе пуска ДВС при разных температурах, тем более для магнитов с зависимыми от температуры магнитными свойствами. Разработав численную модель нелинейного магнитного поля стартера с постоянными магнитами, обозначив все материалы модели и их магнитные свойства, задав граничные условия и рассчитав поле для 1а=0 - перед пуском и пускового тока 1а=1п, получим картины распределений линий магнитного потока [124] для идеального холостого хода и пускового режима (рис. 3.12).
Анализ изменения теплового состояния магнитоэлектрических стартеров при пуске двигателя внутреннего сгорания
Напряжение U измеряют [1] на выводах стартера. При испытаниях вольт-амперная характеристика источника питания должна соответствовать полностью заряженной аккумуляторной батарее при» температуре электролита +25 С в режиме эквивалентном теплому пуску, и -15 С - при холодном пуске. Значения параметров установившегося режима работы измеряют в интервале 5-10 с. Если используются автоматизированные системы определения характеристик, то измерения производят в течение времени, достаточного для регистрации результатов [22, 33]. Перед каждым экспериментом по определению точек характеристики стартер охлаждают до требуемой температуры. Измерения выполняют за время, не превышающее 30 с. В режиме, эквивалентном теплому пуску, стартер нагружают током, равным половине значения тока при номинальной мощности, в течение 1,5 с; при холодном пуске ток стартера устанавливают равным значению тока при пусковой мощности. Продолжительность одного включения для карбюраторных двигателей 10 с. Если температура корпуса превышает 50 С, делается перерыв.
Проверка в режиме полного торможения - при КЗ, заключается в определении пускового тока стартера и развиваемого стартером пускового момента. Вал стартера затормаживают через шестерню устройством, связанным с динамометрическим измерителем, как и для других машин [61].
При климатических испытаниях производят искусственное охлаждение стартера. Для исследования влияния температуры пуска сам стартер помещался в термокамеру, где охлаждался до требуемой температуры. Затем осуществлялся режим пуска. Начальная температура стартера и магнитов NdFeB в нем измерялась с помощью термопар. Сам стенд Э242 работал при комнатной температуре. Так как напряжение источника в стенде не менялось с изменением температуры стартера, а сопротивление якорной цепи стартера с понижением ее температуры снижается, то с понижением температуры стартеров и, соответственно температуры магнитов, пусковой ток возрастал от 500 А при температуре +80 С до 560А при температуре -23 С. Однако стенд не обеспечивал пусковой ток 702 А при температуре +25 С, который могла дать аккумуляторная батарея при этой температуре при работе с таким стартером. Вместе с измерением пускового тока одновременно замерялся пусковой момент [62, 93] (табл. 4.2).
Нужно отметить, что в электростартерной системе пуска с понижением температуры сопротивление аккумуляторной батареи существенно возрастает и пусковой ток в системе снижается. Поэтому токи и момент стартера при пуске с изменением температуры в опытах на стенде Э242 не совпадают с пусковыми токами и моментами, обеспечиваемыми при работе с аккумуляторной батареей.
Так как электромагнитный пусковой момент стартера при неизменности магнитного потока пропорционален току якоря и если не учитывать изменение магнитного потока от тока якоря, вследствие изменения реакции якоря при небольших вариациях тока якоря, то пусковой момент можно пересчитать при разных температурах, но для одного и. того тока якоря. Пересчитанные измеренные пусковые моменты стартера при разных температурах для тока якоря 702 А, соответствующего пусковому току при работе с аккумуляторной батареей 6СТ55 при температур пуска +25 С, приведены в табл. 4.3 (столбец «Опыт»). Там же приведены результаты моделирования пускового режима в ЭСП (см. Главу 2) и расчета пускового момента столбец «Расчет»). Пусковой ток 702 А обеспечивался изменением результирующего активного сопротивления в цепи ЭСП.
Графики изменения опытных пусковых моментов стартерных электродвигателей с индукторами с разными магнитами в сравнении с расчетным пусковыми моментами для магнитов NdFeB приведены на рис. 4.27.
Результаты опытных.данных подтверждают повышение пускового момента стартера с магнитами NdFeB при одном и том же токе якоря с понижением температуры пуска — на 28.78 % при изменении температуры на 103 С, что хорошо соотносится с данными раздела 4.1. Максимальное расхождение опытных и расчетных данных пусковых моментов для индукторов с магнитами NdFeB укладывается в 10 %. Одновременно опытная зависимость пускового момента от температуры при одном и том же токе якоря для стартера с ферритовыми магнитами практически не прослеживается — по опытным данным изменение пускового момента в зависимости от температуры в десять раз меньше, чем для магнитов NdFeB, - порядка 0.3 %/ С и укладывается в погрешность опытов.
Таким образом в разделе представлены результаты экспериментальных исследований электромеханических характеристик усовершенствованной элек-тростартерной системы пуска двигателя внутреннего сгорания, подтвердившие эффективность предложенного приема повышения пусковых свойств ЭСП и данные моделирования [74]. 1. Исследованы динамические режимы работы и электромеханические характеристики усовершенствованной электростартерной системы пуска двигателей внутреннего сгорания на основе стартеров с зависимыми от температуры магнитными свойствами в сравнении с характеристиками стартеров со стандартными ферритовыми магнитами при разных температурах 2. Исследованы характеристики магнитоэлектрических стартерных электродвигателей при разных температурных условиях работы. Применение магнитов NdFeB позволяет при температуре пуска -30 С повысить до 15,3 % магнитный поток в стартерах. 3. Неучет действия реакции якоря и наводимых во время процесса пуска двигателей внутреннего сгорания вихревых токов в массивных проводящих элементах конструкции на магнитный поток в стартере может приводить к завышению потока и момента стартера до 40-50 %, ускоренному снижению тока и момента во время переходного процесса и более быстрому его окончанию. С понижением температуры бросок максимального тока в электростартерной системе пуска снижается, причем для стартеров с высокоэнергетическими магнитами NdFeB в большей степени, чем с ферритовыми магнитами. Установившийся ток в системе при использовании магнитов NdFeB меньше, чем при использовании ферритовых магнитов.
