автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Разработка и исследование стартерных электродвигателей с повышенными пусковыми свойствами при низких температурах

171562

ГНУТОВ Сергей Константинович

На правах рукописи

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СТАРТЕРНЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ С ПОВЫШЕННЫМИ ПУСКОВЫМИ СВОЙСТВАМИ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Специальность 05 09 01 — «Электромеханика и электрические аппараты»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара - 2008

003171562

Работа выполнена в филиале Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет» в г Сызрани на кафедре «Электропривода и промышленной автоматики»

Научный руководитель: - доктор технических наук, профессор

Казаков Юрий Борисович

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Высоцкий Виталий Евгеньевич

- кандидат технических наук, профессор Кислицын Анатолий Леонидович

Ведущая организация: - Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Тольяттинский государственный университет»

Защита состоится 26 06 2008 г в 13 час 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212 217 04 при Самарском государственном техническом университете (СамГТУ) по адресу г Самара, Молодогвардейская ул, д 244, Главный корпус, ауд 200

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СамГТУ, с авторефератом -на официальном сайте СамГТУ www samgtu ru

Отзывы по данной работе в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу Россия, 443100, г Самара, Молодогвардейская ул 244, Главный корпус, Самарский государственный технический университет, ученому секретарю диссертационного совета Д 212 217 04,

тел (846) 278-44-96, факс (846) 278-44-00, e-mail aees@rambler ru

Автореферат разослан «23 » мая 2008г

Ученый секретарь диссертационного

совета Д 212 217 04,

кандидат технических наук, доцент

Е А Крогков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Стоимость электрооборудования в автомобиле достигает трети его стоимости и постоянно возрастает Число электрических машин в современных автомобилях достигает сотен генераторы, стартеры, двигатели блокировки дверей, вентиляции, выдвижения антенны и стекол, регулировки сидений и зеркал и др Четвертая часть неисправностей автомобилей связана с неисправностями электрооборудования

Наиболее мощным электропотребителем в автомобилях с двигателями внутреннего сгорания является стартерный электродвигатель Мощность выпускаемых стартеров достигает 12 кВт Характеристики стартеров определяют свойства электропусковой системы автомобиля В России за год производится несколько миллионов стартеров Стартерные электродвигатели работают с предельными электромагнитными нагрузками и по сравнению с электродвигателями общепромышленного исполнения обладают особенностями конструкции

Наиболее сложно осуществляется пуск стартерными электродвигателями двигателя внутреннего сгорания при низких температурах, когда вязкость моторного масла двигателя внутреннего сгорания и его момент сопротивления возрастают При снижении температуры внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи, ток короткого замыкания и отдаваемая ею мощность уменьшаются Механическая характеристика стартерного электродвигателя располагается ниже Это приводит к уменьшению пусковой частоты вращения двигателя внутреннего сгорания и затрудненному его запуску

В развитие современных конструкций и методов расчетов стартерных электродвигателей большой вклад внесли ученые (в алфавитном порядке) Анисимов В М, 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, Чиж-ков Ю П, Фесенко М Н, Филатов Б С , Ютт В Е и другие

Направления совершенствования 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, разработке интегрированных стартер-генераторов встраиваемого исполнения на основе асинхронных и вентильно-индукторных машин Появление новых высокоэнергетических постоянных магнитов на основе соединений №РеВ и использование их в системе возбуждения стартеров предполагает существенное снижение массогабаритных показателей

Разработкой специальных электрических машин - неявнополюсных машин постоянного тока, с постоянными магнитами, с полупроводниковыми элементами занимались ученые (в алфавитном порядке) Антипов В Н , Бертинов А И, Бут Д А, Глебов И А, Демирчян К С , Иванов-Смоленский А И , Кожевников В А , Копылов И П, Кузнецов В А , Дедовский А Н, Нестерин В А , Овчинников И Е , Орлов И Н , Скороспешкин А И , Шереметьевский Н Н и многие другие

При работе стартера создаются физические поля - магнитное, электрическое, тепловое и механическое Эти поля определяют свойства стартера Важно осуществлять оценку полей на стадии разработки конструкции, особенно при наличии конст-

руктивных особенностей, использовании новых материалов и предельных электромагнитных нагрузок, что характерно для стартерных электродвигателей

Снижение температуры изменяет магнитные свойства магнита ЫсИ-еВ Поэтому в стартерных электродвигателях с магнитами МБеВ магнитные и тепловые поля являются взаимозависимыми, так как потери в стали и температуры в стартере зависят от магнитного потока магнита, а магнитные свойства магнита зависят от температуры стартера Это требует взаимоувязанного расчета магнитных и тепловых полей Пуск может происходить при температурах от -50 °С до +50 °С Температура в подкапотном пространстве летом при продолжительной работе двигателя внутреннего сгорания может достигать +90 °С Актуальна разработка системы проектирования и выполнения расчетов характеристик магнитоэлектрических стартерных электродвигателей при работе в электропусковой системе при разных температурных условиях Необходимо изготовление и опытная проверка разработанных конструкций усовершенствованных стартерных электродвигателей

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

Цель диссертационной работы - разработка и исследование стартерных электродвигателей с повышенными пусковыми свойствами при низких температурах

Основные задачи:

■ Проанализировать возможность применения, разработать и исследовать не-явнополюсный стартерный электродвигатель с распределенными обмотками возбуждения для повышения его пускового момента

■ Выполнить сравнительный анализ характеристик стартерных электродвигателей разных конструкций

■ Выполнить анализ магнитных и тепловых полей в стартерных электродвигателях при разных температурах пуска

■ Разработать систему проектирования и поверочных расчетов магнитоэлектрических стартерных электродвигателей при разных температурах пуска

■ Разработать и исследовать стартерный электродвигатель с высокоэнергетическими магнитами с целью повышения пусковых свойств при низких температурах

Методы исследований. Использованы методы математического моделирования и экспериментальных испытаний метод конечных элементов, элементы теории матричного исчисления, автоматизированные методы проектирования, моделирование на персональном компьютере, методы экспериментальных исследований

Научная новизна работы:

" Разработаны математические модели и исследован неявнополюсный стартерный электродвигатель с распределенными обмотками последовательного возбуждения, имеющий повышенный пусковой момент

■ Разработан и исследован стартерный электродвигатель с возбуждением от магнитов МРеВ с отрицательной температурной зависимостью магнитных свойств, обеспечивающий повышение пусковых свойств при низких температурах

■ Рассчитаны и исследованы взаимозависимые магнитные и тепловые поля в стартерных электродвигателях с магнитами ШРеВ с отрицательной температурной зависимостью магнитных свойств при разных температурах пуска

■ Разработана система проектирования и расчета электромеханических характеристик магнитоэлектрических стартерных электродвигателей в электропусковой системе при разных температурах

Практическая значимость работы:

■ Разработанный стартерный электродвигатель с распределенными обмотками последовательного возбуждения, обеспечивающий повышенный пусковой момент, его модели и результаты исследований могут быть использованы в практике разработок перспективных стартеров

■ Предложенный стартерный электродвигатель с возбуждением от высокоэнергетических магнитов с отрицательной температурной зависимостью магнитных свойств, обеспечивающий повышение пусковых свойств при низких температурах, его модели и результаты исследований могут быть непосредственно применены при модернизации электростартерной системы пуска

■ Полученные результаты исследований магнитных и тепловых полей в стартерных электродвигателях с возбуждением от высокоэнергетических магнитов при разных температурах пуска позволяют выполнять сопоставительный анализ вариантов стартеров

■ Разработанная система проектирования и расчета электромеханических характеристик магнитоэлектрических стартерных электродвигателей в электропусковой системе при разных температурных условиях работы может быть использована в проектных, исследовательских и учебных заведениях

Результаты работы реализованы в практике ремонта и модернизации электростартерной системы пуска на Сызранской СТО, в виде рекомендаций для НТЦ ОАО «АвтоВАЗ» при разработке модернизированной электростартерной системы пуска, в ОАО «ЗиТ» в виде усовершенствованной конструкции стартерного электродвигателя с магнитами ИсШеВ, 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 данными численного моделирования, изготовлением и испытанием опытной конструкции стартерного электродвигателя, совпадением с экспериментальными результатами измерения температур, пусковых токов и моментов, частоты вращения стартерного электродвигателя

Основные положения, выносимые на защиту

■ Математические модели и результаты исследования неявнополюсного стартерного электродвигателя с распределенными обмотками последовательного возбуждения

■ Математические модели и результаты исследования стартерного электродвигателя с возбуждением от магнитов ШРеВ с отрицательной температурной зависимостью магнитных свойств

■ Результаты анализа магнитных и тепловых полей в стартерных электродвигателях с магнитами №РеВ при разных температурах пуска

■ Система проектирования и расчета электромеханических характеристик магнитоэлектрических стартерных электродвигателей в электропусковой системе при разных температурных условиях работы

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 конференци 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 8 научных статей, докладов и тезисов, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для публикаций результатов кандидатских диссертаций

Объем и структура диссертации Диссертация изложена на 165 страницах и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 115 наименований, приложений, включает 92 рисунка и 14 таблиц

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы работы, определены ее цель и основные задачи исследований, обозначены методы их решения, сформулированы научная новизна и практическая значимость работы, приведены результаты реализации работы, обоснована достоверность полученных результатов и выводов, вычленены основные положения, выносимые на защиту, приведены места апробации результатов и сведения об их публикации, описаны объем и структура диссертации

В первой главе по литературным источникам показана проблема запуска двигателей внутреннего сгорания при низких температурах, описаны особенности конструкции и условий работы стартерных электродвигателей, проанализированы возможные направления совершенствования конструкции стартерных электродвигателей с целью повышения их пусковых свойств при низких температурах Представлены уточненные модели и направления модернизации конструкции явнополюсных стартерных электродвигателей постоянного тока с электромагнитным возбуждением Рассмотрены перспективы применения в стартерных электродвигателях неявно-полюсных конструкций индукторов с распределенными обмотками возбуждения, конструкций с возбуждением от постоянных магнитов, конструкций на основе машин переменного тока, вентильных и вентильно-индукторных двигателей

Из анализа литературных источников выявлено, что специфичные условия работы стартерных электродвигателей, сильное влияние температуры, предельные электромагнитные нагрузки и особенности конструкции отличают их от электродвигателей общепромышленного исполнения, в применяемых проектных, поверочных и оптимизационных расчетах стартерных электродвигателей их особенности учитываются не в полной мере, что требует использования более точных полевых моделей, применения компьютерных систем проектирования и расчета характеристик с учетом влияния температуры на параметры системы пуска, пределы совершенствования конструкции явнополюсных стартерных электродвигателей постоянного тока с электромагнитным последовательным возбуждением с целью повышения их пусковых свойств при низких температурах практически исчерпаны, так как при больших токах (при пуске) происходит сильное насыщение полюсных наконеч-

ников, что не позволяет в должной мере увеличиваться магнитному потоку и моменту двигателя, коэффициент полюсного перекрытия снижается, температурный режим сосредоточенной обмотки возбуждения напряженный, со стороны сплошных полюсов и корпуса в первый момент пуска происходит демпфирование пускового потока, интегрированные гибридные стартер-генераторные установки на основе асинхронных машин и вентильно-индукторных машин при бортовой сети автомобиля постоянного тока имеют значительно большую стоимость, требуют наличия мощных активных полупроводниковых выпрямителей на большие токи и могут быть эффективны при напряжении бортовой сети автомобиля не менее 42 В, что требует трудоемкой перестройки системы электроснабжения автомобиля и всех электропотребителей, для повышения пусковых свойств стартерных электродвигателей при низких температурах имеют перспективы неявнополюсные конструкции стартерных электродвигателей с распределенными обмотками индуктора и стартер-ные электродвигатели с возбуждением от высокоэнергетических постоянных магнитов ШРеВ, но детальная разработка и исследование таких стартерных электродвигателей до настоящего времени не проводилась

По результатам главы сформулированы выводы и поставлены задачи диссертационной работы

Во второй главе представлен ранее не проводившийся анализ применения в стартерных электродвигателях неявнополюсной конструкции индуктора с шихтованным сердечником и распределенными обмотками возбуждения (рис 1)

Показано, что технологически возможно и функционально эффективно для стартерных электродвигателей выполнение неявнополюсной конструкции шихтованного сердечника индуктора и распределенными в его пазах обмотками Применение индуктора с распределенными по его пазам обмотками возбуждения, в том числе параллельной и последовательной, позволяет отказаться от насыщаемых в режиме пуска полюсных наконечников, увеличить магнитный поток в режиме пуска и, соответственно, пусковой момент стартерного электродвигателя Распределение витков обмоток возбуждения создает распределенный по сердечнику индуктора магнитный поток, что при той же толщине спинки сердечника индуктора требует меньшей до 64 % намагничивающей силы для проведения такого же магнитного потока, по сравнению с явнополюсной конструкцией Несмотря на то, что в неявно-полюсном стартерном электродвигателе коэффициент распределения обмотки возбуждения меньше единицы и из-за двойной зубчатости сердечников статора и ротора возрастает коэффициент воздушного зазора, требуемая магнитодвижущая сила обмогок возбуждения может быть снижена до 10-15 % Применение шихтованного сердечника индуктора позволяет исключить демпфирование нарастающего основного магнитного потока в процессе пуска со стороны сплошных полюсов и корпуса, наблюдающееся в явно-полюсных конструкциях,

Рис 1 Размещение обмоток возбуждения в явнополюсном (а) и неявнополюсном (б) стартерном электродвигателе 1,2- катушки обмотки возбуждения

повысить пусковой поток и, соответственно, пусковой момент Использование шихтованного сердечника обеспечивает возможность питания стартеров от полупроводниковых преобразователей, например, при реализации схем вентильных стартеров, без снижения мощности

Осуществлена разработка неявнополюсного стартерного электродвигателя Для используемых диаметров индуктора в нем возможно размещение до 9 пазов на полюс При невырубке 1-3 пазов на полюс, это позволяет при необходимости сформировать подобие главных или дополнительных полюсов, каждая полюсная концентрическая обмотка может содержать до 4 катушек Разработаны алгоритмы формирования и анализа схем распределенных индукторных обмоток неявнополюсных стартерных электродвигателей, обеспечивающих выполнение заданных требований Выполнено распределение витков обмоток по пазам индуктора для нескольких вариантов стартера, представлены схемы распределенных обмоток Осуществлено конечно-элементное моделирование магнитных полей неявнополюсного стартерного электродвигателя, рассчитаны распределения индукции в зазоре (рис 2) Оценен тепловой режим такого стартера

При смешанном возбуждении с небольшой параллельной обмотки возбуждения, ее можно выполнить в виде отдельной катушки, размещенной в своих пазах Коэффициенты полюсного перекрытия параллельной и последовательной обмоток будут различны С ростом тока стартера ток и магнитный поток параллельной обмотки возбуждения снижаются, а ток и поток последовательной обмотки возбуждения возрастают Показано, что коэффициент полюсного перекрытия в таких машинах при различных способах распределения разных обмоток может быть рассчитан по соотношению

м

«=х

1=1

М / К1

* Iк Х>п

П=1

где Л, - ток 1-той из М обмоток индуктора, \уш - число витков п-ной катушки 1-той обмотки, содержащей К, катушек на полюс, Уш - шаг п-ной катушки 1-той обмотки, т -полюсное деление

Увеличение тока и, соответственно, насыщения магнитной цепи в неявнополюсных стартерных электродвигателях с последовательным возбуждением приводит к уплощению кривой индукции в воздушном зазоре по центру полюса из-за более быстрого насыщения зубцов по его оси и к росту а, что противоположно явлению в явно-полюсных стартерах, и способствует дополнительному повышению потока и момента в режиме пуска

в, т

0,8

0,6

0,4

0,2

С

□

Рис 2 Индукция в зазоре, созданная обмоткой возбуждения при номинальном токе неявнопоносного индуктора стартерного электродвигателя без учета зубчатости якоря и действия обмотки якоря

Для рассмотренного неявнополюсного индуктора стартерного электродвигателя а возрастает от 0,555 при холостом ходе до 0,61, полученного из расчета магнитного поля методом конечных элементов с учетом насыщения стали и уплощения индукции в зазоре, при номинальном токе нагрузке, что сравнимо с явнополюсной конструкцией

Поток рассеяния и коэффициент рассеяния неявновыраженных главных полюсов по той же причине с ростом насыщения также несколько возрастают Для учета влияния насыщения в вышеприведенных соотношениях, как и для асинхронных машин или неявнополюсных синхронных машин, можно использовать поправочный коэффициент ^ в функции насыщения зубцового слоя

При смешанном возбуждении и принятии коэффициента полюсного перекрытия параллельной обмотки возбуждения меньшем коэффициента последовательной обмотки возбуждения а0в пар<«ов пос результирующий а будет возрастать от а0в пар при холостом ходе до аов пос в режиме короткого замыкания Это приведет к дополнительному возрастанию в режиме пуска пускового магнитного потока и пускового момента, так как при пуске коэффициент полюсного перекрытия становится наибольшим Таким образом, распределяя витки параллельной и последовательной обмоток возбуждения соответствующим образом по пазам индуктора, можно обеспечить требуемое изменение магнитного потока и, соответственно, жесткости скоростной характеристики стартера с ростом нагрузки, а не только путем изменения соотношения МДС параллельной и последовательной обмоток возбуждения

При расчете характеристик неявнополюсного стартерного электродвигателя по табличной схеме распределения обмоток индуктора определяется а, рассчитываются с учетом лобовых частей каждой катушки длины витков, сопротивления обмоток и их массы Расчет магнитной цепи для заданного ан проводится с использованием кривых намагничивания стали зубцов и ярма асинхронных двигателей с учетом уплощения поля по центру полюса и распределенности потока в ярме Погрешность предложенного способа расчета магнитной цепи и определения требуемой магнитодвижущей силы обмотки возбуждения, по сравнению расчетом магнитного поля методом конечных элементов, не превышает 6 % Определение характеристик при «пар^сспос аля возможности использования характеристики намагничивания двигателя при ан выполняется с приведением МДС параллельной и последовательной обмоток возбуждения к МДС при ан В качестве коэффициентов приведения приняты отношения ан к аПАР и аПос В этом случае МДС возбуждения Рв при ан

Р - т ш апар . i апос

гв - -"пар "'пар -"пос "пос

ан «н

Выявлены особенности распределения индукции в зоне коммутации для неявно-полюсных машин Показано, что на характер коммутации в таких электродвигателях существенное влияние оказывает основной магнитный поток

На основе анализа распределения магнитных полей обоснованы дальнейшие направления совершенствования неявнополюсного стартерного электродвигателя Проанализировано выполнение усечения наружной поверхности сердечника неявнополюсного индуктора, объединение распределенных последовательной и компенсационной обмоток в индукторную комбинированную обмотку, что позволяет снизить расход обмоточного провода, получить экономию стали при штамповке, улуч-

шить характеристики и коммутацию, закреплять стартер на двигателе внутреннего сгорания на «постели», образованной внешними усечениями сердечника По результатам исследований сделаны выводы по главе

В третьей главе осуществлена разработка и исследование стартерных электродвигателей с высокоэнергетическими магнитами и повышенными пусковыми свойствами при низких температурах

Приведены модели и свойства постоянных магнитов, используемых в электромашиностроении Минимизируемый функционал в методе конечных элементов при расчете магнитного поля в электродвигателе с токовыми обмотками и постоянными магнитами описывается соотношением \2

ЗА {ду

+ v,

( 8А

'Ux

-2А

8MV аут

^ Эх ду

+ J

jdxdy

Отмечено, что высокоэнергетические магниты NdFeB обладают очень сильными магнитными свойствами — при температуре +20 °С остаточная индукция Вг2о достигает 1,15 Т, коэрцитивная сила по индукции НсВ2о - 850 кА/м при максимально допустимой рабочей температуре до 155 °С Однако, магнитные свойства магнитов NdFeB очень температу-розависимы Температурный коэффициент изменения остаточной индукции (ТКИ) по намагниченности (ß„) составляет -0,6 %/°С, ТКИ по индукции ßH = -0,12 %/°С Это существенно меняет магнитную характеристику магнита и его рабочую точку Так, при снижении температуры магнита на 100 °С его магнитные свойства возрастают - коэрцитивная сил по индукции на 60 %, остаточная индукция на 12 % (рис 3)

В этом случае магнитные свойства магнита при температуре t Hdt = Hd20[l + ß„(t - 20)], Bdt = B^otl + ßB(t - 20)],

"в

-H 130% 100% 22% 0

Рис 3 Магнитные характеристики магнита NdFeB при разных температурах

Mdt = Bd/n0-Hdt, Mdt

-(bb-bHXt-20)+Md20ö + bH(t-20))

В таких стартерных электродвигателях магнитные и тепловые поля существуют одновременно и являются взаимозависимыми, так как потери в стали и температуры в двигателе зависят от магнитного потока магнита, а магнитные свойства магнита зависят от температуры Это требует проведения взаимосвязанного анализа магнитных и тепловых полей в стартерных электродвигателях с такими магнитами (рис 4) Каждый элемент двигателя магни-

Магнитное т Тепловое

поле В поле

Рис 4 Взаимное влияние магнитного и теплового полей в стартерном магнитоэлектрическом двигателе

Рис 5 Система проектирования и расчета характеристик магнитоэлектрических стартерных электродвигателей

та имеет свою температуру и, соответственно, свои магнитные свойства

Для проектирования и расчета характеристик магнитоэлектрических стартерных электродвигателей в электропусковой системе автомобиля при разных температурных условиях работы разработана автоматизированная система, которая включает (рис 5) в себя ряд взаимоувязанных подсистем поэтапного расчета, где подсистемы связаны между собой информационно, структурно-логически и методически С помощью этой

системы проанализирована конструкция стартерного электродвигателя 5702 3708 с ферритовыми магнитами и осуществлен подбор высокоэнергетических магнитов ШРеВ при модернизации индуктора Выявлено, что толщина магнитов КсЦ-еВ, обеспечивающая тот же магнитный поток, может быть снижена в 12-15 раз - с 9 мм для ферритовых магнитов до 0,7-0,9 мм для магнитов ЫсИ-еВ Наружный диаметр корпуса может быть снижен на 25,8 % (с 80 мм до 63,8 мм) или на один габарит Однако, изменение наружного диаметра влечет изменение встроенного планетарного редуктора, мест крепления стартера Поэтому, наружный диаметр корпуса не изменялся Анализировался двигатель с измененной конструкцией полюса, показанной на рис 6 При этом, так как выбранные магниты ИсШеВ при температуре +20 °С создают такой же поток, как и стандартные ферритовые магниты, то электромеханические характеристики стартера с магнитами ШРеВ при +20 °С соответствуют характеристикам стартера с ферритовыми магнитами

Для уточнения коэффициентов бокового и торцевого рассеяний постоянного магнита ШРеВ с учетом разной дины якоря, магнита и корпуса выполнено моделирование магнитных полей в двумерных продольном и поперечном сечениях стартерного электродвигателя Коэффициент бокового рассеяния магнита составил 1,12, а торцевого - 1,407

Рис 6 Измененная конструкция полюса 1 -магнит ШРеВ, 2-стапь

Выполнено моделирование магнитного поля в поперечном сечении стартера при разных токах якоря и разных температурах с учетом потоков торцевого рассеяния магнитов. Учитывался сдвиг щеток, величина щеточного перекрытия. Коммутация принималась линейной. Конечно-элементные модели содержали несколько сотен тысяч элементов. Представлены распределения линий магнитного потока и индукции в зазоре в разных режимах и при разных температурах. Так, распределение линий магнитного потока в пусковом режиме при токе якоря 702 А показано на рис. 7, а распределение индукции в зазоре стартера магнитами Ис1РеВ в режиме холостого хода при разных температурах на рис. 8.

Рис. 7. Распределения линий магнитного потока в стартере с магнитами ШРеВ в момент пуска (режим КЗ) при токе якоря 702 А

Рис. 8. Распределение индукции в зазоре стартера с магнитами ШРеВ в режиме XX: ! - при температуре 20 °С, 2 - при температуре -30 °С

Выявлено сильное влияние реакции якоря на величину основного магнитного потока и индукцию в зазоре стартерного электродвигателя с магнитами ШРеВ. Получены зависимости изменения магнитного потока в стартере от тока якоря и температуры магнита (рис. 9).

Проведен сравнительный анализ электромагнитных и магнитоэлектрических стартерных электродвигателей с ферритовыми магнитами и магнитами ШРеВ при разных толщинах магнитов и разных температурах. Максимальная мощность на валу снижается с 1650 Вт при температуре +20 °С до 650 Вт при температуре -30 °С для обоих типов магнитов, так как подводимая электрическая мощность не зависит от величины магнитного потока магнитов. Магнитный поток в стартере с магнитами ШРеВ при снижении температуры с +20 °С до -30 °С в режиме холостого хода возрастает на 13,6 %, тогда как в стартере с ферритовыми магнитами остается без изменения. Частота вращения идеального холостого хода (ток якоря 1а=0) снижается для стартера с магнитами ШРеВ на 13,8 %, с температурным коэффициентом -0,276 %/°С. Для стартера с ферритовыми магнитами она остает-

■

2

3

Рис. 10. Момент стартерных электродвигателей при температуре пуска -30 °С: 2 - с магнитами КсШеВ; 3 - с ферритовыми магнитами

ся без изменения При пуске магнитный поток в стартере с магнитами ШРеВ при температуре -30 °С, по сравнению с магнитным потоком и пусковым моментом в стартере с ферритовыми магнитами, больше на 13,2 %

Пусковой момент стар-терного электродвигателя с магнитами ШРеВ больше (рис 10), а частота вращения при холостом ходе меньше, чем у стартерного электродвигателя с ферритовыми магнитами Поэтому механическая характеристика стартера с магнитами ШРеВ более "мягкая", чем механическая характеристика стартера с ферритовыми магнитами (рис 11) С ростом температуры свойства магнитов падают, но снижается и сопротивление аккумуляторной батареи, что повышает пусковой ток и обеспечивает необходимый пусковой момент

По разработанной системе расчета выявлено изменение пускового момента стартерных электродвигателей с ферритовыми магнитами и магнитами КсЦ-еВ от температуры пуска при работе в системе пуска совместно с аккумуляторной батареей 6СТ55 емкостью 55 А ч Пусковой момент для стартерного электродвигателя с магнитами К<1РеВ при температуре -30 °С выше на 13,5 % по сравнению с двигателем с ферритовыми магнитами, при температуре + 20 °С обеспечивается один и тот же момент, при повышении температуры до +90 °С происходит снижение пускового момента на 3 % по отношению к моменту при I = 20 °С и на 4 % к моменту двигателя с ферритовыми магнитами при температуре +90 °С Пусковой ток в системе электростар-терного пуска с аккумуляторной батареей 55 А ч уменьшается с 702 А при температуре + 20 °С 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

Пусковой момент у стартера 5702 3708 с магнитами ШРеВ при уменьшении температуры пуска с +20 °С до -30 °С снижается в 1,97 раза, то есть с температурным коэффициентом 3,94 %/°С Для стартеров с ферритовыми магнитами такое снижение больше - в 2,24 раза, температурный коэффициент 4,48 %/°С Это положительное явление для стартера с магнитами ШРеВ, так как пусковой ток аккуму-

8 000Е04' ^ 6СЮСЕ 04 в 4 000Е 04 2000Е 04 ООООЕ+Х

ь Г7 м н —-I—

1

-1=+25С

* эос

100 2С0 300 400 500 600 7С0 1а. А

Рис 9 Изменение основного магнитного потока в стартерном электродвигателе с магнитами ШИеВ с ростом нагрузки при разных температурах

мп+20

Х Х

V 1

X V

X

1000 1500 2000 П,0б/М1Н

Рис 11 Механические характеристики стартерного электродвигателя 1 - при температуре пуска +20 °С, 2 - с магнитами ШИеВ при температуре пуска -30 °С, 3-е ферритовыми магнитами при температуре -30 "С

ляторной батареи с понижением температуры снижается, а возрастание потока магнита Ис1РеВ в определенной степени способствует меньшему снижению пускового момента Применение такой же высоты магнитов Ис1РеВ, как и для ферритовых магнитов - 9 мм, приводит к значительному повышению магнитного потока в 2,63 раза и электромагнитного момента, но одновременно снижает частоту вращения якоря, что затрудняет запуск двигателей внутреннего сгорания

Для запуска двигателей внутреннего сгорания необходима определенная частота вращения Точка пересечения характеристики стартера и ДВС дает пусковую частоту вращения Момент сопротивления на коленчатом валу ДВС больше, а частота вращения меньше чем у стартерного электродвигателя в 14,33 раза - передаточное число между шестерней стартера и шестерней маховика Минимальная пусковая частота вращения для карбюраторных ДВС составляет 40-70 об/мин Стартерный электродвигатель с магнитами Кс1РеВ при температуре -30 °С обеспечивает пусковую частоту вращения коленчатого вала на 13,5 % большую, чем двигатель с ферритовыми магнитами (рис 12) Поэтому при низких температурах стартерный электродвигатель с магнитами Т^сй-еВ обеспечивает более надежный запуск ДВС Кроме того, стартерный электродвигатель с магнитами ШРеВ имеет более низкую минимальную температуру пуска

Выполнен сравнительный анализ показателей стартерных электродвигателей разных конструкций, способов возбуждений, использования разных магнитов при работе в электропусковой системе с аккумуляторной батареей 6СТ55 Стартерный электродвигатель с электромагнитным возбуждением имеет большие габариты, но меньшую стоимость, благодаря отсутствию дорогостоящих магнитов Магниты ШРеВ дороже ферритовых, но меньшая их масса, из-за уменьшенной толщины магнитов, приводит к общему снижению стоимости Корректно спроектированный стартерный электродвигатель с высокоэнергетическими магнитами имеет ту же стоимость, что и стартерный электродвигатель с ферритовыми магнитами В целом цена разных вариантов стартерных электродвигателей отличается несущественно Результаты сравнительного анализа сведены в таблицу

Таблица. Сравнительный анализ стартерных электродвигателей при работе

в электропусковой системе с аккумуляторной батареей 6СТ55

Возбуждение Электромагнитное последователь- Магнитоэлектрическое

ферритовые магниты магниты NdFeB

О 50 100 150 П, об/мин

Рис 12 Пусковая частота вращения при температуре пуска -30°С 2 - стартера с магнитами NdFeB, 3 - стартера с ферритовыми магнитами, 4 - ДВС

ное Ьм=9 мм Ьм=9 мм Ьм=1,2 мм 11м=0,8 мм

№ варианта 1 2 3 4 5

Диаметр, м 0,08 0,08 0,08 0,08 0,0636

Длина, м 0,274 0,254 0,254 0,254 0,254

Температура, °С +20 -30 +20 -30 +20 -30 +20 -30 +20 -30

Рэм. макс, Вт 1623 630 1650 650 1642 647 1650 650 1650 650

1п, А 680 280 702 302 702 302 702 302 702 302

Пхх, об/мин 4200 4150 2799 2790 1440 1295 2199 1970 2799 2460

Мп, Нм 19,8 7,93 21,1 9,43 41,0 20,3 26,8 13,4 21,1 10,7

Цена, руб 2140 2266 3365 2314 2228

Выполнено конечно-элементное моделирование и исследование тепловых полей стартерного электродвигателя с возбуждением от магнитов ШРеВ. С целью контроля максимально возможных температур в магнитах произведены расчеты стационарных тепловых полей в продолжительном режиме работы. В таком режиме стартерный электродвигатель сильно перегревается. Показано распределение температур, векторов теплового потока и изотерм в стартерном электродвигателе с магнитами ШРеВ при температуре пуска +20 °С, номинальном токе 280 А и номинальной частоте вращения. Такие режимы недопустимы, но их расчет позволяет выявить сравнительные характеристики стартеров с разными магнитами, по максимальной температуре магнита делать заключение о сохранении их работоспособности при наиболее тяжелых условиях работы. Выполнены расчеты для разных токов и разных температур пуска. Выявлено, что стартеры с магнитами ШРеВ, имеющими в 3,6 раза больший коэффициент теплопроводности, обеспечивают более благоприятный тепловой режим работы стартеров. Даже в продолжительном режиме работы температура магнитов не превосходит максимально допустимую. Перепад температур по массиву ферритовых магнитов может достигать 10 °С, а с магнитами ШРеВ - 0,7 °С. Выполнен расчет нестационарного теплового поля стартерного электродвигателя с постоянными магнитами при первой попытке пуска. Выявлено, что за время пуска температура частей стартера не успевает значительно увеличиться. Максимальное превышение температуры обмотки якоря составляет 151 °С, магнита - 5,2 °С, сердечника якоря -33 °С (рис. 13). Превышения температуры незначительны, поэтому увеличением температуры магнитов и ухудшением их магнитных свойств во время пуска можно пренебречь.

|

\ :

ч

: V

1 V!

; /Кз

/

/ : ; 2 / 1 —

Рис. 13. Изменения превышений температур во времени пуска: 1 - обмотки якоря, 2 - магнита, 3 - сердечника якоря

Далее рассмотрено направление изменения конструкции магнита с целью снижения влияния реакции якоря, более эффективного использования объема машины.

По результатам исследований сделаны выводы по главе.

В четвертой главе приведены результаты проведенной опытной реконструкции индуктора и экспериментальных исследований характеристик стартерного электродвигателя 5702.3708 с возбуждением от высокоэнергетических магнитов ШРеВ. Были заказаны и получены в ОАО «Магнетон» требуемые магниты ШРеВ толщиной 1,2 мм (рис. 14). Поскольку новые магниты значительно тоньше ферритовых, для использования старой станины стартера пришлось выполнить дополнительный полюсный наконечник. Якорь стартера оставался неизменным. Модернизированная конструкция полюса была установлена в прежний корпус стартерного электродви-1 гателя. При проведении экспериментальных исследований электродвигателя с модернизированным индуктором использовался испытательный стенд модели Э242 (рис. 15), предназначенный для контроля исправности автомобильных стартеров в режимах холостого хода и пуска. Описаны испытательная установка и методика определения характеристик стартерного электродвигателя.

Рис. 14. Магниты индуктора: 1 - ферритовые толщиной 9 мм, 2 - магниты ШИеВ толщиной 1,2

Графики изменения опытных пусковых моментов стартерных электродвигателей с индукторами с разными магнитами при одном и том же пусковом токе якоря 702 А в сравнении с расчетными пусковыми моментами для магнитов МБеВ при изменении температуры приведены на рис. 16. Результаты опытных данных обозначают действительное повышение пускового момента стартерного электродвигателя с магнитами Ыс1РеВ с по-

Рис. 15. Экспериментальная установка со стартером для определения характеристик

♦ Магнит Ыс]ГеВ » ферритовыйПМ —л— Магнит N Ь ре В Расч

Рис. 16. Пусковые моменты стартерных электродвигателей с разными магнитами при разных температурах пуска для тока якоря 702 А

нижением температуры пуска Увеличение момента достигает 28,78 % при изменении температуры на 103 °С, то есть с температурным коэффициентом изменения -2,8 %/ °С, что хорошо соотносится с расчетными данными Максимальное расхождение опытных и расчетных данных пусковых моментов укладывается в 10 % Зависимость пускового момента от температуры при одном и том же токе якоря для электродвигателя с ферритовыми магнитами в десять раз меньше, чем для магнитов ШРеВ, имеет обратную тенденцию и укладывается в погрешность опытов

Результаты измерений тока (10, А) и частоты вращения холостого хода (N0, об/мин) стандартного стартера с ферритовыми магнитами и стартера с модернизированной системой возбуждения и магнитами ИсШеВ при разных температурах приведены на рис 17 С уменьшением температуры возрастают магнитные свойства магнита ШРеВ и частота вращения при холостом ходе снижается С увеличением частоты вращения при холостом ходе возрастает ток холостого хода, так как возрастают механические потери

• Магнит ЖРеВ ■ ферритавыйПМ « МажитШРеВ ■ Феррилмьи ПМ

а б

Рис 17 Токи (а) и частоты вращения (б) холостого хода электродвигателей с разными магнитами

с изменением температуры

Результаты экспериментов в целом подтвердили расчетные данные о повышении пусковых свойств стартерных электродвигателей с магнитами ШРеВ при низких температурах

По результатам экспериментальных исследований сделаны выводы по главе

В заключении приводятся результаты и выводы по работе в целом

Далее приводится список литературных источников.

В приложениях приводятся акт получения из ОАО НПО «Магнетон» образцов магнитов ШЕеВ, акты внедрения результатов диссертационной работы в Сызран-ской СТО, НТЦ ОАО «АвтоВАЗ», ОАО «Завод им Тарасова», которые служат дополнительным подтверждением правильности полученных результатов

ОБЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1 Для неявнополюсного стартерного электродвигателя с шихтовым сердечником индуктора с распределенными обмотками установлено, что отсутствие полюсных наконечников позволяет исключить влияние их насыщения в пусковых режимах, повысить поток и момент при пуске, применение шихтованного сердечника индуктора позволяет исключить демпфирование основного магнитного потока в момент пуска и увеличение тока и насыщения магнитопровода в режиме пуска при последовательном возбуждении приводит к росту коэффициента полюсного перекрытия, пускового потока и момента, при смешанном возбуждении для коэффициента полюсного перекрытия параллельной обмотки возбуждения меньшем коэффициента последовательной обмотки в режиме пуска возрастают магнитный поток и пусковой момент, усечение наружной поверхности, объединение последовательной и компенсационной обмоток позволяют снизить расход провода и стали, улучшить коммутацию

2 Разработана компьютерная система проектирования и расчета характеристик магнитоэлектрических стартерных электродвигателей при разных температурах

3 Рассчитаны и проанализированы магнитные и тепловые поля стартерных электродвигателей разных конструкций, выполнен сравнительный анализ их характеристик при разных температурах пуска

4 Для стартерного электродвигателя с высокоэнергетическим магнитом ШРеВ установлено, что по сравнению с ферритовыми магнитами объем магнитов КёРеВ может быть снижен до 12,5 раз, что позволяет уменьшить диаметр корпуса на 25,8% (80 мм и 63,8 мм) или на один габарит, применение магнитов ШРеВ позволяет при температуре пуска -30 °С повысить магнитный поток и пусковой момент на 13,5 %, снизить частоту вращения при холостом ходе, пусковой момент стартера 5702 3708 с магнитами ШРеВ при работе с аккумуляторной батареей 6СТ55 при уменьшении температуры пуска с +20 °С до -30 °С снижается в 1,97 раза, в то время как у стартеров с ферритовыми магнитами в 2,24 раза, более дорогие, но небольшие магниты ШРеВ имеют такую же стоимость, что и менее дорогие, но более объемные ферри-товые магниты, стартерный электродвигатель с магнитами ШРеВ имеет пускову частоту вращения при температуре -30 °С на 13 % большую и более низкую мини мальную температуру пуска двигателя внутреннего сгорания, чем стартер с ферри товыми магнитами, что обеспечивает более надежный запуск двигателя при низы температурах, температурный режим стартерных электродвигателей с магнитам ШРеВ менее напряженный, чем с ферритовыми магнитами, перепад температур п массиву ферритовых магнитов может достигать 10 °С, с магнитами ШИеВ - 0,7 °С

5 Результаты экспериментальных исследований подтвердили эффективност применения конструкции индуктора стартерного электродвигателя с магнитам ШРеВ для повышения пусковых свойств при низких температурах пуска

6 Сравнение расчетных результатов с экспериментальными исследованиям опытного образца свидетельствуют об адекватности и эффективности применеш предложенных в диссертации подходов, моделей, алгоритмов и конструкций

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В рекомендованных ВАК научных журналах и изданиях

1 Гнутов, С К Характеристики стартерных электродвигателей с электромагнитным возбуждением и возбуждением от постоянных магнитов / Ю Б Казаков Ю Б , С К Гнутов, А А Лазарев // Вестник ИГЭУ -2006 - № 4 -С 72-74

2 Гнутов, С К Применение магнитов NdFeB в стартерах для повышения их пусковых свойств при низких температурах / Ю Б Казаков, С К Гнутов, А А Лазарев, Лазарев А Г // Перспективные материалы - 2008. №3 -С 292-296

В других журналах и изданиях

3 Гнутов, С К Устройство защиты двигателя от перегрузки / С К Гнутов // Материалы молодежной конференции «Научный потенциал - XXI веку», Сф Сам ГТУ, Сызрань, 2002 - С 35

4 Гнутов, С К Неявнополюсный стартерный электродвигатель / Ю Б Казаков, С К Гнутов А А. Лазарев // "Состояние и перспективы развития электротехнологии" Тезисы докл междун н.-т конф - Иваново, ИГЭУ, 2005, II том, с 93.

5 Гнутов, С К Повышение эффективности пазовых клиньев из магнитоэлектрических материалов / А Г Лазарев, А А Лазарев, С К Гнутов // Сборник научн трудов XII Плесской Междун конф но магнитным жидкостям / Ивановский гос энергетич ун-т - Иваново-Плес, 2006 - С 399-400

6 Гнутов, С К Сравнительный анализ стартерных электродвигателей с электромагнитным возбуждением и возбуждением от постоянных магнитов / Ю Б Казаков, А А Лазарев. С К Гнутов // "Состояние и перспективы развития электротехнологии" Материачы междун н-т конф - Иваново, ИГЭУ, 2006, с 210-212

7 Гнутов, С К Модернизация магнитоэлектрической системы возбуждения стартерных электродвигателей / Ю Б Казаков, С К Гнутов, А А Лазарев // Труды II Всеросс научн -техн конф с междунар участием «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» / Тольяттинский гос университет - Тольятти, 2007 - Часть II - С 23-27

8 Гнутов, С К Опытная реконструкция индуктора магнитоэлектрического сгартерного электродвигателя / Ю Б Казаков, А А. Лазарев, С К Гнутов // "Состояние и перспективы развития электротехнологии" Материалы междун н -т конф -Иваново, ИГЭУ, 2007, II том, с 76-77

Личный вклад автора. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат в работах [1,4,5,6] - разработка алгоритмов расчета характеристик, [2,7,8] - разработка, изготовление и исследование модернизированной конструкции

Разрешено к печати диссертационным советом Д 212 217 04 Протокол № _6_ от 13 05 2008 г

Заказ № 28 Тираж 100 экз Отпечатано на ризографе Самарский государственный технический университет Типография Сам ГТУ 443100 г Самара, ул Молодогвардейская, 244