Start explosion engines Starters with high-energy temperature dependent MAGNET

Full Text

Для запуска двигателей внутреннего сгорания (ДВС) применяют электростартерные системы пуска (ЭСП), содержащие аккумуляторную батарею (АБ), электромагнитное тяговое реле, стартер, реле блокировки, редуктор и другие элементы [1]. ЭСП должна разогнать ДВС и вращать его с частотой вращения n>nМИН (угловая скорость вращения ω) в течение времени tПУСК. Ограниченная мощность АБ требует быстрого и гарантированного запуска ДВС, поэтому ЭСП должны иметь высокие динамические показатели - малое время разгона ДВС и достаточно высокую n. Гарантированный запуск должен осуществляться для АБ, разряженной до ΔСР=25 %, не более чем за zП = 3 попытки пуска с интервалами между ними 1 мин в диапазоне температур Т от -30 до +30 °С. При снижении Т запуск ДВС затрудняется - изменяются сопротивления элементов ЭСП, уменьшаются емкость и ток КЗ IКЗ АБ, возрастают nМИН, tПУСК, вязкость моторного масла ν и момент сопротивления ДВС МДВС. Неисправности ЭСП автомобилей ВАЗ в гарантийный период достигают 18 % всех неисправностей [2]. Это обуславливает целесообразность совершенствования ЭСП и необходимость корректного прогнозирования динамических характеристик ЭСП. Рассматривалась ЭСП ДВС автомобиля ВАЗ со стартером 5702.3708 и АБ СТ-55 А.ч. В стартере применены ферритовые постоянные магниты (ПМ) 28СА250. Высокоэнергетические ПМ на основе соединений NdFeB имеют более сильные магнитные свойства (рис. 1). В целях совершенствования стартера 5702.3708 ПМ 28СА250 толщиной 9 мм заменены на ПМ NdFeB толщиной 1.2 мм (рис. 2), которые обеспечивают магнитный поток в стартере Ф при Т = +25 °С такой же, как и с ферритовыми большей толщины ПМ. Число полюсов, якорь, диаметр и толщина корпуса стартера не менялись. Число полюсов, якорь, диаметр и толщина корпуса стартера не менялись. Разработанный стартер с ПМ NdFeB стоит не дороже, чем стартер с ферритовыми ПМ. Рис. 1. Магнитные свойства ферритовых и высокоэнергетических ПМ при Т = 20 °С Рис. 2. Магниты индуктора: 1 - ферритовые 9 мм; 2 - NdFeB 1,2 мм а б Рис. 3. Магнитные характеристики ПМ NdFeB при разных Т а - характер изменения коэрцетивной силы в диапазоне температур 20-100°С; б - характер изменения коэрцетивной силы в диапазоне температур -30-100°С У ПМ 28СА250 магнитные свойства не зависят от Т. С целью улучшения пусковых характеристик при низких T перспективно применение в стартерах ПМ с возрастающим Ф при снижении T [3, 4]. Больший Ф будет обеспечивать больший электромагнитный момент стартера МЭМ, что приведет к более быстрому разгону ДВС, т. е. улучшению динамических свойств ЭСП при низких Т. Магнитные свойства ПМ NdFeB усиливаются с изменением Т - для остаточной индукции с коэффициентом bВ = -0,12 %/°С, для коэрцитивной силы с bН = -0,6 %/°С. Так, при снижении Т на 100 °С коэрцитивная сила ПМ NdFeB может возрасти до 60 % (рис. 3) [5]. Применяемое в настоящее время моделирование пусковых характеристик ЭСП [6] не всегда учитывает возникновение в динамических режимах взаимосвязанных переходных процессов: электромагнитных переходных процессов в электрических и магнитных цепях, механического процесса разгона стартером ДВС, переходного теплового процесса нагрева элементов ЭСП. В процессе пуска вследствие изменения магнитных свойств ПМ при разных Т, тока I, потока реакции якоря Фа, определяемого I, демпфирования Фа наводимыми вихревыми токами в сплошных проводящих элементах конструкции - сплошном корпусе, массиве ПМ, ферромагнитных полюсных вставках, определяемых скоростью изменения тока dI/dt, в стартере сложным образом меняются результирующий магнитный поток Ф и I. Изменение магнитных свойств ПМ NdFeB с изменением Т и температурное ограничение работы для них до 155 °С требуют корректного взаимоувязанного термомагнитного анализа состояния этих ПМ в переходных процессах и аварийных режимах. Сочетание разнонаправленных зависимостей повышает сложность расчетного анализа динамических характеристик ЭСП с термозависимыми ПМ в стартерах в процессе пуска ДВС. Поэтому моделирование динамических режимов работы ЭСП со стартерами на основе ПМ NdFeB при пуске, в старт-стоповом режиме с учетом меняющихся параметров АБ, стартера и других элементов ЭСП в процессе пуска требует использования моделей с учетом влияния Т на параметры пуска, численных моделей электромагнитных и тепловых полей [7], организации взаимодействия систем расчета переходных электромеханических процессов и нестационарных физических полей. Математическая модель ЭСП с термозависимыми ПМ в стартерах может быть представлена в виде системы уравнений: (1) Напряжение АБ UАБ зависит от Т, ΔСР, I, внутреннего сопротивления RАБ, которое, в свою очередь, зависит от Т, ΔСР, zП. С повышением Т снижается RАБ, возрастают UАБ и ток КЗ IКЗ. Вольт-амперные внешние характеристики АБ 6СТ-55М для некоторых переменных представлены на рис. 4. Сопротивление обмотки якоря стартера Rа с повышением Т возрастает. Так, при Т = +25 °С Ra+25 = 3,33 . 10-3 Ом, RАБ+25 = 10,9 . 10-3 Ом, суммарное сопротивление ЭСП RЭСП+25 = 0,01423 Ом, что соответствует пусковому току в ЭСП IП+25 = 702 А. При Т = -30 °С RЭСП -30 = 0,03306 Ом и IП-30 = 303 А. Индуктивность обмотки якоря стартера La при номинальном токе IН = 286 A составляет 0,0164 мГн. Общая индуктивность цепи ЭСП L, включающая La, индуктивности АБ, втягивающего реле и коммутационной аппаратуры принята 0,04 мГн. La снижается с увеличением I, так как зависит от насыщения магнитной цепи и изменяется с изменением Ф. ΔUЩ - падение напряжения на щетках; ea - ЭДС обмотки якоря; М0 - момент холостого хода стартера, определяемый механическими потерями, зависящими от ω, и потерями в стали, зависящими от Ф и ω; J - момент инерции системы «стартер - ДВС», для рассматриваемого примера J = 146,99, кг.м2. МДВС возрастает с повышением nДВС, ν и объема цилиндров VЦ ДВС. С понижением Т существенно возрастает вязкость моторного масла ν. Так, для масла 15W-30 при Т = -18 °C ν-18 = 6 000 мм2/с, при Т = +100 °C ν+100 = 10 мм2/с. При Т < 0 °C зависимость может быть представлена в виде соотношения . При Т > 0 °C - . На основе системы уравнений (1) разработана структурно-функциональная схема имитационного моделирования динамических режимов ЭСП [8]. Нелинейные зависимости задавались в виде функциональных соотношений. Некоторые функции аппроксимировались кубичными полиномами. Для определения зависимостей Ф = f(I, dI/dt, Т) с учетом насыщения магнитной системы, наводимых вихревых токов использовано конечно-элементное моделирование стационарных и нестационарных магнитного и теплового полей в поперечном сечении стартера в системе Elcut [9] при разных I и Т с учетом потоков торцевого и бокового рассеяний ПМ. Учтены нелинейности магнитных и теплофизических характеристик, тепловыделений, влияние на пазовые токи щеточного перекрытия и сдвига щеток и др. Принято, что намагниченность ПМ распределена по объему и является функцией магнитной индукции; магнитное состояние элементов ПМ определяется кривой возврата. Конечно-элементные модели содержали до 80 000 треугольных конечных элементов. Для достижения корректных результатов моделирования пусковых процессов в ЭСП реализована итерационная процедура взаимодействия системы моделирования динамических режимов и системы моделирования нестационарных физических полей в стартере (рис. 5). Выполняется уточнение параметров в одной системе и задание их в качестве исходных данных в другую систему. На первой итерации рассчитываются стационарные магнитные поля для ряда значений I = 0÷703 А при Т = +25 °C и I = 0÷303 А при Т = -30 °С, определяются Ф с учетом насыщения стали и действия реакции якоря. В результате расчетов получена зависимость Ф = f(I, Т) в виде полиномов третьей степени: - при Т = +25 °C Вб; - при Т = -30 °С Вб. Полученные зависимости заданы в модель динамических режимов ЭСП, из расчета которой получены зависимости I = f(t, Т) в виде экспонент: - при Т = +25 °C - при Т = -30 °C Далее зависимости I = f(t, Т) заданы в модель расчета нестационарных магнитных полей со значениями электропроводности стали γ+25 = 4,106 и γ-30 = 5,106 См/м при Т = +25 и -30 °C для учета влияния наводимых вихревых токов в массивах. Результаты второй итерации расчетов магнитных полей - аппроксимирующие полиномы: - при Т = +25 °C Вб; - при Т = -30 °С Вб. Зависимости вновь заданы в модель динамических режимов ЭСП, из расчетов которой получены уточненные функции I = f(t, Т). Процесс повторяется до тех пор, пока зависимости не перестанут изменяться. ЭСП с применением в стартерах ПМ NdFeB изготовлена и испытана в динамических режимах с использованием компьютеризированного диагностического комплекса «Мотор-Тестер МТ10К» и блока автомобильной диагностики АМД-4А. На рис. 6 представлены осциллограмма и расчетная зависимость I = f(t) при пуске ДВС автомобиля LADA Priora для Т = -15 °С. Определено, что переходный процесс составляет 0,25-0,4 сек. Наблюдается удовлетворительное совпадение результатов. Выяснено, что при пуске изменяется Ф по сложному закону (рис. 7). До пуска существует поток ПМ - Ф0. При пуске I резко увеличивается, Фа и реакция якоря возрастают, Ф снижается. Динамическое нарастание Фа наводит в массивных элементах магнитной системы вихревые токи, пропорциональные dФа/dt или dI/dt, которые демпфируют в некоторой степени нарастание Фа и снижают реакцию якоря. По мере набора n ток I и реакция якоря снижаются, Ф возрастает. При расчете Ф в стартере без учета действия реакции якоря и вихревых токов погрешность определения Ф в первые моменты времени пуска ДВС достигает 40-50 %. С учетом действия вихревых токов Ф уменьшается в меньшей степени - до 35 %. При Т = 25 °С Ф25 в первый момент пуска снижается с 7,2 . 10-4 Вб при ХХ до 4,25 . 10-4 Вб при IП+25 - на 41 % (рис. 8). При Т = -30 °С в первый момент пуска Ф-30 снижается с 8,3 . 10-4 Вб при ХХ до 7,4 . 10-4 Вб при IП-30 - на 10,8 %. ПМ NdFeB обеспечивают Ф на 15,6 % больший, чем ферритовые ПМ. Снижение I для ПМ NdFeB при T= -30 оС (рис. 10, а) происходит интенсивнее, чем для ПМ 28СА250, что является положительным. Для ПМ NdFeB, по сравнению с ПМ 28СА250, ММАХ-30 возрастает на 14,7 % (рис. 9, б). Для ПМ NdFeB nУСТ-30, по сравнению с ПМ 28СА250, на 34 % больше (рис. 9, в) (550 и 410 об/мин, соответственно nДВС = 40 и 30 об/мин). ЭСП с ПМ 28СА250 осуществляет разгон до 410 об/мин за ~0,4 сек, а с ПМ NdFeB до той же скорости за ~0,13 сек, т. е. с более высокими динамическими показателями. Если учесть, что nМИН = 40-70 об/мин, то при Т = -30 °С стартер с ферритовыми ПМ может не запустить ДВС, а с ПМ NdFeB запустит. Обеспечивается более надежный запуск ДВС при низких температурах. Стартер с ПМ NdFeB будет иметь более низкую минимальную температуру запуска ДВС Тmin, чем стартер с ферритовыми ПМ. Экспериментальные температурные исследования изменения пускового момента МП (в режиме установившегося КЗ) проведены на стенде Э242 (рис. 10). Результаты опытных данных подтверждают повышение МП усовершенствованной ЭСП при I = 702 А на 28,78 % при понижении Т на 103 оС, что соответствует расчетам. В то же время опытная зависимость МП ЭСП с ферритовыми магнитами от температуры составляет всего 0,3 %/оС и укладывается в погрешность экспериментов. Рис. 10. Зависимость МП = f(Т) для I = 702 А: 1 - ПМ 28СА250; 2 - ПМ NdFeB (опыт); 3 - ПМ NdFeB (расчет) Выполнены исследования нагрева стартера в старт-стоповом режиме. Временные изменения объемных тепловыделений в стали и обмотке стартера, вызываемые изменениями в процессе пуска I, n и Ф, аппроксимировались экспоненциальными зависимостями и задавались в систему расчетов нестационарных тепловых полей. Перегрев обмотки якоря стартера за три попытки пуска ДВС с τП = 15 сек и интервалом между ними 1 мин составляет менее 70 °С (рис. 11), корпуса - 3 °С, ПМ NdFeB - 4 °С. Определено, что в аварийных режимах за время заторможенной попытки пуска - в режиме КЗ в течение 15 сек - Т обмотки якоря достигнет 151 °C, ПМ - 5,2 °C, сердечника якоря - 33 °C. Более всего перегревается и прежде всего выйдет из строя обмотка якоря, при этом Т ПМ NdFeB не превзойдет 115 °C. Коэффициент теплопроводности ПМ NdFeB выше, а толщина меньше, чем у ферритовых ПМ, поэтому тепловой режим стартеров с ПМ NdFeB менее напряженный. ПМ NdFeB даже при работе ЭСП в аварийных и недопустимых режимах не потеряют магнитных свойств и останутся в работоспособном состоянии. Заключение 1. Предложена электростартерная система пуска двигателей внутреннего сгорания с применением в стартерах высокоэнергетических магнитов с возрастающим магнитным потоком при понижении температуры, обеспечивающая при температуре пуска -30 °С возрастание, по сравнению с применяемыми ферритовыми магнитами, пусковой частоты вращения на 34 %, что гарантирует надежный запуск двигателя внутреннего сгорания. 2. Выполнено моделирование пусковых режимов работы электростартерной системы с использованием функциональных зависимостей изменения параметров в процессе пуска при разных температурах и итерационного взаимодействия систем моделирования переходных электромеханических процессов и нестационарных магнитных и тепловых полей в стартерах. Результаты экспериментов подтверждают расчеты и улучшение динамических характеристик электростартерной системы пуска при низких температурах. 3. Установлено, что за время трех попыток пуска и при работе в аварийных режимах температура высокоэнергетических магнитов не превышает максимально допустимых значений.

About the authors

Sergej K Gnutov

Samara State Technical University Branch In Syzran

(Ph.D. (Techn.)), Associate professor 45, Sovetskaya st., Syzran, Samara region, 446001, Russian Federation

Yuri B Kazakov

Ivanovo State Power University

(prof.), Head of the department "Electromechanics" 34, Rabfakovskaya st., Ivanovo, 153003, Russian Federation

Alexander G Lazarev

Samara State Technical University Branch In Syzran

(Ph.D. (Techn.)), Associate professor 45, Sovetskaya st., Syzran, Samara region, 446001, Russian Federation

Yegor A Shumilov

Samara State Technical University Branch In Syzran

(Ph.D. (Techn.)), Associate professor 45, Sovetskaya st., Syzran, Samara region, 446001, Russian Federation

References