Start explosion engines Starters with high-energy temperature dependent MAGNET

Abstract


The advanced electric starter system of internal combustion engines on the basis of starters with high-energy magnets with improved magnetic properties at low temperatures is developed. The mathematical models, structural and functional simulation schemes are investigated. The characteristics of the system start-up using the results of calculations of non-stationary magnetic and thermal fields at different start temperatures are developed. The results of calculations and experiments confirm the improvement of dynamic characteristics of the start-up system at low temperatures. High-temperature of magnets during three start attempts and in emergency conditions does not exceed the maximum allowable values.

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

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

Yuri B Kazakov

Ivanovo State Power University

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

Alexander G Lazarev

Samara State Technical University Branch In Syzran

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

Yegor A Shumilov

Samara State Technical University Branch In Syzran

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

References

  1. Акимов С.В., Чижков Ю.П. Электрооборудование автомобилей. - М.: КЖИ «За рулем», 2004. - 384 с.
  2. Чеботков Э.Г., Цопов Г.И., Тарановский В.Р. Виды и характеристики отказов системы электростартерного пуска и пути повышения надежности ее работы // Изв. вузов. Электромеханика. - 2007. - № 6. - С. 50-53.
  3. Chan C.C., Chau K.T. An Advanced Permanent Magnet Motor Drive System for Battery Power Electric Vehicles // IEEE Trans. on Vehicular Technology. - 1996. - Vol. 45. - № 1. - P. 180-186.
  4. Применение магнитов NdFeB в стартерах для повышения их пусковых свойств при низких температурах / Ю.Б. Казаков, С.К. Гнутов, А.А. Лазарев, А.Г. Лазарев // Перспективные материалы. - 2008.- № 3. - С. 292-296.
  5. Магнитные свойства магнитов NdFeB: Пресс-релиз НПО «Магнетон». - Владимир, 1999. - 5 с.
  6. Северин А.А. Математическое моделирование при исследовании режимов работы автомобильных стартеров // Автотракторное электрооборудование. - 2004. - № 3. - С. 21-25.
  7. Казаков Ю.Б. Анализ магнитных и тепловых полей магнитоэлектрических машин с учетом термозависимости свойств магнитов // Электричество. - 2001. - № 12. - С. 23-27.
  8. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink. - 1-е изд. - М.: ДМК Пресс, 2007. - 288 с.
  9. Руководство пользователя программным комплексом ELCUT 5.5. - СПб: ПК «ТОР», 2007. - 298 с.

Statistics

Views

Abstract - 53

PDF (Russian) - 6

Cited-By


Article Metrics

Metrics Loading ...

PlumX

Dimensions

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2017 Samara State Technical University

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies