Электромагнитное поле гибридного автомобиля

Аннотация

Анализ и оценка источников электромагнитного поля автомобиля позволит решать принципиально новые задачи по снижению негативного воздействия этих полей на человека и окружающую среду.

Полный текст

Современный автомобиль является, с одной стороны, одним из достижений научно – технического прогресса, который делает человека более мобильным и обеспечивает комфорт передвижения, а с другой – оказывает серьезное негативное воздействие как на окружающую среду, так и на человека. Сегодня принято оценивать экологичность автомобиля по уровню шума и содержанию вредных веществ в отработавших газах и воздействию этих выбросов на атмосферу. Однако увеличение количества и мощности электрооборудования автомобилей, а также появление на городских автодорогах гибридных автомобилей приводит к появлению еще одного значимого фактора негативного воздействия – электромагнитного поля. В свете ухудшения электромагнитной обстановки урбанизированных территорий проблема исследования внутренних и внешних электромагнитных полей автомобиля становится весьма актуальной. По литературным данным [1] процент электромагнитного загрязнения городской среды от автотранспорта составляет 18-32%. Проведены исследования показателей электромагнитного поля вдоль городской автомобильной дороги в зависимости от интенсивности дорожного движения. Результаты измерений представлены в таблице 1. Полученные результаты показывают, что в низкочастотном диапазоне (5 Гц – 2кГц) показатели электромагнитного поля возрастают с ростом интенсивности движения на дороге, в частотном диапазоне 2 кГц – 400 кГц не прослеживается явная зависимость магнитной индукции и напряженности электрического поля от интенсивности. Проведен анализ частотного диапазона электрооборудования современных автомобилей [1]. Частотные характеристики электрооборудования автомобиля представлены в таблице 2. Как видно из приведенных данных, автомобильный транспорт и его оборудование являются источниками электромагнитного поля как в низкочастотном, так и в радиочастотном диапазонах и вносят свой вклад в формирование электромагнитной среды обитания. На сегодняшний день практически все исследования электромагнитных полей автомобиля направлены на изучение электромагнитной совместимости с другими техническими средствами в радиочастотном диапазоне. Что же касается сведений по воздействию электромагнитных полей автотранспорта на окружающую среду, то анализ существующих источников показал их недостаточность и противоречивость [1, 2]. Таблица 1 Показатели электромагнитного поля Таблица 2 Частотные диапазоны электрооборудования автомобилей Также практически отсутствуют данные о внутренних и внешних электромагнитных полях гибридных автомобилей. Современный гибридный автомобиль представляет собой транспортное средство, приводимое в движение системой «двигатель внутреннего сгорания – электродвигатель». Признаком, позволяющим разделить гибридные транспортные средства по категориям, является тип взаимодействия двигателей. Сегодня различают последовательное (рисунок 1), параллельное (рисунок 2) и последовательно-параллельное подключение (рисунок 3). Рисунок 1 – Последовательная схема Рисунок 2 – Параллельная схема Рисунок 3 – Последовательно-параллельная схема Основным источником электромагнитного поля в рассматриваемых схемах является асинхронный электродвигатель переменного тока промышленной частоты 50 Гц и необходимый для его работы преобразователь напряжения (инвертор). Асинхронный электродвигатель на гибридных автомобилях функционирует не только как мотор, но и выполняет функцию генератора. В начале движения и при движении на малых скоростях электродвигатель работает как мотор, а в процессе торможения выступает в роли генератора. Можно предположить, что с появлением на городских автомобильных дорогах значительного числа гибридных автомобилей произойдет повышение показателей электромагнитного поля на частоте 50 Гц, а также на частотах, которые обусловлены работой преобразователя напряжения. Была исследована работа преобразователя напряжения и получены осциллограммы (рисунок 4). Рисунок 4 – Осциллограмма работы инвертора Данные осциллограммы показывают ступенчатую зависимость напряжения от времени, что является причиной появления электромагнитных полей различных частот (гармоник) по некоторым источникам в диапазоне от 5 Гц до 1 ГГц. Поэтому необходимо дальнейшее исследование по выявлению спектральной характеристики электромагнитного поля инвертора. Для удобства исследования источников электромагнитного излучения в свободном пространстве принято делить его на три зоны: ближнюю, переходную и дальнюю зоны. Критерием, по которому происходит деление, является расстояние r между источником поля и точкой измерения: для ближней зоны для промежуточной зоны , для дальней зоны . В ближней зоне (на примере элементарного диполя) преобладают Еθ и Еr – составляющие напряженности электрического поля, которые меняются пропорционально 1/r3, и Нφ – составляющая напряженности магнитного поля, пропорциональная 1/r2. В соответствии с этим ближняя зона описывается следующими математическими выражениями: , (1) , (2) . (3) В ближней зоне поле таково, что его реактивная плотность энергии, преобладает над активной. Для определения импеданса в этой зоне используется следующая формула: , где Z0=377 Ом. (4) В дальней зоне электрическое и магнитное поле изменяются в одинаковой фазе, активная плотность энергии преобладает над реактивной и характеризуется вектором Пойнтинга (Умова – Пойнтинга) [3]. Импеданс определяется по формуле [4]: Ом (5) На рисунке 5 показана зависимость импеданса от расстояния до источника. Рисунок 5 – Зависимость импеданса от расстояния В промежуточной области поле описывается формулой .Эту область иногда называют областью излучаемого ближнего поля или зоной дифракции Френеля. При наличии каких-либо ограничивающих устройств, например, при распространении волн в замкнутом объеме, в суммарной волне может присутствовать продольная составляющая. Тогда вектор активной плотности потока энергии (вектор Умова – Пойнтинга) и вектор реактивной плотности потока энергии имеют определенные значения (не равные нулю) и волна является поляризованной [3]. При исследовании внешнего и внутреннего электромагнитного поля гибридного автомобиля необходимо учитывать особенности распространения электромагнитного поля как в свободном пространстве, так и замкнутом объеме (тонкая структура поля). В настоящее время отсутствуют методы исследования спектральных характеристик источников электромагнитного поля автомобиля, а также механизм возникновения внешних и внутренних электромагнитных полей автомобиля, не проводятся исследования тонкой структуры электромагнитного поля, заключающиеся в определении пространственного распределения амплитудных и энергетических параметров поля (вектор Умова – Пойтинга, ротора и дивергенции). В связи с этим актуальным являются дальнейшие исследования, направленные на: · электромагнитный мониторинг транспортных потоков на городских автодорогах; · определение внешних и внутренних электромагнитных полей гибридных автомобилей; · разработку рекомендаций по снижению негативного воздействия электромагнитных полей на окружающую среду на этапе их проектирования.