Магнитоэлектрический стартерный электродвигатель с повышенными пусковыми свойствами при низких температурах

УДК 621.313

МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СТАРТЕРНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ С ПОВЫШЕННЫМИ ПУСКОВЫМИ СВОЙСТВАМИ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

КАЗАКОВ Ю.Б., д-р техн. наук, ЛАЗАРЕВ А.А., асп., ГНУТОВ С.К., инж.

Выполнена модернизация магнитоэлектрического стартерного электродвигателя для повышения пусковых качеств при низких температурах путем применения высокоэнергетических магнитов NdFeB с отрицательной температурной зависимостью магнитных свойств. Проведено численное моделирование магнитных полей в разных режимах, при разных температурах, для разных магнитов. Определены характеристики стартера. Показаны преимущества применения магнитов NdFeB.

Ключевые слова: стартер, высокоэнергетические магниты, магнитный поток, механические характеристики, пусковая частота вращения.

MAGNETOELECTRIC STARTER MOTOR WITH HIGH START-UP CHARACTERISTICS AT LOW TEMPERATURES

Yu.B. KAZAKOV, Doctor of Engineering, A.A. LAZAREV, Post-Graduate Student, S.K. GNUTOV, Engineer

The article is devoted to the modernization of magnetoelectric starter motor for increasing start-up characteristics at low temperatures by using high power NdFeB magnets with negative temperature depending on the magnetic properties. The authors conducted numerical simulation of magnetic fields in different modes, temperatures, and magnets. The starter characteristics are defined. Advantages in using NdFeB magnets are presented.

Key words: starter, high power magnets, magnet flow, mechanical characteristics, starting rotation frequency.

Температурный диапазон работы стартеров значителен. При пуске горячего двигателя внутреннего сгорания (ДВС) температура подкапотного пространства достигает +900С. Зимой пуск может производиться при температуре -300С. Сопротивление батареи возрастает с понижением температуры и разряженно-стью батареи. Сопротивление обмоток стартера снижается с понижением температуры. В целом, при низкой температуре пуска снижается пусковой ток и пусковой момент. Вязкость моторного масла и момент сопротивления ДВС при понижении температуры возрастают. Поэтому для стартеров затруднен запуск ДВС при низких температурах.

В настоящее время в ВАЗовских автомобилях десятого семейства применяются

стартеры 5702.3708 с возбуждением от ферри-товых магнитов толщиной 9 мм (рис. 1,а). Однако ферритовые магниты имеют невысокие магнитные свойства. С понижением температуры у этих стартеров также снижается пусковой момент, но в меньшей степени, чем для стартеров с электромагнитным последовательным возбуждением. Пусковой ток, не зависящий от марки магнита индуктора, при использовании аккумуляторной батареи 6СТ55 при снижении температуры пуска с +25 0С до -30 0С снижается с 703 А до 303 А.

Для улучшения пусковых свойств стартеров при низких температурах целесообразно применение высокоэнергетических магнитов ШРеВ [1]. Они имеют предельные магнитные свойства и обладают сильной отрицательной

Рис. 1. Магниты стартера: а - магниты 22БА220 толщиной 9 мм (1); магниты ШРеВ толщиной 1,2 мм (2); б - магнитные характеристики магнита ШРеВ при разных температурах

а

температурной зависимостью магнитных свойств. Так, для магнитов NdFeB, выпускаемых НПО «Магнетон», коэрцитивная сила увеличивается на 0,6 % при понижении температуры на 1 0С [2] (рис. 1,б). При низкой температуре такие магниты будут создавать повышенный магнитный поток, что обеспечит больший пусковой момент.

Были проведены расчеты характеристик нескольких вариантов стартерного электродвигателя [3] и определена целесообразная толщина магнитов NdFeB, создающих такой же магнитный поток в номинальном режиме, -0,7-0,9 мм (в 13 раз меньше ферритовых). Возможно применение магнитов NdFeB в виде сегментов тонкого кольца. Наружный диаметр стартера 80 мм может быть уменьшен на 16,4 мм и составит 63,6 мм. Но изменение наружного диаметра влечет изменение встроенного планетарного редуктора, мест крепления стартера. Поэтому наружный диаметр и толщину корпуса решено было не изменять. В НПО «Магнетон», по механическим соображениям, были изготовлены магниты NdFeB в виде пластин толщиной 1,2 мм (рис. 1,а). Новая конструкция полюса (рис. 2) была установлена в прежний корпус с добавочным зазором. Якорь с обмоткой не изменялись.

Рис. 2. Измененная конструкция: 1 - магнит; 2 - сталь

Использовано моделирование магнитного поля в поперечном сечении стартера в системе Біси при разных токах якоря и разных температурах с учетом результатов моделирования потоков торцевого рассеяния магнитов в продоль-

ном сечении. Учитывался сдвиг щеток, величина щеточного перекрытия. Коммутация принималась линейной. Конечно-элементные модели содержали несколько сотен тысяч элементов. Распределения линий магнитного потока в разных режимах представлены на рис. 3. Распределение индукции представлено на рис. 4.

По результатам расчетов магнитных полей определено, что магнитный поток в стартере с магнитами ШРеВ зависит от температуры и тока якоря. Так, поток в режиме холостого хода при снижении температуры с +20 0С до -30 0С возрастает на 15,3 %. Для температуры +25 0С поток на полюс снижается с 7,2-10-4 Вб при холостом ходе до 3,18-10-4 Вб при пусковом токе 703 А. Для температуры -30 0С поток на полюс снижается с 8,3-10-4 Вб при холостом ходе до 7,13-10-4 Вб при пусковом токе 303 А.

На рис. 5 представлены механические характеристики стартеров с разными магнитами и при разных температурах. Частота вращения идеального холостого хода (ток якоря 1а = 0) снижается для стартера с магнитами ШРеВ с Пхх№+20 = 2799 до пххмй-30 = 2460 об/мин, то есть на 13,8 %, с температурным коэффициентом -0,276 %/0С. Для стартера с ферри-товыми магнитами она остается без изменения - пхХФеррит = 2799 об/мин. Пусковой момент у стартера 5702,3708 с магнитами ШРеВ при работе совместно с аккумуляторной батареей 6СТ55 при уменьшении температуры пуска с +20 0С до -30 0С снижается в 1,97 раза (Мпш+20 = 21,09 Н*м, М|-|ш-30 = 10,67 Н*м), то есть с температурным коэффициентом 3,94 %/0С. Для стартеров с ферритовыми магнитами такое снижение больше в 2,24 раза

температурный коэффициент - 4,48 %/0С. Это положительное явление для стартера с магнитами ШРеВ, так как пусковой ток аккумуляторной батареи с понижением температуры снижается, а возрастание магнитного потока постоянного магнита ШРеВ в определенной степени компенсирует снижение пускового момента.

Рис. 4. Распределение нормальной индукции в зазоре стартера с магнитами ЫСРеВ в режиме ХХ: 1 - при температуре 20 0С; 2 - при температуре -30 0С

Рис. 5. Механические характеристики стартерного электродвигателя: 1 - с ферритовыми магнитами или магнитами ЫСРеВ при температуре пуска +20 0С; 2 - с магнитами ЫСРеВ при температуре пуска -30 0С; 3 - с ферритовыми магнитами при температуре пуска -30 0С

Механическая характеристика стартера с магнитами ЫСРеВ более «мягкая», чем механическая характеристика стартера с ферритовыми магнитами. Большая «мягкость» механической характеристики стартера с магнитами ЫСРеВ обеспечивается, в том числе, противоположными температурными зависимостями сопротивления батареи и магнитных свойств магнита. Обе механические характеристики пересекаются при половинном токе короткого замыкания и максимальной мощности стартеров. Это свидетельствует о правильном выборе конструкции стартерного электродвигателя с высокоэнергетическими магнитами. При холостом ходе из-за отличающихся магнитных потоков при одинаковой частоте вращения момент на валу стартера с высокоэнергетическими магнитами становится меньше момента стартера с ферритовыми магнитами. При режимах, близких к режиму короткого замыкания, - наоборот, при одинаковой частоте вращения момент на валу стартера с высокоэнергетическими магнитами становится больше, чем момент стартера с ферритовыми магнитами. Оба эти различия подчеркивают преимущества

стартерного электродвигателя с высокоэнергетическими магнитами при холодном пуске, так как пусковой момент становится больше, а частота вращения при холостом ходе меньше. С ростом температуры свойства магнитов падают, но снижается и сопротивление аккумуляторной батареи, что повышает пусковой ток и обеспечивает необходимый пусковой момент.

На рис. 6 на механические характеристики стартерных электродвигателей с феррито-выми магнитами толщиной 9 мм и магнитами ЫСРеВ при температуре -30 0С наложена зависимость момента сопротивления ДВС. Точки пересечения характеристик дают пусковую частоту вращения: пПФер - для двигателя с ферритовыми магнитами, пПмс - для двигателя с магнитами ЫСРеВ. Момент сопротивления на коленчатом валу ДВС больше, а его частота вращения меньше, чем у стартерного электродвигателя, в 14,33 раза - передаточное число между шестерней стартера и шестерней маховика. Стартерный электродвигатель с ферритовыми магнитами при температуре -30 0С обеспечивает пусковую частоту вращения 69,78 об/мин, а стартерный электродвигатель с магнитами ЫСРеВ на 13,5 % большую -79,2 об/мин. Так как минимальная пусковая частота вращения для карбюраторных ДВС составляет 40-70 об/мин, то при температуре -30 0С стартерный электродвигатель с фер-ритовыми магнитами может не запустить ДВС, а стартерный электродвигатель с магнитами ЫСРеВ сможет. Стартерный электродвигатель с магнитами ЫСРеВ имеет более низкую минимальную температуру пуска ДВС. Таким образом, более надежный запуск ДВС обеспечивается при низких температурах.__________________

Рис. 6. Определение пусковой частоты вращения при температуре пуска -300С: 2 - стартера с магнитами ЫСРеВ; 3 -стартера с ферритовыми магнитами; 4 - ДВС

На стенде Э242 были проведены экспериментальные исследования усовершенствованного стартера при его работе в установившихся режимах (рис. 7). Результаты в целом подтвердили расчетные данные [4].

Список литературы

1. Казаков Ю.Б., Щелыкалов Ю.Я. Совершенствование конструкции активной зоны стартерных электродвигателей: Мат-лы Всероссийск. электротехн. конгресса / Академия электротехнических наук РФ. - М., 2005. - С. 162-164.

2. Казаков Ю.Б. Анализ магнитных и тепловых полей магнитоэлектрических машин с учетом термозависимости свойств магнитов // Электричество. - 2001. - № 12. -С. 23-27.

3. Казаков Ю.Б., Лазарев А.А., Гнутов С.К. Характеристики стартерных электродвигателей с электромагнитным возбуждением и возбуждением от постоянных магнитов // Вестник ИГЭУ. - 2006. - Вып. 4. - С. 72-74.

4. Казаков Ю.Б., Лазарев А.А., Гнутов С.К. Опытная реконструкция индуктора магнитоэлектрического стартерного электродвигателя: Мат-лы Междунар. науч.-техн. конф. «Состояние и перспективы развития электротехнологии» / Иван. гос. энерг. ун-т. - Иваново, 2007. - Т. 2. - С. 76-77.

Казаков Юрий Борисович,

ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», доктор технических наук, профессор кафедры электромеханики, e-mail: elmash@em.ispu.ru

Лазарев Александр Александрович,

ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», аспирант кафедры электромеханики, e-mail: elmash@em.ispu.ru

Гнутов Сергей Константинович,

Сызранский филиал Самарского государственного технического университета, старший преподаватель, e-mail: elmash@em.ispu.ru