авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Разработка и исследование стартерных электродвигателей с повышенными пусковыми свойствами при низких температурах

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ГНУТОВ Сергей Константинович

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 – 2009

Работа выполнена в филиале Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет» в г. Сызрани

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 диссертации состоится «17» февраля 2009 года в 10.00 час. на заседании диссертационного совета Д 212.217.04 при Самарском государственном техническом университете (СамГТУ) по адресу: г. Самара, ул. Первомайская, 18 в учебном центре СамГТУ - Электрощит.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СамГТУ, с авторефератом – на официальном сайте СамГТУ http://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 «15» января 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д 212.217.04,

кандидат технических наук, доцент Е.А. Кротков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Стоимость электрооборудования в автомобиле достигает трети его стоимости и постоянно возрастает. Четвертая часть неисправностей автомобилей связана с неисправностями электрооборудования. Число электрических машин в современных автомобилях достигает сотен: генераторы, стартеры, двигатели блокировки дверей, вентиляции и др. Наиболее мощным электромеханическим преобразователем в автомобилях с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) является стартерный электродвигатель. Мощность стартеров достигает 12 кВт. За год производится несколько миллионов стартеров. Стартерные электродвигатели работают в кратковременном режиме с предельными электромагнитными нагрузками при питании от источника соизмеримой мощности. Особенности их конструкции по сравнению с электродвигателями общепромышленного исполнения обусловлены совмещением с механизмом привода. Пуск ДВС может происходить при температурах воздуха от -50 0С до +50 0С. Температура в подкапотном пространстве летом может достигать +90 0С. Наиболее тяжело осуществляется пуск стартерами ДВС при низких температурах, когда вязкость моторного масла и момент сопротивления ДВС возрастают. При снижении температуры сопротивление аккумуляторной батареи возрастает, максимальный ток и отдаваемая мощность уменьшаются. Это приводит к снижению частоты вращения стартером ДВС и затрудненному его запуску.



В развитие современных конструкций и методов расчетов стартерных электродвигателей большой вклад внесли ученые: 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., Чижков Ю.П., Фесенко М.Н., Филатов Б.С., Ютт В.Е. и другие.

Направления совершенствования и разработки 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, создании интегрированных стартер-генераторов на основе вентильных асинхронных, синхронных и индукторных машин.

Разработкой специальных электрических машин постоянного тока – неявнополюсных с электромагнитным возбуждением, магнитоэлектрических и вентильных занимались ученые: Антипов В.Н., Афанасьев А.А., Бертинов А.И., Бут Д.А., Глебов И.А., Демирчян К.С., Иванов-Смоленский А.И., Кожевников В.А., Копылов И.П., Костырев М.Л., Кузнецов В.А., Ледовский А.Н., Нестерин В.А., Овчинников И.Е., Орлов И.Н., Скороспешкин А.И., Шереметьевский Н.Н. и другие.

При работе в стартере создаются физические поля магнитное, электрическое, тепловое и механическое. Важно осуществлять оценку полей на стадии разработки стартерных электродвигателей. В электродвигателях с магнитами, обладающими термозависимыми магнитными свойствами необходим взаимоувязанный расчет магнитных и тепловых полей. Потери в стали и нагрев магнитопроводов зависят от потока магнита, тогда как его магнитные свойства зависят от температуры.

Таким образом, совершенствование конструкций, применение высокоэнергетических постоянных магнитов, разработка методики проектирования, системы расчета эксплутационных показателей и электромеханических характеристик стартерных электродвигателей с улучшенными пусковыми свойствами является актуальной научно-технической задачей.

Цель диссертационной работы улучшение пусковых свойств стартерных электродвигателей при низких температурах на основе совершенствования конструкции и применения современных материалов.

Основные задачи

  • Разработать и проанализировать неявнополюсную конструкцию шихтованного индуктора с распределенными обмотками возбуждения для повышения пускового момента стартерного электродвигателя.
  • Разработать методику, программу проектирования и расчета эксплуатационных показателей и электромеханических характеристик магнитоэлектрических стартерных электродвигателей на основе моделирования магнитных полей при разных температурах.
  • Выполнить исследования стартерных электродвигателей в разных режимах и при разных температурах пуска на основе моделирования взаимосвязанных магнитных и тепловых полей.
  • Для повышения пускового момента стартерного электродвигателя при низких температурах разработать, исследовать и испытать двигатель с высокоэнергетическими магнитами.

Методы исследований

Использованы методы математического анализа, в частности дифференциальные уравнения в частных производных, вариационное исчисление, элементы линейной алгебры и прикладной математики; численный метод моделирования магнитных и тепловых полей метод конечных элементов; методы компьютерного анализа, автоматизированные методы проектирования; методы экспериментальных исследований опытных образцов.

Научная новизна работы

  • Разработаны математические модели, способы формирования и анализа распределенных обмоток индуктора неявнополюсного стартерного электродвигателя с шихтованным сердечником, на основе которых выполнено исследование свойств электродвигателя, обладающего повышенным пусковым моментом.
  • Разработана методика, программа проектирования и расчета магнитоэлектрических стартерных электродвигателей с использованием результатов моделирования магнитных полей, которая позволяет определять эксплуатационные показатели и электромеханические характеристики стартеров при разных температурах, проводить их сравнительный анализ.
  • Разработаны численные конечноэлементные модели и исследованы взаимоувязанные магнитные и тепловые поля в стартерном электродвигателе с высокоэнергетическими магнитами, имеющих повышенные магнитные свойства при низких температурах, что позволило определить магнитное состояние и предельно достигаемые температуры элементов двигателя в разных режимах и при разных температурах пуска.

Практическая значимость работы

  • Предложена конструкция неявнополюсного стартерного электродвигателя с шихтованным сердечником индуктора и распределенными обмотками возбуждения, которая использована при разработке стартеров с повышенным пусковым моментом.
  • Разработаны методика, программа проектирования и расчета эксплуатационных показателей, электромеханических характеристик магнитоэлектрических стартерных электродвигателей при разных температурах, которые предлагается использовать при разработке современных систем электростартерного пуска, в учебном процессе ВУЗов при подготовке специалистов по электромеханике и электрооборудованию автомобилей.
  • Результаты исследований магнитных и тепловых полей в стартерных электродвигателях с магнитами NdFeB рекомендуется использовать для совершенствования конструкций индукторов, определения магнитного состояния и максимально достижимых температур элементов стартера в разных режимах и при разных температурах пуска.
  • Предложена конструкция и разработан электродвигатель с возбуждением от высокоэнергетических магнитов, обладающий улучшенными пусковыми свойствами при низких температурах, который рекомендуется использовать в перспективных системах электростартеров.

Результаты работы реализованы в виде рекомендаций в НТЦ ОАО «АвтоВАЗ» при разработке модернизированной электростартерной системы пуска, в виде результатов исследований в ОАО «ЗиТ» в практике разработок перспективных стартеров с повышенными пусковыми свойствами, при ремонте и модернизации электростартерной системы пуска на Сызранской СТО, 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 данных численного моделирования экспериментальными результатами измерения пусковых моментов, токов, частоты вращения и температур, изготовлением и испытанием опытной конструкции стартерного электродвигателя.

Основные положения, выносимые на защиту

  • Функционально ориентированные математические модели неявнополюсного стартерного электродвигателя с шихтованным сердечником, способы формирования и анализа распределенных обмоток индуктора и результаты исследования его свойств.
  • Методика, программа проектирования и расчета эксплуатационных показателей и электромеханических характеристик магнитоэлектрических стартерных электродвигателей с использованием результатов моделирования магнитных полей при разных температурах.
  • Частные математические модели и результаты исследования взаимоувязанных магнитных и тепловых полей в стартерном электродвигателе с высокоэнергетическими магнитами.
  • Результаты разработки и исследования стартерных электродвигателей с возбуждением от магнитов NdFeB с улучшенными пусковыми свойствами.

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 Плесской конференции 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 9 научных статей, докладов и тезисов, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 166 страницах и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 116 наименований, приложений, включает 82 рисунка и 10 таблиц.





КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе изложены основные проблемы электростартерного пуска ДВС при низких температурах, проанализированы конструкции и условия работы стартерных электродвигателей, определены направления улучшения пусковых свойств стартеров при низких температурах.

Специфичные условия работы стартерных электродвигателей, сильное влияние температуры, предельные электромагнитные нагрузки и особенности конструкции отличают их от электродвигателей общепромышленного исполнения. В применяемых проектных и поверочных расчетах эти особенности учитываются не в полной мере. Целесообразно применение методик проектирования и расчета характеристик с учетом влияния температуры на параметры системы пуска, использование полевых моделей. Рассмотрено применение конечно-элементного моделирования магнитных и тепловых полей. Представлены уточненные модели и направления модернизации явнополюсных стартерных электродвигателей постоянного тока с электромагнитным возбуждением. Показано, что пределы совершенствования явнополюсных стартерных электродвигателей с последовательным возбуждением с целью улучшения их пусковых свойств практически исчерпаны. При больших токах (при пуске) происходит сильное насыщение полюсных наконечников, 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 основного магнитного потока.

Показано, что интегрированные стартер-генераторы на основе вентильных асинхронных и индукторных машин имеют значительную стоимость, при бортовой сети постоянного тока требуют активных полупроводниковых преобразователей на большие токи и эффективны при напряжении не менее 42 В, что требует перестройки всей системы электропитания и электроприборов в автомобиле.

Рассмотрены перспективы применения в стартерных электродвигателях неявнополюсных индукторов с распределенными обмотками возбуждения и магнитоэлектрического возбуждения, приведены свойства магнитов и их модели. Использование высокоэнергетических магнитов NdFeB предполагает существенное снижение массогабаритных показателей. Отмечено, что детальная разработка и исследование таких стартерных электродвигателей до настоящего времени не проводилась.

Во второй главе представлен анализ применения в стартерных электродвигателях перспективной неявнополюсной конструкции индуктора с шихтованным сердечником и распределенными обмотками возбуждения (рис. 1). Показано, что технологически возможно выполнение таких конструкции индуктора стартерных электродвигателей. При смешанном возбуждении небольшую параллельную обмотку возбуждения можно выполнять в виде отдельной катушки, размещенной в своих пазах. В таком случае коэффициенты полюсного перекрытия параллельной и последовательной обмоток будут различны.

Разработаны математические модели, алгоритмы формирования и анализа схем распределенных индукторных обмоток неявнополюсных стартерных электродвигателей, обеспечивающих выполнение заданных требований. Так, если в индукторе расположены М распределенных обмоток, то определение коэффициента полюсного перекрытия для каждой из них возможно по средневзвешенному шагу обмотки

, для i = 1,…, M,

где – средневзвешенный шаг i-той обмотки,

причем – шаги ее Ki концентрических катушек, – числа витков в катушках i-той обмотки,

число витков i-той обмотки на полюс.

Тогда – коэффициент полюсного перекрытия i-той обмотки.

Коэффициент полюсного перекрытия в неявнополюсном двигателе с М обмотками может быть представлен как

,

где i - относительный вклад i-той обмотки со своим током Ji в суммарную МДС

, при этом .

Тогда коэффициент полюсного перекрытия в неявнополюсном двигателе для совместного действия М возбужденных индукторных распределенных обмоток

.

Для смешанного возбуждения с ростом тока стартерного электродвигателя ток и магнитный поток параллельной обмотки возбуждения снижаются, а ток и поток последовательной обмотки возбуждения возрастают. При выборе коэффициента полюсного перекрытия параллельной обмотки возбуждения меньшего, чем коэффициент последовательной обмотки ОВ ПАР < ОВ ПОС результирующий будет возрастать в пределах от ОВ ПАР при холостом ходе до ОВ ПОС в режиме короткого замыкания. То есть при пуске коэффициент полюсного перекрытия будет наибольшим.

В работе показано, что у индукторов неявнополюсного стартерного электродвигателя может быть до 9 пазов на полюс и в пределах полюсного деления каждая обмотка может иметь до 4 концентрических катушек. При распределении витков обмоток по пазам индуктора выбирается число катушек i-той обмотки на полюс , рассчитывается средневзвешенный шаг обмотки на полюс Yiср=i· и принимаются шаги Кi катушек, начиная от 1 и возрастающие с шагом 2 до .

Числа витков в катушках определяются из системы уравнений с учетом допустимого коэффициента заполнения паза. При Ki3 задаются значениями чисел витков в Ki-2 катушках. Затем проверяется возможность выполнения обмотки обеспечения заданного и рассчитываются витки в оставшихся катушках

.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.