ANALIZA PARAMETRÓW ELEKTROMECHANICZNYCH ROZRUSZNIKA SAMOCHODOWEGO Z SILNIKIEM BEZSZCZOTKOWYM

Transkrypt

1 Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 6 Politechniki Wrocławskiej Nr 6 Studia i Materiały Nr Marek CIURYS *, Ignacy DUDZIKOWSKI * maszyny elektryczne, magnesy trwałe, silniki bezszczotkowe,, rozruszniki samochodowe, parametry elektromechaniczne, przebiegi czasowe ANALIZA PARAMETRÓW ELEKTROMECHANICZNYCH ROZRUSZNIKA SAMOCHODOWEGO Z SILNIKIEM BEZSZCZOTKOWYM Przeprowadzono analizę obliczeniową parametrów elektromechanicznych rozrusznika samochodowego z silnikiem bezszczotkowym prądu stałego (BLDC) w różnych warunkach pracy. Wyznaczono wpływ zmiany temperatury otoczenia, pojemności akumulatora oraz pojemności skokowej silnika spalinowego na przebiegi czasowe wielkości elektrycznych i mechanicznych. Obliczenia wykonano za pomocą opracowanego programu w środowisku Matlab. Zamieszczono przykładowe przebiegi czasowe wielkości elektrycznych i mechanicznych. 1. WPROWADZENIE Aby dokonać skutecznego rozruchu silnika spalinowego należy nadać jego wałowi korbowemu prędkość obrotową przy której występuje regularny proces zapłonu [8]. Według [1] prędkość ta wynosi: dla silników z zapłonem iskrowym 4 7 obr/min, dla silników z zapłonem samoczynnym, w zależności od rodzaju i budowy (wtrysk bezpośredni lub z komorą wstępną, z podgrzewaniem wstępnym lub bez podgrzewania) 1 2 obr/min. W celu nadania wymaganej prędkości obrotowej wałowi korbowemu silnika spalinowego stosowane są rozruszniki. Rozruszniki samochodowe składają się z silnika elektrycznego, mechanizmu sprzęgającego i zębnika. We współczesnych rozrusznikach samochodowych stosowane są komutatorowe silniki prądu stałego, szeregowe * Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, ul. Smoluchowskiego 19, Wrocław, marek.ciurys@pwr.wroc.pl, ignacy.dudzikowski@pwr.wroc.pl,

2 2 i szeregowo-bocznikowe oraz coraz częściej - wzbudzane magnesami trwałymi. Rozruszniki o wzbudzeniu magnetoelektrycznym zwykle są wyposażone w przekładnię planetarną [11]. Głównymi ich zaletami są: wysoka sprawność, prosta konstrukcja i technologia wytwarzania, mała objętość. Trwające prace nad zastosowaniem instalacji samochodowej o dwóch poziomach napięcia, czyli 42V / 14 V [7,9] oraz tendencje do wprowadzenia jednej maszyny pracującej zarówno jako rozrusznik oraz alternator (generator) samochodowy [6] stwarzają możliwość zastąpienia silników komutatorowych bezszczotkowymi. Prezentowany artykuł dotyczy analizy silnika bezszczotkowego prądu stałego jako rozrusznika samochodowego. Celem pracy jest wyznaczenie, za pomocą opracowanego programu, przebiegów czasowych wielkości elektrycznych i mechanicznych w różnych warunkach pracy w układzie: akumulator rozrusznik samochodowy z bezszczotkowym silnikiem prądu stałego silnik spalinowy. Analizę zjawisk elektromechanicznych oraz sposób modelowania takiego układu przedstawiono w [2,3], natomiast model matematyczny w [4]. Zakres pracy obejmuje obliczeniową analizę wpływu: temperatury otoczenia, pojemności akumulatora oraz pojemności skokowej silnika spalinowego na przebiegi czasowe wielkości elektrycznych i mechanicznych w układzie. 2. OPIS ANALIZOWANEGO UKŁADU Analiza dotyczy układu z rozrusznikiem samochodowym z przekładnią planetarną i opracowanym trójpasmowym bezszczotkowym silnikiem prądu stałego (rys.1,2,3). Schemat elektryczny układu z rys. 2 omówiono w pracy [2]. Przekładnia planetarna Zębnik rozrusznika Wał korbowy Wirnik silnika Koło zamachowe silnika spalinowego Rys. 1. Elementy układu mechanicznego poruszające się ruchem obrotowym Fig. 1. Mechanical system rotating elements

3 3 Rpl(t) Rd(t) it(t) RB(i,k) eb(k) Rp ub(i,t) Lp ife(t) RFe(t) Q1 ut(t) Q2 D1 ia(t) Q3 D3 ib(t) Q5 D5 ic(t) Q4 Q6 D2 D4 D6 up(t) Q2 ud(t) R(ϑ) L R(ϑ) ua(t) L R(ϑ) ub(t) L uc(t) D2 ea(t) eb(t) ec(t) Rys. 2. Schemat elektryczny silnika BLDC zasilanego z akumulatora Fig. 2. Circuit diagram of a BLDC motor supplied from battery Rys. 3. Przekrój poprzeczny opracowanego silnika BLDC wraz z siatką dyskretyzacyjną Fig. 3. BLDC motor cross-section with discretization mesh

4 4 Silnik BLDC jest wzbudzany magnesami neodymowymi o indukcji remanentu B r =1,15 T i natężeniu koercji BH C =844 ka/m. Przekrój poprzeczny silnika elektrycznego przedstawiono na rys. 3. Napięcie akumulatora U=36 V. Obliczenia wykonano dla układu z czterocylindrowym silnikiem spalinowym z zapłonem iskrowym o pojemności skokowej V s =15 cm 3 oraz 2 cm 3, w temperaturach ϑ=2,(-4) o C, przy pojemności akumulatora Q=6Ah oraz 3 Ah. 3. WYNIKI OBLICZEŃ Analizę obliczeniową przeprowadzono za pomocą opracowanego modelu matematycznego, algorytmu i programu. Wybrane, obliczone przebiegi czasowe wielkości elektrycznych i mechanicznych przedstawiono na rysunkach WYNIKI OBLICZEŃ WPŁYWU ZMIANY TEMPERATURY OTOCZENIA 8 2 o C 8-4 o C To(t) Ts(t) To(t) Tt(t) Ts(t) Tt(t) Rys. 4. Przebiegi czasowe momentu tarcia T t silnika spalinowego, momentu sprężania T s silnika spalinowego oraz sumarycznego momentu T o obciążenia silnika rozrusznika; V s =15 cm 3, Q=6Ah Fig. 4. Transients of combustion engine friction torque T t, combustion engine compression torque T s and total starter motor loading torque T o ; V s =15 cm 3, Q=6Ah

5 5 2 o C -4 o C Rys. 5. Przebiegi czasowe momentu mechanicznego rozrusznika T r, prędkości obrotowej n r rozrusznika, prądu i pobieranego z akumulatora oraz napięcia u na przekształtniku; V s =15 cm 3, Q=6Ah Fig. 5. Transients of starter mechanical torque T r, starter rotational speed n r, accumulator current i and converter voltage u; V s =15 cm 3, Q=6Ah o C ia(t) ua(t) o C ia(t) ua(t) ia [A], ua [V] x, t [s] Rys. 6. Przebiegi czasowe prądu pasmowego i a oraz napięcia pasmowego u a ; V s =15 cm 3, Q=6Ah Fig. 6. Transients of phase current i a and phase voltage u a ; V s =15 cm 3, Q=6Ah

6 6 6 2 o C o C Qu [Ah] t [s] Qu [Ah] t [s] Rys. 7. Zależność pojemności użytecznej Q u akumulatora od czasu pracy rozrusznika; V s =15 cm 3, Q=6Ah Fig. 7. Transients of accumulator useful capacity Q u ; V s =15 cm 3, Q=6Ah 3.2. WYNIKI OBLICZEŃ WPŁYWU ZMIANY POJEMNOŚCI AKUMULATORA 6 Ah 3 Ah Rys. 8. Przebiegi czasowe momentu mechanicznego rozrusznika T r, prędkości obrotowej n r rozrusznika, prądu i pobieranego z akumulatora oraz napięcia u na przekształtniku; V s =15 cm 3, ϑ=2 o C Fig. 8. Transients of starter mechanical torque T r, starter rotational speed n r, accumulator current i and converter voltage u; V s =15 cm 3, ϑ=2 o C

7 Ah ia(t) ua(t) Ah ia(t) ua(t) ia [A], ua [V] x,1 1-1 ia [A], ua [V] x, t [s] t [s] Rys. 9. Przebiegi czasowe prądu pasmowego i a oraz napięcia pasmowego u a ; V s =15 cm 3, ϑ=2 o C Fig. 9. Transients of phase current i a and phase voltage u a ; V s =15 cm 3, ϑ=2 o C 3.3. WYNIKI OBLICZEŃ WPŁYWU ZMIANY POJEMNOŚCI SKOKOWEJ SILNIKA SPALINOWEGO cm 3 To(t) Ts(t) cm 3 Ts(t) To(t) Tt(t) Tt(t) Rys. 1. Przebiegi czasowe momentu tarcia T t silnika spalinowego, momentu sprężania T s silnika spalinowego oraz sumarycznego momentu T o obciążenia silnika rozrusznika; ϑ=2 o C, Q=6Ah Fig. 1. Transients of combustion engine friction torque T t, combustion engine compression torque T s and total starter motor loading torque T o ; ϑ=2 o C, Q=6Ah

8 8 15 cm 3 2 cm Rys. 11. Przebiegi czasowe momentu mechanicznego rozrusznika T r, prędkości obrotowej n r rozrusznika, prądu i pobieranego z akumulatora oraz napięcia u przekształtniku; ϑ=2 o C, Q=6Ah Fig. 11. Transients of starter mechanical torque T r, starter rotational speed n r, accumulator current i and converter voltage u; ϑ=2 o C, Q=6Ah 4. ANALIZA WYNIKÓW Podczas rozruchu silnika spalinowego zmianie ulegają wartości chwilowe wielkości mechanicznych, elektrycznych i magnetycznych w rozruszniku oraz wielkości mechanicznych w silniku spalinowym. Szczególnie istotnym parametrem, który należy uwzględnić przy wyznaczaniu parametrów elektromechanicznych rozrusznika jest temperatura. Rozruszniki samochodowe pracują w szerokim zakresie temperatury otocznia (od ( 4) do 15 o C [5]). W ujemnych temperaturach wzrasta lepkość oleju, czyli wzrastają opory tarcia w silniku spalinowym utrudniając jego rozruch. Temperatura wpływa również na parametry magnesów trwałych (indukcję remanentu oraz natężenie koercji) co skutkuje zmianą strumienia magnetycznego w silniku oraz zmianą odporności na odmagnesowanie. Wraz ze zmianą temperatury zmieniają się również parametry akumulatora [1]. Z wykonanej analizy obliczeniowej można wyciągnąć następujące wnioski szczegółowe: zmiana temperatury otoczenia z 2 o C do ( 4) o C powoduje zmniejszenie pojemności użytecznej akumulatora o 36 % (rys.7),

9 9 zmniejszenie temperatury z 2 o C do ( 4) o C powoduje zmniejszenie o 18,5 % wartości średniej napięcia na silniku (rys.5). Jest to spowodowane zmniejszeniem siły elektromotorycznej akumulatora i wzrostem jego rezystancji wewnętrznej, zmniejszenie temperatury powoduje około 3,8 krotne zwiększenie momentu tarcia silnika spalinowego (rys.4). Wynika to ze zwiększenia lepkości oleju. Zmiana temperatury nieznacznie wpływa również na zmianę momentu kompresji i dekompresji gazów w silniku spalinowym, udział momentu tarcia silnika spalinowego w sumarycznym momencie obciążenia w temperaturze (-4) o C wynosi 53 %, a w temperaturze 2 o C 21 % (rys. 4), ze wzrostem temperatury wzrasta prędkość obrotowa rozrusznika o około 4 % (rys. 5). Zmiana prędkości obrotowej wynika ze zmiany średniej wartości napięcia na silniku, zmiany strumienia magnetycznego oraz zmiany rezystancji akumulatora i przewodów łączących, w przebiegach czasowych prądu pobieranego z akumulatora, napięcia na przekształtniku i momentu mechanicznego rozrusznika występują pulsacje o częstotliwości wynikającej z cyklu pracy silnika spalinowego (ssanie, sprężanie, rozprężanie, wydech) oraz pulsacje spowodowane komutacją uzwojeń silnika elektrycznego. Pulsacje momentu mechanicznego rozrusznika wynikające z cyklu pracy silnika spalinowego w temperaturze 2 o C wynoszą 63 % wartości średniej, pulsacje prądu 21 % natomiast pulsacje napięcia ok. 2 % (rys. 5). Pulsacje momentu spowodowane komutacją prądu wynoszą 46 % natomiast pulsacje pulsacje napięcia 9 wynikające %, z cyklu pracy silnika spalinowego występują również w przebiegach prędkości rozrusznika. Pulsacje te w temperaturze 2 o C wynoszą 14 % wartości średniej, natomiast w temperaturze (-4) o C 32 % (rys. 5). W przebiegach prędkości obrotowej pulsacje o częstotliwości komutacyjnej są niezauważalne, co wynika z tłumiącego działania momentu bezwładności układu. Częstotliwość pulsacji komutacyjnych jest ponad dwa rzędy większa od częstotliwości cyklu pracy silnika spalinowego, dwukrotne zmniejszenie pojemności akumulatora (z 6 Ah do 3 Ah) powoduje zmniejszenie wartości średniej napięcia na silniku o 1,5 % (rys.8). Spowodowane jest to wzrostem rezystancji wewnętrznej akumulatora. Skutkiem tego jest zmniejszenie prędkości obrotowej o ok. 18 %, przy rozruchu silnika spalinowego o większej pojemności skokowej znacząco wzrasta wartość momentu kompresji i dekompresji gazów (o ok. 37 %) (rys. 1). Powoduje to zwiększenie sumarycznego momentu obciążenia silnika elektrycznego, co skutkuje zwiększonym o 24 % poborem prądu, wzrostem spadków napięć w układzie, zmniejszeniem średniej wartości napięcia na silniku i zmniejszeniem o ok. 21 % prędkości obrotowej (rys. 11). Wzrastają również pulsacje wielkości elektrycznych i mechanicznych w układzie,

10 1 w każdym z analizowanych przypadków wał korbowy silnika spalinowego uzyskał prędkość wymaganą do skutecznego rozruchu. Potwierdza to przydatność opracowanego rozrusznika z silnikiem bezszczotkowym do rozruchu silników samochodowych w różnych warunkach. LITERATURA [1] BERNDT D., Maintenance-free batteries : lead-acid, nickel/cadmium, nickel/hydride : a handbook of battery technology, Research Studies Press Ltd. Taunton, Somerset, England; John Wiley & Sons Inc. New York, Chichester, Toronto, Brisbane, Singapore, [2] CIURYS M., DUDZIKOWSKI I., Modelowanie bezszczotkowego silnika prądu stałego pracującego przy zmiennym obciążeniu. Conference Proceedings of XLIIIrd International Symposium on Electrical Machines SME 27, Poznań, PTETiS Publishers, 27, [3] CIURYS M., DUDZIKOWSKI I., Rozrusznik samochodowy z bezszczotkowym silnikiem prądu stałego. Elektrotechnika I Elektronika, Tom 25, Zeszyt 2, Kraków, Wydawnictwa AGH, 26, 129 [4] 133. CIURYS M., DUDZIKOWSKI I., Model matematyczny rozrusznika samochodowego z bezszczotkowym silnikiem prądu stałego. W: Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej, Nr 59, Studia i Materiały nr 26, Wrocław, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 26, [5] DUDZIKOWSKI I., SALAMON J., GIERAK D., Dynamic and Stationary Operating States of Motor-Car Starters Excited by Permanent Magnets, Sixth International Conference on Unconventional Electromechanical and Electrical System UEES 4, Alushta, Ukraine, 24, pp [6] EMANDI A., Handbook of automotive power electronics and motor drives, Taylor and Francis, 25. [7] KASSAKIAN J.G., Automotive electrical systems the power electronic market of the future, Conference Proceedings - IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition APEC, v. 1, 2, 3-9. [8] KOZIEJ E., Maszyny elektryczne pojazdów samochodowych, Warszawa, Wydawnictwa Naukowo- Techniczne, [9] NICASTRI P.R., HUANG H., Jump starting 42 V Power Net Vehicles, IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, Vol. 15, No. 8, Aug, 2, [1] OCIOSZYŃSKI J., Zespoły elektryczne i elektroniczne w samochodach, Warszawa, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, [11] SĘK A., POLAKOWSKI K., Analiza pola magnetycznego w rozruszniku samochodowym z magnesami trwałymi i przekładnią planetarną, Przegląd Elektrotechniczny R. 8, Nr 7-8/24, AN ANALYSIS OF ELECTROMECHANICAL PARAMETERS OF CAR STARTER WITH BRUSHLESS DIRECT CURRENT MOTOR An analysis of electromechanical parameters (in different working conditions) of car starter with brushless direct current motor was carried out. Influence of temperature, accumulator capacity and engine cubic capacity on electrical and mechanical quantities was determined. Developed (in Matlab environment) program was used for computations. Transients of electrical and mechanical quantities in the analysed system were presented (Figs. 4-11).