ANALIZA PARAMETRÓW ROZRUSZNIKÓW SAMOCHODOWYCH O MAGNESACH TRWAŁYCH 1. WPROWADZENIE

Transkrypt

1 Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 48 Politechniki Wrocławskiej Nr 48 Studia i Materiały Nr 2 2 Ignacy DUDZIKOWSKI*, Stanisław JANISZEWSKI* elektrotechnika, maszyny elektryczne, prąd stały, magnesy trwałe, obliczenia, projektowanie ANALIZA PARAMETRÓW ROZRUSZNIKÓW SAMOCHODOWYCH O MAGNESACH TRWAŁYCH Zamieszczono wyniki obliczeń oraz analizę parametrów rozruszników samochodowych z magnesami trwałymi i przekładnią planetarną. Przeprowadzono analizę pola magnetycznego w różnych stanach obciążenia oraz analizę odporności na odmagnesowanie. Analizę pola magnetycznego przeprowadzono za pomocą programu QuickField do badania pola metodą elementów skończonych. Parametry ruchowe oraz odporność na odmagnesowanie wyznaczono za pomocą opracowanego algorytmu i programu. Ze względu na szeroki zakres zmian temperatury otoczenia rozruszników wynoszący od 4 C do 15 C w analizie obliczeniowej szczególną uwagę zwrócono na wyznaczenie wpływu temperatury na parametry ruchowe oraz odporność na odmagnesowanie. 1. WPROWADZENIE W celu uruchomienia silnika spalinowego jego wałowi korbowemu należy nadać prędkość obrotową, przy której rozpocznie się regularny proces zapłonu. W tym celu stosuje się rozruszniki. Rozruszniki samochodowe składają się z silnika prądu stałego (szeregowego, szeregowo-bocznikowego lub wzbudzanego magnesami trwałymi), mechanizmu sprzęgającego i zębnika, który sprzęga się z wieńcem koła zamachowego silnika. We współczesnych samochodach coraz powszechniej stosowane są rozruszniki z silnikami o magnesach trwałych. Są one zwykle wyposażone w przekładnię planetarną. Głównymi zaletami rozruszników z magnesami trwałymi i przekładnią planetarną są: prostsza konstrukcja i technologia wytwarzania, mniejsza objętość i zużycie materiałów, większa sprawność, niższe koszty produkcji. Rozrusznik charakteryzują następujące parametry: moc maksymalna (znamionowa) P n, * Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej, ul. Smoluchowskiego 19, Wrocław.

2 168 prędkość dla mocy maksymalnej n n, moment zwarcia M z, sprawność η. Parametry te rozrusznik powinien uzyskać w zadanej temperaturze otoczenia ϑ, podczas zasilania z baterii o określonej charakterystyce napięciowo-prądowej U = f(i). Temperatura otoczenia rozruszników samochodowych zmienia się w przedziale od 4 do 15 C. Tak duży zakres zmiany temperatury otoczenia powoduje: zmiany napięcia baterii w stanie bezprądowym, zmianę rezystancji wewnętrznej baterii, czyli zmiany charakterystyki napięciowoprądowej, zmiany parametrów magnesów oraz zmianę ich odporności na odmagnesowanie. a) J, B [T],5 b) J, B [T] 1,5,4 1,,3,2,5,1,, -,5 J,B -4 C J,B +2 C J,B +15 C H [ka/m] ,1 -,2 -,3 J,B -4 C J,B +2 C J,B +15 C H [ka/m] , -1,5 Rys. 1. Charakterystyki odmagnesowania w różnych temperaturach: a) magnes ferrytowy FXD38, b) magnes neodymowy typu VACODYM 351 HR Fig. 1. Demagnetization characteristics for different temperatures: a) ferrite magnet FXD38, b) neodymium magnet of VACODYM 351 HR type Na rysunku 1a zamieszczono charakterystyki odmagnesowania magnesu ferrytowego w różnych temperaturach, a na rys. 1b charakterystyki magnesu neodymowego. W maszynach z magnesami ferrytowymi problem zapewnienia odporności na odmagnesowanie występuje w ujemnych temperaturach pracy (rys. 1a). Ze względu na ujemne wartości temperaturowego współczynnika natężenia koercji magnesów neodymowych ich odporność na odmagnesowanie silnie zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury (rys. 1b). Wada ta oraz wysoka cena magnesów neodymowych są obecnie głównymi przeszkodami w ich stosowaniu do rozruszników. Celem pracy jest wyznaczenie i analiza parametrów rozruszników z magnesami ferrytowymi i przekładnią planetarną.

3 169 Praca zawiera: analizę pola magnetycznego w silniku rozrusznika w różnych stanach obciążenia, wyznaczenie i analizę parametrów ruchowych w różnych warunkach pracy, analizę wpływu temperatury na odporność na odmagnesowanie, porównanie obliczonych parametrów zaprojektowanego rozrusznika z parametrami uzyskanymi pomiarowo [4]. Analizę pola magnetycznego prowadzono za pomocą programu QuickField do badania pola metodą elementów skończonych. Parametry ruchowe oraz odporność na odmagnesowanie wyznaczono za pomocą opracowanego algorytmu i programu [1], [5]. W procedurę obliczeń elektromagnetycznych włączono obliczenia cieplne. 2. WYNIKI OBLICZEŃ Jako przykładowe zamieszczono wyniki obliczeń rozrusznika o danych znamionowych: P n = 2,2 kw, n n = 15 obr/min, M z = 35 N m. Parametry te powinny być uzyskane w temperaturze 2 C podczas zasilania z baterii o następującej charakterystyce napięciowo-prądowej: I =, U = 12 V; I = 7 A, U = 7,5 V. W rozruszniku tym zastosowano przekładnię planetarną o przełożeniu i = 3,67 i sprawności η p =,96. Przekrój obwodu magnetycznego silnika przedstawiono na rys. 2 i 3. W celu uniknięcia zjawiska odmagnesowania magnesów przez prądy rozruchowe zaszła konieczność zastosowania 3 par biegunów. Średnica zewnętrzna korpusu rozrusznika D z = 8 mm, a długość pakietu wirnika l = 63 mm [2], [3]. Wyniki obliczeń przedstawiono na rysunkach rys a) b),5,4 B [ T ],3,2,1, -,1 -,2 -,3 -,4 -,5 α [deg] Rys. 2. Pole magnetyczne w silniku w stanie bezprądowym w temperaturze ϑ = 2 C: a) rozpływ strumienia (skala Wb/m), b) rozkład składowej promieniowej indukcji magnetycznej w szczelinie Fig. 2. Magnetic field in motor in no-current state at temperature ϑ = 2 C: a) Flux distribution (scale: Wb/m), b) distribution of magnetic flux density radial component in air-gap

4 17,8,6,4 B [ T ],2, -,2 -,4 -,6 -,8-1, α [deg] Rys. 3. Rozpływ strumienia magnetycznego w silniku w stanie zwarcia (skala Wb/m) oraz rozkład składowej promieniowej indukcji magnetycznej w szczelinie Fig. 3. Magnetic flux distribution in motor in fault state (scale: Wb/m) and distribution of magnetic flux density radial component in air-gap M n P U η P [W], n [obr/min], M [*1-2 Nm] U [V]; η [*,2 ] I [A] Rys. 4. Charakterystyki ruchowe rozrusznika: temperatura otoczenia ϑ = 2 C; ϑ = 4 C Fig. 4. Starter s motion characteristics: ambient temperature ϑ = 2 C; ϑ = 4 C

5 M n P U η P [W], n [obr/min], M [*1-2 Nm] U [V]; η [*,2 ] I [A] Rys. 5. Charakterystyki ruchowe rozrusznika: z uwzględnieniem rezystancji przewodów łączących rozrusznik z akumulatorem (R p. =,2 Ω), z pominięciem tej rezystancji (R p = ) Fig. 5. Starter s motion characteristics: with starter-to-battery conductors resistance taken into account (R p =,2 Ω), with above resistance neglected (R p = ) P [W], n [obr/min], η [*1-3 ] M, M z [*1-2 Nm] P n η M Mz ϑ [ C] Rys. 6. Zależność parametrów rozrusznika od temperatury otoczenia: P moc maksymalna, M, n, η wartości momentu, prędkości i sprawności odpowiadające mocy maksymalnej; M z moment zwarcia Fig. 6. Dependence of starter parameters on ambient temperature: P maximum power; M, n, η moment, velocity and efficiency values corresponding to maximum power; M z fault moment

6 172 1,2 1, 35 3 I z,i dop [A] Iz Idop,8,6,4,2, Φ'/Φ p.u. -4 C +2 C +12 C I [A] ϑ [ C] Rys. 7. Zależność względnych wartości strumienia od prądu obciążenia w różnych temperaturach Fig. 7. Dependence of relative flux values on load current at different temperatures Rys. 8. Prąd zwarcia rozrusznika I z oraz dopuszczalny prąd I dop nie powodujący odmagnesowania magnesu jako funkcje temperatury otoczenia Fig. 8. Starter fault current I z and permissible current I dop which does not demagnetize magnet versus ambient temperature Φ /Φ śr [%],4,3,2,1, -,1 -,2 -,3 -,4 α [deg] Rys. 9. Pulsacje reluktancyjne strumienia magnetycznego Fig. 9. Reluctance pulsation of magnetic flux 3. ANALIZA WYNIKÓW Jedną z głównych barier w procesie projektowania rozruszników jest zapewnienie odporności na odmagnesowanie. Wymaganą odporność na odmagnesowanie można uzyskać przez: Dobór odpowiedniego gatunku magnesów oraz dobór ich odpowiedniej wysokości. Dobór odpowiedniej liczby par biegunów. Zwiększanie liczby par biegunów powoduje, że odmagnesowujący przepływ twornika działający w obszarze szerokości jednego magnesu ulega zmniejszeniu. Dodatkową korzyścią wynikającą ze zwiększenia liczby biegunów jest zmniejszenie grubości i masy jarzma stojana. Ze względu na małą

7 średnicę twornika tego typu maszyn (rzędu kilku centymetrów) liczba par biegunów nie przekracza 3. Dobór odpowiednich nasyceń w elementach zewnętrznego obwodu magnetycznego magnesów. Przesycenie elementów zewnętrznego obwodu magnesów powoduje zmniejszenie odporności na odmagnesowanie. Wyznaczając parametry rozrusznika w całym zakresie temperatury otoczenia należy uwzględnić zmiany parametrów magnesów, zmiany napięcia baterii zasilającej w stanie bezprądowym oraz zmiany jej rezystancji. Jak duży jest wpływ tych czynników świadczy fakt, że parametry ruchowe rozrusznika w temperaturze 4 C i 2 C różnią się między sobą od kilkudziesięciu do ponad stu procent (rys. 4). Cechą charakterystyczną silników do rozruszników samochodowych jest niskie napięcie na tworniku wynoszące 6 8 V, prądy znamionowe rzędu setek amperów i prądy zwarcia przekraczające 1 A. Dlatego są one bardzo wrażliwe na zmiany rezystancji w układzie akumulator twornik. Przykładowo zmiana rezystancji przewodów zasilających o 2 mω powoduje zmianę mocy użytecznej o 24% (rys. 5). Podobnie duży jest wpływ spadku napięcia na szczotkach. Zmiana napięcia przejścia szczotek o 1 V powoduje zmianę mocy o 2%. Przeprowadzona analiza pola magnetycznego wykazała, że pomimo bardzo małej liczby żłobków przypadających na 1 biegun (Ż/2p = 3 1 / 6 ) pulsacje reluktancyjne strumienia w silniku są pomijalnie małe. Ich wartość nie przekracza,3% średniej wartości strumienia (rys. 9). W stanie bezprądowym różnice w wartości strumienia pod poszczególnymi biegunami nie przekraczają,6%. W stanie obciążenia wzrastają one do kilkunastu procent. Ich wzrost wynika z niesymetrycznego rozkładu siły magnetomotorycznej twornika pod poszczególnymi biegunami. Zmiany wartości strumienia magnetycznego spowodowane przepływem prądu znamionowego w zależności od temperatury otoczenia wynoszą 4 14% (rys. 7). Przyrosty temperatury w tego typu maszynach nie stanowią problemu. W trakcie badań modeli największy lokalny przyrost temperatury wystąpił na komutatorze. Nie przekraczał on 6 C. Różnice między obliczonymi i zmierzonymi wartościami parametrów [4] mieszczą się w przedziale od kilku do dziesięciu procent. Moc przypadająca na jednostkę masy opracowanego rozrusznika z magnesami trwałymi i przekładnią planetarną jest około 2,5 razy większa niż w produkowanym rozruszniku o wzbudzeniu elektromagnetycznym bez przekładni planetarnej. Wykonana analiza obliczeniowa rozrusznika wzbudzanego magnesami neodymowymi wykazała, że ze względu na 3, 4 razy większą wartość strumienia magnetycznego (przy tych samych wymiarach twornika), wymagane parametry wyjściowe rozrusznika można uzyskać nie stosując przekładni mechanicznej. Jednak zapewnienie odporności na odmagnesowanie w temperaturze ϑ 1 C wymaga zastosowania magnesów o tak dużej wysokości, że ich koszt jest nie do akceptacji. 173

8 PODSUMOWANIE Przeprowadzona analiza pola magnetycznego, parametrów ruchowych oraz odporności na odmagnesowanie wykazały jak istotne jest uwzględnienie w procesie obliczeń projektowych wpływu zmian temperatury otoczenia. Zamieszczone wyniki obliczeń (rys. 1 i 4 8) ilustrują wpływ zjawisk, które w klasycznych maszynach nie mają tak istotnego znaczenia, jak w rozrusznikach samochodowych. Zastosowanie magnesów ferrytowych i przekładni planetarnej jest skutecznym sposobem zmniejszenia objętości rozruszników. Porównanie obliczonych parametrów z parametrami wyznaczonymi pomiarowo wykazało poprawność opracowanego algorytmu obliczeń oraz jego przydatność do projektowania. LITERATURA [1] DUDZIKOWSKI I., Silniki komutatorowe o magnesach trwałych, Prace Naukowe Instytutu Układów Elektromaszynowych Politechniki Wrocławskiej, Seria: Monografie nr 1, Wrocław [2] DUDZIKOWSKI I., SUSEŁ M., Założenia konstrukcyjne silnika o magnesach trwałych przeznaczonego do rozrusznika z przekładnią planetarną, Instytut Układów Elektromaszynowych Politechniki Wrocławskiej, Raport z serii SPR nr 17/93, Wrocław [3] DUDZIKOWSKI I., FITA S., SUSEŁ M., Dokumentacja konstrukcyjna modelu silnika o magnesach trwałych przeznaczonego do rozrusznika z przekładnią planetarną, Instytut Układów Elektromaszynowych Politechniki Wrocławskiej, Raport z serii SPR nr 3/94, Wrocław [4] DUDZIKOWSKI I., FITA S., HERMAN B., SUSEŁ M., Badania i analiza parametrów modeli silnika wzbudzanego magnesami trwałymi do rozrusznika samochodowego, Instytut Maszyn i Napędów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej, Raport z serii SPR nr 1/95, Wrocław [5] DUDZIKOWSKI I., Zagadnienia cieplne w silnikach komutatorowych o magnesach trwałych, XXXIII International Symposium on Electrical Machines Permanent Magnet Electrical Machines, Poznań, czerwiec [6] KOZIEJ E., Maszyny elektryczne pojazdów samochodowych, Warszawa, WNT, [7] Katalogi magnesów: PHILIPS, VACUMSCHMELZE. ANALYSIS OF CAR PERMANENT-MAGNET STARTERS The parameters of car starters with permanent magnets and an epicyclic gear were calculated and analysed. The magnetic field under different load conditions and demagnetization resistance were analysed. The magnetic field analysis was carried out by means of the QuickField software based on the finite element method. The motion parameters and the demagnetization resistance were determined by means of a specially developed algorithm and computer software. Since the temperature of the starter s environment ranges widely: from 4 C to 15 C, the investigations focused on the effect of temperature on the motion parameters and the demagnetization resistance.