9 Ciurys_Dudzikowski.. - Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów

9 Ciurys_Dudzikowski.. - Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów

Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych
Nr 60
Politechniki Wrocławskiej
Nr 60
Studia i Materiały
Nr 27
2007
maszyny elektryczne, magnesy trwałe,
silniki bezszczotkowe, , rozruszniki samochodowe,
parametry elektromechaniczne, przebiegi czasowe
Marek CIURYS*, Ignacy DUDZIKOWSKI*
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 [10] prędkość ta wynosi:
• dla silników z zapłonem iskrowym 40–70 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) 100–200 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, 50-372 Wrocław, [email protected], [email protected],
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
Rpl(t) Rd(t) it(t)
i(t)
Rp Lp
Q1
iFe(t)
RB(i,k)
uB(i,t)
u(t) RFe(t)
ut(t)
D1
Q3
D3
Q5
D5
ib(t)
ia(t)
ic(t)
eB(k)
Q2
R(ϑ)
Q2
∆up(t)
D2
∆ud(t)
D2
L
ea(t)
Q6
Q4
D4
D6
R(ϑ)
R(ϑ)
ua(t) L
ub(t) L
eb(t)
uc(t)
ec(t)
0
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
Silnik BLDC jest wzbudzany magnesami neodymowymi o indukcji remanentu
Br=1,15 T i natężeniu koercji BHC=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 Vs=1500 cm3 oraz 2000 cm3, w temperaturach
ϑ=20,(-40)oC, przy pojemności akumulatora Q=60Ah oraz 30 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 4-11.
3.1. WYNIKI OBLICZEŃ WPŁYWU ZMIANY TEMPERATURY OTOCZENIA
20oC
-40oC
8
8
7
To(t)
7
Ts(t)
6
6
5
5
4
4
3
3
2
2
1
1
0
-1
Tt(t)
Ts(t)
0
Tt(t)
0
To(t)
0.2
0.4
0.6
0.8
1
-1
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Rys. 4. Przebiegi czasowe momentu tarcia Tt silnika spalinowego, momentu sprężania Ts silnika
spalinowego oraz sumarycznego momentu To obciążenia silnika rozrusznika; Vs=1500 cm3, Q=60Ah
Fig. 4. Transients of combustion engine friction torque Tt, combustion engine compression torque Ts and
total starter motor loading torque To; Vs=1500 cm3, Q=60Ah
5
20oC
-40oC
1800
1400
1600
1200
1400
nr(t)
1000
1000
u(t)
1200
800
Tr(t)
600
Tr(t)
600
u(t)
nr(t)
800
i(t)
i(t)
400
400
200
200
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Rys. 5. Przebiegi czasowe momentu mechanicznego rozrusznika Tr, prędkości obrotowej nr rozrusznika,
prądu i pobieranego z akumulatora oraz napięcia u na przekształtniku; Vs=1500 cm3, Q=60Ah
Fig. 5. Transients of starter mechanical torque Tr, starter rotational speed nr, accumulator current i and
converter voltage u; Vs=1500 cm3, Q=60Ah
20oC
-40oC
300
ia(t)
300
ua(t)
ia [A], ua [V] x 0,1
200
100
100
0
0
-100
-100
-200
-200
-300
0.99
ia(t)
ua(t)
200
0.992
0.994
0.996
0.998
1
-300
0.985
0.99
0.995
t [s]
Rys. 6. Przebiegi czasowe prądu pasmowego ia oraz napięcia pasmowego ua; Vs=1500 cm3, Q=60Ah
Fig. 6. Transients of phase current ia and phase voltage ua; Vs=1500 cm3, Q=60Ah
1
6
-40oC
38.4
59.95
38.3
59.9
38.2
59.85
38.1
59.8
Qu [Ah]
Qu [Ah]
20oC
60
59.75
38
37.9
59.7
37.8
59.65
37.7
59.6
37.6
59.55
59.5
37.5
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
t [s]
t [s]
Rys. 7. Zależność pojemności użytecznej Qu akumulatora od czasu pracy rozrusznika;
Vs=1500 cm3, Q=60Ah
Fig. 7. Transients of accumulator useful capacity Qu; Vs=1500 cm3, Q=60Ah
3.2. WYNIKI OBLICZEŃ WPŁYWU ZMIANY POJEMNOŚCI AKUMULATORA
60 Ah
30 Ah
1800
1800
1600
1600
1400
1400
u(t)
1200
nr(t)
1000
1200
u(t)
1000
800
800
Tr(t)
600
i(t)
400
200
200
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
Tr(t)
i(t)
600
400
0
nr(t)
0.8
0.9
1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Rys. 8. Przebiegi czasowe momentu mechanicznego rozrusznika Tr, prędkości obrotowej nr rozrusznika,
prądu i pobieranego z akumulatora oraz napięcia u na przekształtniku; Vs=1500 cm3, ϑ=20oC
Fig. 8. Transients of starter mechanical torque Tr, starter rotational speed nr, accumulator current i and
converter voltage u; Vs=1500 cm3, ϑ=20oC
7
60 Ah
30 Ah
300
300
ia(t)
200
ia [A], ua [V] x 0,1
ia [A], ua [V] x 0,1
ia(t)
ua(t)
ua(t)
200
100
0
-100
100
0
-100
-200
-200
-300
0.99
0.992
0.994
0.996
0.998
1
-300
0.99
0.992
0.994
0.996
0.998
1
t [s]
t [s]
Rys. 9. Przebiegi czasowe prądu pasmowego ia oraz napięcia pasmowego ua; Vs=1500 cm3, ϑ=20oC
Fig. 9. Transients of phase current ia and phase voltage ua; Vs=1500 cm3, ϑ=20oC
3.3. WYNIKI OBLICZEŃ WPŁYWU ZMIANY POJEMNOŚCI SKOKOWEJ SILNIKA
SPALINOWEGO
1500 cm3
2000 cm3
8
8
7
To(t)
Ts(t)
6
6
5
5
4
4
3
3
2
2
1
1
0
-1
0
Tt(t)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
-1
To(t)
Ts(t)
7
Tt(t)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
Rys. 10. Przebiegi czasowe momentu tarcia Tt silnika spalinowego, momentu sprężania Ts silnika
spalinowego oraz sumarycznego momentu To obciążenia silnika rozrusznika; ϑ=20oC , Q=60Ah
Fig. 10. Transients of combustion engine friction torque Tt, combustion engine compression torque Ts
and total starter motor loading torque To; ϑ=20oC , Q=60Ah
1
8
1500 cm3
2000 cm3
1800
1600
1600
1400
1400
u(t)
1200
u(t)
1200
nr(t)
1000
nr(t)
1000
Tr(t)
800
800
Tr(t)
600
i(t)
600
400
400
0
i(t)
200
200
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Rys. 11. Przebiegi czasowe momentu mechanicznego rozrusznika Tr, prędkości obrotowej nr
rozrusznika, prądu i pobieranego z akumulatora oraz napięcia u przekształtniku; ϑ=20oC , Q=60Ah
Fig. 11. Transients of starter mechanical torque Tr, starter rotational speed nr, accumulator current i and
converter voltage u; ϑ=20oC , Q=60Ah
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 (–40) do 150oC [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 20oC do (–40)oC powoduje zmniejszenie
pojemności użytecznej akumulatora o 36 % (rys.7),
9
• zmniejszenie temperatury z 20oC do (–40)oC 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 (-40)oC wynosi 53 %, a w temperaturze 20oC 21 % (rys. 4),
• ze wzrostem temperatury wzrasta prędkość obrotowa rozrusznika o około 40 %
(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 20oC wynoszą 63 % wartości średniej,
pulsacje prądu 21 % natomiast pulsacje napięcia ok. 2 % (rys. 5). Pulsacje
momentu spowodowane komutacją prądu wynoszą 46 % natomiast pulsacje
napięcia 9wynikające
%,
• pulsacje
z cyklu pracy silnika spalinowego występują również w
przebiegach prędkości rozrusznika. Pulsacje te w temperaturze 20oC wynoszą 14
% wartości średniej, natomiast w temperaturze (-40)oC 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 60 Ah do 30 Ah) powoduje
zmniejszenie wartości średniej napięcia na silniku o 10,5 % (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. 10).
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
• 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, 1997.
[2] CIURYS M., DUDZIKOWSKI I., Modelowanie bezszczotkowego silnika prądu stałego pracującego
przy zmiennym obciążeniu. Conference Proceedings of XLIIIrd International Symposium on Electrical Machines SME 2007, Poznań, PTETiS Publishers, 2007, 73–76.
[3] CIURYS M., DUDZIKOWSKI I., Rozrusznik samochodowy z bezszczotkowym silnikiem prądu
stałego. Elektrotechnika I Elektronika, Tom 25, Zeszyt 2, Kraków, Wydawnictwa AGH, 2006, 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, 2006, 120–133.
[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’04, Alushta, Ukraine, 2004, pp. 59-70.
[6] EMANDI A., Handbook of automotive power electronics and motor drives, Taylor and Francis, 2005.
[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,
2000, 3-9.
[8] KOZIEJ E., Maszyny elektryczne pojazdów samochodowych, Warszawa, Wydawnictwa NaukowoTechniczne, 1984.
[9] NICASTRI P.R., HUANG H., Jump starting 42 V Power Net Vehicles, IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, Vol. 15, No. 8, Aug, 2000, 25–31.
[10] OCIOSZYŃSKI J., Zespoły elektryczne i elektroniczne w samochodach, Warszawa, Wydawnictwa
Naukowo-Techniczne, 1999.
[11] SĘK A., POLAKOWSKI K., Analiza pola magnetycznego w rozruszniku samochodowym z
magnesami trwałymi i przekładnią planetarną, Przegląd Elektrotechniczny R. 80, Nr 7-8/2004, 702705.
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).