Ignacy DUDZIKOWSKI*, Stanisław JANISZEWSKI* ANALIZA

Nr 48
Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych
Politechniki Wrocławskiej
Studia i Materiały
Nr 20
Nr 48
2000
elektrotechnika, maszyny elektryczne, prąd stały,
magnesy trwałe, obliczenia, projektowanie
Ignacy DUDZIKOWSKI*, Stanisław JANISZEWSKI*
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 –40 °C do 150 °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) Pn,
_____________
* Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej, ul.
Smoluchowskiego 19, 50–372 Wrocław.
168
• prędkość dla mocy maksymalnej nn,
• moment zwarcia Mz,
• sprawność η.
Parametry te rozrusznik powinien uzyskać w zadanej temperaturze otoczenia ϑ0,
podczas zasilania z baterii o określonej charakterystyce napięciowo-prądowej U = f(I).
Temperatura otoczenia rozruszników samochodowych zmienia się w przedziale od –40 do
150 °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)
0,5
J , B [T]
b)
1,5
J , B [T]
0,4
1,0
0,3
0,5
0,2
0,0
0,1
0,0
J,B -40°C
J,B +150°C
-0,3
-200
-100
J,B +20°C
-0,2
H [kA/m]
-300
J,B -40°C
-0,1
J,B +20°C
-400
-0,5
0
J,B +150°C
H [kA/m]
-2000
-1500
-1,0
-1,5
-1000
-500
0
Rys. 1. Charakterystyki odmagnesowania w różnych temperaturach: a) magnes ferrytowy FXD380,
b) magnes neodymowy typu VACODYM 351 HR
Fig. 1. Demagnetization characteristics for different temperatures: a) ferrite magnet FXD380,
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.
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: Pn = 2,2 kW, nn = 1500 obr/min, Mz = 35 N⋅m. Parametry te powinny być
uzyskane w temperaturze 20 °C podczas zasilania z baterii o następującej charakterystyce
napięciowo-prądowej: I = 0, U = 12 V; I = 700 A, U = 7,5 V. W rozruszniku tym
zastosowano przekładnię planetarną o przełożeniu i = 3,67 i sprawności ηp = 0,96.
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
Dz = 80 mm, a długość pakietu wirnika l = 63 mm [2], [3].
Wyniki obliczeń przedstawiono na rysunkach rys. 2–9.
a)
b)
0,5
0,4
0,3
B [T]
0,2
0,1
0,0
-0,1
-0,2
-0,3
-0,4
-0,5
α [deg]
0
60
120
180
240
300
360
Rys. 2. Pole magnetyczne w silniku w stanie bezprądowym w temperaturze ϑ0 = 20 °C: a) rozpływ
strumienia (skala 4×10–4 Wb/m), b) rozkład składowej promieniowej indukcji magnetycznej w szczelinie
Fig. 2. Magnetic field in motor in no-current state at temperature ϑ0 = 20 °C: a) Flux distribution
(scale: 4×10–4 Wb/m), b) distribution of magnetic flux density radial component in air-gap
170
0,8
B [T]
0,6
0,4
0,2
0,0
-0,2
-0,4
-0,6
-0,8
α [deg]
-1,0
0
60
120
180
240
300
360
Rys. 3. Rozpływ strumienia magnetycznego w silniku w stanie zwarcia (skala 4×10–4 Wb/m) oraz rozkład
składowej promieniowej indukcji magnetycznej w szczelinie
Fig. 3. Magnetic flux distribution in motor in fault state (scale: 4×10–4 Wb/m) and distribution of magnetic
flux density radial component in air-gap
3600
12
M
n
P
η
U
10
-2
P [W], n [obr/min], M [*10 Nm]
3000
1800
1200
8
U [V]; η [*0,2 ]
2400
6
4
600
2
I [A]
0
0
200
400
600
800
1000
0
1200
Rys. 4. Charakterystyki ruchowe rozrusznika: - - - - temperatura otoczenia ϑ0 = 20 °C;–––– ϑ0 = –40 °C
Fig. 4. Starter’s motion characteristics: - - - - ambient temperature ϑ0 = 20 °C;–––– ϑ0 = –40 °C
171
4500
12
M
n
P
η
U
10
3000
2250
1500
U [V]; η [*0,2 ]
-2
P [W], n [obr/min], M [*10 Nm]
3750
8
6
4
750
2
I [A]
0
0
200
400
600
800
1000
0
1400
1200
Rys. 5. Charakterystyki ruchowe rozrusznika: - - - - z uwzględnieniem rezystancji przewodów łączących
rozrusznik z akumulatorem (Rp. = 0,002 Ω), –––– z pominięciem tej rezystancji (Rp = 0)
Fig. 5. Starter’s motion characteristics: - - - - with starter-to-battery conductors’ resistance taken into
account (Rp = 0,002 Ω), –––– with above resistance neglected (Rp = 0)
-3
P [W], n [obr/min], η [*10 ]
4000
P
-2
M, M z [*10 Nm]
3500
n
η
M
Mz
3000
2500
2000
1500
1000
500
ϑ 0 [°C]
0
-40
0
40
80
120
160
Rys. 6. Zależność parametrów rozrusznika od temperatury otoczenia: P – moc maksymalna,
M, n, η – wartości momentu, prędkości i sprawności odpowiadające mocy maksymalnej;
Mz – 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; Mz – fault moment
172
1,2
3500
1,0
3000
I z ,I dop
[A]
Iz
Idop
2500
0,8
2000
Φ ' / Φ p.u.
0,6
0,4
1500
-40°C
1000
+20°C
0,2
+120°C
500
I [A]
0,0
ϑ 0 [°C]
0
0
200
400
600
800
1000
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
-50
0
50
100
150
Rys. 8. Prąd zwarcia rozrusznika Iz oraz dopuszczalny
prąd Idop nie powodujący odmagnesowania magnesu
jako funkcje temperatury otoczenia
Fig. 8. Starter fault current Iz and permissible
current Idop which does not demagnetize magnet
versus ambient temperature
∆Φ /Φ śr 0,4
[%]
0,3
0,2
0,1
0,0
-0,1
-0,2
-0,3
α [deg]
-0,4
0
5
10
15
20
25
30
35
40
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
173
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 –40 °C i 20 °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 1000 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 20%.
Przeprowadzona analiza pola magnetycznego wykazała, że pomimo bardzo małej
liczby żłobków przypadających na 1 biegun (Ż/2p = 31/6) pulsacje reluktancyjne strumienia
w silniku są pomijalnie małe. Ich wartość nie przekracza 0,3% średniej wartości strumienia
(rys. 9). W stanie bezprądowym różnice w wartości strumienia pod poszczególnymi
biegunami nie przekraczają 0,6%. 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 60 °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 ϑ0 ≥ 100 °C wymaga zastosowania magnesów o tak dużej wysokości, że ich
koszt jest nie do akceptacji.
174
4. 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 10, Wrocław 1992.
[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 1993.
[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 1994.
[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 1995.
[5] DUDZIKOWSKI I., Zagadnienia cieplne w silnikach komutatorowych o magnesach trwałych, XXXIII
International Symposium on Electrical Machines Permanent Magnet Electrical Machines, Poznań,
czerwiec 9–12 1997.
[6] KOZIEJ E., Maszyny elektryczne pojazdów samochodowych, Warszawa, WNT, 1984.
[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 –40 °C to 150 °C, the investigations focused on the effect of temperature on the motion
parameters and the demagnetization resistance.