Электрические двигатели в автомобиле

Электрические двигатели в автомобиле

Электрические двигатели в автомобиле — это электрические машины (электромеханические преобразователи), в которых электрическая энергия преобразуется в механическую. В основу работы подавляющего числа электрических машин положен принцип электромагнитной индукции. Вот о том, что представляют собой электрические двигатели, мы и поговорим в этой статье.

 

Систематика роторных электрических машин

 

Электрические двигатели в автомобиле являются электро-магнето-механическими преобразо­вателями энергии. При энергии Wm, имеющейся в магнитном поле, разряд, согласно углу вращения γ, создает магнитную силу Ft:

F= δ W/ δ γ

Она служит тангенциальной силой для соз­дания крутящего момента, вычисляемого по радиусу ротора r (рис.1 «Принцип работы роторных электрических машин»). Это можно описать выражением:

М = Ft r.

Электрические машины можно поделить на категории по их управлению (табл.1 «Систематический подход к электрическим двигателям»). Часть этой систематизации взята из стандарта DIN 42027.

Структура двухполюсного эектродвигателя переменного тока

Двигатели постоянного тока

 

Для работы в качестве двигателей часто вы­бираются двигатели постоянного тока. Они ис­пользуются, например, в качестве приводов для электрических топливных насосов, вентилятор­ных электродвигателей, пусковых электродви­гателей, электродвигателей стеклоочистителей ветрового стекла и стеклоподъемников.

Двигатель постоянного тока (рис.2 «Структура двухполюсного эектродвигателя переменного тока») со­стоит из статора с возбуждающей, компенси­рующей и коллекторной обмотками, а также ротора (якоря) с роторной обмоткой. Ротор запитывается через коллекторные щетки и коллекторные пластины. Обмотки можно со­единять параллельно или последовательно.

Двигатели постоянного тока классифици­руются по различным характеристикам (с по­следовательным или параллельным возбуж­дением). Приведенные вычисления относятся к самокоммутирующимся двигателям. Схемы соединений двигателей постоянного тока регламентируются стандартом DIN EN 60034, часть 8 [2].



Коммутация в двигателе постоянного тока

Для работы двигателя постоянного тока не­обходимо, чтобы направление тока в роторе оставалось постоянным относительно по­люсов статора (рис.3 «Принцип коммутации тока»). Принцип коммутации токаПроцесс изменения направления тока в роторе происходит в нейтральной зоне и называется коммута­цией. Коммутатор получает ток IR через кол­лекторные щетки. Он делится на токи ветвей Izw. Напряжение, наводимое в обмотках, вы­числяется по формуле:

u = -L di / dt

Тангенциальная скорость vt поверхности кол­лектора:

vt = ω dc / 2

Для определения длительности цикла Тс учи­тывается количество коллекторных пластин:

Тс = πdc / vt K

Изменение тока в коллекторной обмотке про­исходит за время Тс. Если учесть, что имеет место лишь ток Izw, то для наведенного на­пряжения применяется следующее:

u = -L (Izw vt K / πdc)

Обозначения берутся из DIN 1304. часть 7.

Коммутирующая и компенсирующая обмотки

 

Распределение поля

Главное поле, беспрепятственно проникающее в ротор при отсутствии тока, имеет симметрич­ное распределение (рис.4а «Наложение полей»). Аналогично, имеется симметричное разделение потока, когда ток подается только на ротор (рис. 4Ь).

При наложении этих полей нейтральная зона отклоняется на угол β (рис. 4с). Таким об­разом, эта магнитно-нейтральная зона больше не соответствует геометрически нейтральной зоне (положение коллекторных щеток).

Наложение полей

В геометрически нейтральной зоне это соз­дает магнитное поле, которое в процессе ком­мутации наводит напряжение в обмотке ротора, вызывая искрение между щеткой и движущейся коллекторной пластиной. Во избежание этого в процессе коммутации в этой обмотке наводится другое напряжение, где амплитуда и направле­ние компенсируют эффект изначально наведен­ного напряжения. Это достигается с помощью коммутирующей обмотки (рис.2). Коммутирую­щая обмотка последовательно подключается к обмотке ротора. Она использует обратную ре­акцию ротора для противодействия смещению в магнитно-нейтральной зоне.

В случае с двигателями без коммути­рующей обмотки щетки нужно смещать в магнитно-нейтральную зону. Возмущение основного поля, возникаю­щее в области полюсного башмака, ведет к снижению доступной поверхности клеммы вкупе с ростом магнитного сопротивления. Вот почему у более крупных двигателей име­ется компенсирующая обмотка, встроенная как полюсный башмак (рис. 2). Компенсирующая обмотка последовательно соединяется с об­моткой ротора, и ее размеры таковы, чтобы компенсировать поперечное поле ротора.

Эффект коммутирующей и компенсирующей обмоток

Последовательность изображений на рис.5 «Эффект компенсирующей и коммутирующей обмоток» описывает эффект обеих обмоток. Показаны распределения полей в воздушном зазоре. Рас­положение полюсов с обмоткой и нейтральной зоной показано на рис.5а. Распределение поля возбуждения ВE(х) под полюсным башмаком, а также полюсное деление τР показаны на рис.5Ь. На рис.5с показано распределение попе­речного поля ротора Br(x). Наложение обоих распределений полей можно увидеть на рис. 5d. Компенсирующая индукция Bk(x) (рис.5е) и наложение из рис.5d показаны на рис.5f. Если коммутирующая индукция Bw(x) на рис.5g накладывается на распределение поля из рис. 5f, то получаем желаемое распределе­ние поля согласно рис.5h.

Эффект компенсирующей и коммутирующей обмоток 4-2

Расчет тангенциальной силы

 

Расположение статора и ротораДля создания крутящего момента на роторе необходима тангенциальная сила. Объекты исследования — статор и ротор с канавкой (рис.6 «Расположение статора и ротора»), в которой находится токоведущий проводник (прядь обмотки). Ротор переме­щается из положения 1 в положение 2. Поток статора Фs создает индукцию Bs в воздуш­ном зазоре, а проводник в роторе, через ко­торый протекает ток, вызывает индукцию ВR. С левой стороны канавки образуется деструк­тивное, а с правой стороны — конструктивное наложение этих двух индукций. Энергия, на­копленная в воздушном зазоре с левой сто­роны канавки, равна:

dW2 = (δIL/2μ0) (Bs2-BR2)dx       (уравнение 1).

С правой стороны канавки она равна:

dW1 = (δIL/2μ0) (Bs2+BR2)dx            (уравнение 2).

Работа dW, выполняемая в этой части, по­лучается из разности между энергиями dW1 и dW2:

dW = dW1- dW2 = Fdx               (уравнение 3).

Уравнения 1, 2 и 3 можно использовать для вычисления силы Ft. Это можно описать вы­ражением:

Fdx = (lRδ/0) [(Bs2-BR2)-(Bs2+ BR2)]dx.

Это значит, что:

Ft = (lRδ/0BR2

Магнитно-эффективная длина ротора равна lR. Сила Ft  — это квадратичная функция ин­дукции провода, по которому протекает ток. Влияния индукции статора компенсируют друг друга. Поскольку силы на пограничных слоях всегда воздействуют в направлении низкой проницаемости, то они влияют на кру­тящий момент из-за потоков, возникающих по бокам от канавки.



Электродвигатель параллельного возбуждения

 

Особенностью электродвигателя параллель­ного возбуждения является то, что обмотка ротора параллельно соединяется с обмоткой возбуждения. Обозначение подключений электродвигателя с параллельным возбуждениемДля электродвигателя парал­лельного возбуждения действуют следующие условия подключения (рис.7 «Обозначение подключений электродвигателя с параллельным возбуждением» ):

  • А — обмотка ротора:
  • А — коммутирующая обмотка;
  • С — Компенсирующая обмотка;
  • Е — обмотка возбуждения.

Расчет электродвигателя параллельного возбуждения базируется на сопротивлении ротора RA и напряжении, наводимом обмот­кой ротора. Напряжение на клеммах UKl со­ставляется из напряжения ротора UA = IА RA и наведенного напряжения Uind = cn ФS:

UKl = IА RA + cn ФS      (уравнение 4).

Здесь с1 обозначает конструктивно опреде­ляемую константу двигателя, зависящую от количества катушек в обмотке ротора, n — ча­стота вращения, ФS — поток статора, IА — ток ротора.

Решение уравнения 4 для n дает скорость вращения (уравнение частоты вращения — тока ротора):

n = (- R/c1ФS) IА + UKl /c1ФS     (уравнение 5).

Если момент двигателя Мм = с2ФS IА   вставить в уравнение частоты вращения — тока ротора (уравнение 5), то получим уравнение частоты вращения — крутящего момента

n = (- R/c1с2ФS2) Мм + UKl /c1ФS  (уравнение 6).

с2 — это тоже конструктивно определяемая константа двигателя, зависящая от количе­ства катушек в обмотке ротора.

Зависимость частоты вращения от крутящего момента электродвигателя с параллельным возбуждениемНа рис.8 «Зависимость частоты вращения от крутящего момента электродвигателя с параллельным возбуждением» показаны рабочие характеристики электродвигателя параллельного возбуждения. Для преодоления трения двигатель должен развивать фрикционный момент MR. В момент включения частота вращения равна нулю. Это позволяет вычислить пуско­вой момент

M= UKl c2Ф/RA

в уравнении 6. При теоретически самой высо­кой частоте вращения на характеристической кривой (холостые обороты), двигатель не развивает крутящий момент. Холостые обо­роты n0 равны

n= UKl /c1ФS

Электродвигатель с последовательным возбуждением

 

Обозначение подключений электродвигателя с последовательным возбуждениемУ электродвигателя с последовательным воз­буждением коммутирующая, компенсирую­щая, возбуждающая обмотки статора и об­мотка ротора соединяются последовательно (рис.9 «Обозначение подключений электродвигателя с последовательным возбуждением»). D обозначает обмотку возбуждения электродвигателя с последовательным воз­буждением. Чтобы определить рабочие характеристики, суммируем сопротивления обмоток, и получаем сопротивление RA.

Точно таким же образом, как и в случае с электродвигателем параллельного возбуж­дения, напряжение на клеммах UKL склады­вается из напряжения ротора и наведенного напряжения:

UKl = IА RA + cn ФS                         (уравнение 7).

В результате получаем уравнение скорости вращения:

n = (- R/c1Ф) IА + UKl /c1ФS   (уравнение 8).

Магнитный поток можно вычислить с помо­щью другой константы двигателя с3:

Ф = с3 IА                                             (уравнение 9).

Зависимость частоты вращения от крутящего момента электродвигателя с последовательным возбуждениемКонстанта двигателя с3 имеет единицу ин­дуктивности и поэтому зависит от геометрии, количества катушек и проницаемости. Крутя­щий момент двигателя Мм вычисляется по формуле

Мм = с2с3IА2                                    (уравнение 10).

Если уравнение 10 скорректировать согласно IА, это выражение будет действительно в уравнении 9 и оно, в свою очередь, в уравне­нии частоты вращения — тока (уравнение 8). В результате получаем:

n =  (- R/c1с3) +  (UKl с2с3 /с1с3) (1/ Мм )  (уравнение 11).

В отличие от электродвигателя с параллель­ным возбуждением, здесь частота вращения пропорциональна соответствующему значе­нию корня крутящего момента (рис.10 «Зависимость частоты вращения от крутящего момента электродвигателя с последовательным возбуждением»). Дви­гатель характеризуется значительным паде­нием частоты вращения при малой нагрузке. Если внешняя нагрузка на двигатель будет равна нулю, то частота вращения теоретиче­ски будет стремиться к бесконечности.

В следующей статье я расскажу о шине CAN в автомобиле.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *