IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

На сегодняшний день стеклоочиститель является незаменимым атрибутом практически всех видов моторной техники. Он устанавливается на самолеты, поезда, водный транспорт и, конечно, автомобили. С его помощью осуществляют механическую очистку обзорных стекол от дождя, снега, пыли и грязи.

Классический двигатель постоянного тока (ДПТ), используемый в настоящее время в моторедукторах стеклоочистителей автомобилей, является коллекторной электрической машиной с явнополюсными статором и ротором и возбуждением от постоянных магнитов или реже от обмотки возбуждения. Коллектор в ДПТ служит не только для обеспечения питания обмоток якоря, но и для преобразования постоянного тока в переменный, являясь своеобразным механическим инвертором. Напряжение питания подается непосредственно на коллектор через щётки, а ступенчатое изменение скорости вращения вала производится включением в силовую цепь дополнительного сопротивления, либо установкой дополнительной щётки, изменяющей количество подключенных к цепи питания секций обмотки якоря. Механические и моментные характеристики ДПТ являются линейными и аналогичны характеристикам, они приведены на рисунке 1 и рисунке 2.

Рис. 2. Моментные характеристики двигателя постоянного тока.

ДПТ имеет следующие недостатки:

- износ щеток;

- коллекторный шум;

- наличие графитовой пыли;

- залипание щеток и их выкрашивание;

- подгорание коллекторных пластин и круговой огонь при значительных скоростях вращения;

- значительное падение напряжения на переходе «щетка-коллектор»;

- попадание под скользящий контакт «щетка-пластина» инородных тел;

- замыкание пластин коллектора и выход из строя двигателя при попадании на него влаги во время работы стеклоочистителя;

- необходимость в высокой точности обработки коллектора по окружности и т.д.

Исходя из недостатков ДПТ следует, что необходимость в применении других видов двигателей в моторедукторах стеклоочистителей автомобилей вполне актуальна. Были выделены 2 вида двигателей, способных заменить ДПТ в моторедукторах стеклоочистителей автомобилей: Вентильный синхронный двигатель и синхронный реактивный двигатель.

Вентильный электродвигатель (ВД) — это замкнутая электромеханическая система, состоящая из бесколлекторной машины постоянного тока, с трапецеидальным распределением магнитного поля в зазоре, датчика положения ротора, преобразователя координат и усилителя мощности.

Вентильный синхронный двигатель (ВСД), схема которого приведена на рисунке 3, относится к машинам переменного тока. Наибольшее применение получили трёхфазные ВСД, обмотки якоря 1 которых, расположены на статоре и коммутируются с помощью полупроводникового инвертора 2, управляемого драйвером 3, по сигналом с датчика 4 угла поворота ротора 5. В качестве возбуждённых полюсов ротора используются постоянные магниты 6.

Рис. 3. Схема вентильного синхронного трехфазного двигателя

Известны многочисленные примеры серийного выпуска ВСД в диапазоне рассматриваемых параметров, в том числе и для автомобильной промышленности (однофазные двигатели для вентиляторов и трёхфазные многополюсные в системах кондиционирования воздуха). На рисунке 4 приведены механическая и моментная характеристики ВСД, которые являются линейными.

Рис. 4. Механическая (а) и моментная (б) характеристики ВСД.

(М_Н – момент нагрузки; _Д – частота вращения электродвигателя;

М_Д – электромагнитный момент двигателя; I_Я – ток в якоре электродвигателя).

Синхронный реактивный двигатель. Создание IGBT и MOSFET транзисторов и простых, относительно дешёвых электронных коммутаторов способствовало появлению в 80 годы XX века электрической машины с модуляцией магнитной проводимости. В качестве рабочего термина в большинстве случаев используется термин «синхронный реактивный двигатель», и также «вентильный реактивный двигатель» .

Рис.5. Схема синхронного реактивного двигателя

Синхронный реактивный двигатель (СРД) устроен проще, чем любая другая электрическая машина; он не имеет обмотки возбуждения или постоянных магнитов и коллектора. На рисунке 5 представлена схема СРД, имеющего явнополюсную шихтованную структуру с n полюсамина статоре 1, несущими сосредоточенные катушечные обмотки 2, и m невозбужденными полюсами на роторе 3, причём n ≠ m. Принцип действия машины состоит в притягивании ближайшего зубца ротора к возбуждённому в данный момент полюсу статора. Переключение катушек полюсов обеспечивается инвертором 4 и драйвером 5 по сигналам с датчика угла поворота ротора 6.

Механическая характеристика СРД (рис. 6, а) является нелинейной и подобна характеристике ДПТ с последовательным возбуждением. Моментная характеристика (рис. 6, б) представляет собой квадратичную зависимость, что является весьма ценным для обеспечения значительных пусковых моментов.

Рис. 6. Механическая (а) и моментная (б) характеристики СРД

Выполним сравнительную оценку рассматриваемых двигателей по различным техническим характеристикам и параметрам.

В таблице 1. содержатся технические характеристики и показатели двигателей, в том числе приведенные в технической литературе и рекламных материалах.

Таблица 1.

№ п/п	Техническая характеристика, показатель	Коллекторный ДПТ		Вентильный синхронный двигатель (в т.ч.	Синхронный (вентильный) реактивный двигатель (нереверсивный)
		с обмоткой возбуждения	с постоянными магнитами
1	наличие постоянных магнитов	-	на статоре	на роторе	-
2	обмотка	на роторе распределенная с коллектором		на статоре распределенная трехфазная	на статоре сосредоточенная двухфазная
3	ротор	шихтованный		шихтованный или литой	шихтованный без заливки и без обмотки
4	статор	литой или шихтованный		шихтованный (24 паза)	шихтованный ; 4 паза)
		с сосредоточенной обмоткой
5	коэффициент полезного действия, %	70	76	78	86
6	удельные массо-габаритные показатели	1,0	1,2	1,0	1,74
7	наличие датчика положения ротора	-	-	3	1
8	количество полупроводниковых ключей в инверторе	-	-	6	2
9	надежность (ограничение срока службы)	щетки, коллекторные пластины, подшипники, стойкость изоляции		стойкость изоляции, подшипники, размагничивание магнитов	Стойкость изоляции, подшипники
			размагничивание магнитов
10	средний уровень звука, ДБА	60÷70	50÷60	45÷55	45÷55
11	вид механической характеристики	тяговая	линейная	линейная	тяговая
12	относительная стоимость изготовления машины	1,2	1	1,5	0,33
13	основные достоинства	Простота и низкая стоимость инвертора (коллектора)		возможность получения больших моментов; отсутствие коллектора	простота и низкая стоимость изготовления; высокий к.п.д; высокая надежность; отсутствие магнитов и коллектора
		возможность управления обмоткой возбуждения
14	основные недостатки	дорогостоящие, нестабильные и хрупкие магниты; наличие щеточно-коллекторного узла		дорогостоящие нестабильные и хрупкие магниты; дорогостоящий инвертор; наличие датчика угла поворота ротора	относительно дорогостоящий инвертор; наличие датчика угла поворота ротора

Перечень технических характеристик и показателей, приведенных в таблице 1 может быть расширен. Однако, применительно к объекту движения (стеклоочиститель автомобиля), данным перечнем можно ограничиться.

Из рассмотрения таблицы 1 следует, что применяемый в настоящее время в стеклоочистителях классический коллекторный ДПТ по многим показателям явно проигрывает вентильным двигателям и, в особенности, синхронному реактивному двигателю.

Можно утверждать, что применение классических ДПТ в новых разработках сегодня не перспективно.

Исходя из таблицы 1, литературных источников и мнений специалистов, а также опираясь на трехмерный показатель «технические характеристики – цена – простота изготовления», можно судить о перспективности использования в моторедукторах стеклоочистителей синхронных реактивных двигателей. Рассмотрим особенности этих двигателей более подробно.

Особенности синхронных реактивных двигателей.

В многочисленных работах, посвященных синхронным реактивным двигателям приводятся их достоинства в сравнении с любыми другими типами машин, в т.ч. с наиболее распространенными асинхронными машинами:

- предельная простота и технологичность конструкции при любом числе полюсов и фаз, отсутствие операции заливки беличьей клетки ротора или оснащения ротора дорогостоящими и нетехнологичными и постоянными магнитами;

- холодный ротор, не несущий обмоток, и как следствие, холодные подшипники; основные потери выделяются в катушках статора и легче отводятся;

- высокотехнологичные, изготавливаемые на станке катушки – обмотки статора; упрощение операции пропитки; пропитываются только катушки статора, а не весь статор как в асинхронных машинах;

- высокая ремонтопригодность - простая замена катушек;

- простая утилизация – разделение железа и меди;

- наконец, главное преимущество; стоимость производства примерно в три раза меньше, чем машин с постоянными магнитами, и в два раза меньше, чем асинхронных машин с короткозамкнутым ротором.

Коммутатор, переключающий обмотки статора, может быть реализован в различных конфигурациях. Он должен обеспечивать подачу на фазы двигателя однополярных импульсов, что позволяет выполнить его более надежным в сравнении с аналогичным преобразователем частоты для асинхронного электропривода – ликвидируется опасность сквозных коротких замыканий, упрощается защита. Среди большого числа исполнения коммутатора, разработанных для дискретного электропривода, удается найти варианты с наименьшим количеством дорогих ключей – транзисторов, снизив в итоге его стоимость. Для нереверсивного варианта двигателя достаточного для реверсивного привода стеклоочистителя коммутатор (инвертор) может содержать два транзистора и два диода на фазу.

Основная проблема создания вентильно-индукторного электропривода состоит в правильном управлении ключами коммутатора в различных режимах работы и формирования определенных фронтов импульса тока. Инвертор должен обеспечить нормальную работу двигателя минимальными пульсациями момента, хорошими энергетическими и акустическими показателями. Следует особо отметить, что СРД является специфической машиной, поэтому требует неклассического подхода к построению его управления.

На рисунках 7 и 8 приведены фотографии макета двигателя и коммутатора.

Рис 7. Макет синхронного реактивного двигателя. Рис. 8. Макет коммутатора.

На рисунках 9 – 11 представлены характеристики макета двигателя, снятые экспериментально или полученные с использованием расчетов.

Рис. 9. Графики изменения скорости в зависимости

от тока при различных напряжениях питания инвертора

Рис.10. Графики изменения к.п.д. инвертора, двигателя

и привода в функции тока

Рис. 11. График изменения момента в функции тока

Результаты макетирования указывают на принципиальную возможность создания моторедуктора на базе синхронного реактивного двигателя с соответствующими техническими характеристиками.

Библиографический список

1. Кацман М. М. Электрические машины: Учеб. для учащихся электротехн. спец. техникумов. / М. М. Кацман. – М.: Высш. шк., 1990. – 463 с. – ISBN 5-06-000120-2.

2. Китаев В. Е. Электротехника с основами промышленной электроники. Учеб. пособие для проф.-техн. училищ. / В. Е. Китаев – М.: Высш. школа, 1980. – 254 с. – ил. – (Профтехобразование. Электроника).

3. Шеховцов В.П. Электрическое и электромеханическое оборудование. / В.П. Шеховцов — М: ИНФРА-М., 2004. — 408 с. – ISBN 5-16-001891-3 — ил. — (Профессиональное образование).

Код для цитирования: Скопировать