Направление 2. Проблемы и перспективы развития транспортного комплекса

_______________________________________________________________________________________

УДК 629.3

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОВОЙ МОДЕЛИ АВТОМОБИЛЬНОГО ГЕНЕРАТОРА

Г.С.Коровин, студент;

А.В.Пузаков,кандидат технических наук, доцент

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

образования «Оренбургский государственный университет», Оренбург, России

Аннотация:Диагностирование технического состояния автомобильного генератора по параметрам теплового состояния требует определения параметров его тепловой модели. Разработанная тепловая модель содержит источники тепловых потерь, тепловые сопротивления и аналитические выражения для их определения. Экспериментально определена температура поверхности генератора при вариации частоты вращения ротора, рода и величины силы тока в обмотке статора. Аналитически установлен характер изменения тепловых сопротивлений исправного автомобильного генератора на постоянном и переменном токе. Дальнейшие исследования будут направлены на окончание формирования тепловой модели исправного генератора и определения изменений в ней при возникновении характерных неисправностей.

Ключевые слова: автомобильный генератор, тепловая модель, тепловые сопротивления, тепловые потери.

RESEARCH OF PARAMETERS OF A THERMAL MODEL OF AN AUTOMOBILE

ALTERNATOR

G.S.Korovin, student;

A. V. Puzakov,candidate of technical sciences, associate Professor

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education

«Orenburg State University», Orenburg, Russia

Abstract:Diagnostics of the technical state of the automobile alternator by the parameters of the thermal state requires determination of the parameters of its thermal model. The developed thermal model contains sources of thermal losses, thermal resistances and analytical expressions for their determination. Temperature of alternator surface is determined experimentally at variation of rotor rotation speed, kind and value of current intensity in stator winding. The nature of change of thermal resistances of serviceable automobile alternator at constant and alternating current is analytically established. Further studies will be aimed at completing the formation of a thermal model of a serviceable alternator and determining changes in it in case of characteristic faults.

Key words: automotive aternator, thermal model, thermal resistance, thermal loss.

Функцию производства и хранения электроэнергии выполняет совокупность элементов системы электроснабжения, основными из которых являются генератор и аккумуляторная батарея. Аккумуляторная батарея предназначена для хранения электроэнергии, питания электрооборудования при неработающем двигателе и, соответственно, генератора, а также питания стартера в процессе запуска двигателя. Генератор предназначен для производства электроэнергии, питания бортовой сети при работающем двигателе и заряжания аккумуляторной батареи.

Основой системы электроснабжения является генераторная установка переменного тока со встроенным выпрямительным блоком и регулятором напряжения. Именно совокупность этих элементов производит необходимый объем электроэнергии и преобразует ее параметры до тех значений, которые необходимы для корректного функционирования электропотребителей на борту автомобиля.

Исходя из всего вышесказанного возникают повышенные требования к надежности автомобильных генераторных установок, в частности к работоспособности и ремонтопригодности.

Перспективным является метод определения технического состояния генератора на основе его теплового состояния. Это позволяет снизить трудоемкость и увеличить производительность труда.

Исследованиям теплового состояния автомобильных генераторов посвящены работы [1, 2, 3, 4, 5].Поскольку остаточный ресурс электрических машин, согласно [6, 7, 8], напрямую зависит от их теплового состояния, то возникает задача конкретизации теплового состояния исправных и неисправных

132

ОБРАЗОВАНИЕ. ТРАНСПОРТ. ИННОВАЦИИ. СТРОИТЕЛЬСТВО

Сборник материалов III Национальной научно-практической конференции

_______________________________________________________________________________________

генераторов.Использование температуры, как диагностического параметра приведёт к сокращению времени на определение характера неисправности, более оперативному устранению неисправностей, и, соответственно сокращению простоя автомобилей в ремонте.

Согласно ранее проведенным исследованиям [9, 10], установлено, что наличие неисправностей способствует росту температуры генератора, причём величина превышения температуры определяется характером неисправности. Наибольший зафиксированный перегрев соответствует межвитковому замыканию фазы статора, а наименьший – обрыву диода выпрямителя. Это согласуется с критичностью данных дефектов, поскольку при обрыве диода генератор продолжает работать, однако вырабатываемое им напряжение значительно уменьшается, что приведёт к недозаряду аккумуляторной батареи автомобиля. Межвитковое замыкание фазы статора сопровождается характерным гулом, выходное напряжение генератора имеет настолько низкое значение, что потребители переходят на питание от аккумуляторной батареи.

Для разработки математической модели теплового состояния автомобильного генератора необходимо сравнить параметры теплового состояния исправного и неисправного генератора. Поскольку в процессе эксперимента мощность тепловых потерь поддерживалась на одном уровне, то можно сделать вывод, что между техническим состоянием генератора и величинами тепловых сопротивлений имеется взаимосвязь.

Разработкетепловой модели автомобильного генератора (рисунок 1) посвящены работы [11, 12].

Pc – тепловые потери в магнитопроводе статора; Pw – тепловые потери в обмотке статора; Rka – тепловое сопротивление корпус-окружающая среда; Rwa – тепловое сопротивление обмотка

статора-окружающая среда; Rwk – тепловое сопротивление обмотка статора-корпус;

Ta – температура окружающей среды; Tk – температура корпуса; Tw – температура обмотки статора Рисунок 1 – Тепловая модель автомобильного генератора

133

Направление 2. Проблемы и перспективы развития транспортного комплекса

_______________________________________________________________________________________

В статье проанализировано экспериментальное определение характера изменений тепловых сопротивлений исправного автомобильного генератора в процессе работы на постоянном [13] и переменном [14] токе.

Эксперимент на постоянном токе проводился по схеме представленной на рисунке 2 и заключался в исключении воздействия на тепловое состояние генератора потерь в магнитопроводе статора. Для измерения температуры использовалась термопара K-Type Рt3400, сила тока в обмотке статора фиксировалась токоизмерительными клещами Testo 770-2. Работа генератора осуществлялась в течение 20 минут для выхода на стационарный тепловой режим, после которых фиксировалась температура в обмотке статора [15, 16]. Результаты эксперимента на постоянном токе приведены в таблице 1.

При проведении эксперимента на переменном токе источником энергии был сам генератор, сила тока в обмотках которого регулировалась реостатами.Результаты эксперимента на переменном токе также приведены в таблице 1.

По данным таблицы 1 были произведены расчеты тепловых сопротивлений. Тепловое сопротивление, в общем случае, численно равно отношению мощности тепловых потерь к разности температур на элементе генератора. При условии равенства тепловых потерь изменение технического состояния генератора ведет к увеличению его температуры, а следовательно, к росту разности температур и уменьшению теплового сопротивления.

Таким образом, тепловые сопротивления могут выступать в роли косвенных диагностических параметров оценки технического состояния автомобильных генераторов.

Рисунок 2 – Схема проведения эксперимента: а) на постоянном токе; б) на переменном токе

Таблица 1 – Результаты полученные экспериментальным путем

134

135

Направление 2. Проблемы и перспективы развития транспортного комплекса

_______________________________________________________________________________________

По данным таблицы 2 на рисунке 3 построены трехмерные зависимости тепловых сопротивлений от рабочих параметров автомобильного генератора (частота вращения ротора и сила тока обмотки статора в виде поверхности отклика в программе TableCurve3D 4.0. Отдельно построены поверхности отклика по результатам эксперимента на постоянном и переменном токе.

Характер изменения тепловых сопротивлений показал, что они неизменно уменьшаются с ростом частоты вращения ротора генератора (рис. 3). При увеличении силы тока обмотки статора на постоянном токе тепловые сопротивления также уменьшаются( ~ ) (рис. 3), а при работе на переменном токе тепловое( ~ ) сопротивление обмотка статора-корпус также уменьшается, а тепловое сопротивлениевначале уменьшается, а затем увеличивается, что обусловлено изменениями величины тепловых

потерь.

Дальнейшие исследования будут направлены на окончание формирования математической модели теплового состояния исправного генератора и определения изменений в ней при возникновении характерных неисправностей.Полученные результаты могут лечь в основу бортовой автоматической системы оперативной оценки технического состояния автомобильных генераторов, использование которой на автомобилях экстренных служб позволит повысить техническую готовность и снизить простои в ремонте.

а) Rwk постоянный ток;б) Rwa постоянный ток; в Rwa переменный ток; г) Rwk переменный ток Рисунок 3– Зависимости тепловых сопротивлений от рабочих параметров генератора

Библиографический список

1.Tang, S. C. Thermal modeling of Lundell alternators / S. C. Tang, T. A. Keim, D. J. Perreault.– DOI: 10.1109/TEC.2004.837289// IEEE Transactions on Energy Conversion. –2005. – vol. 20. – no. 1. – pp. 25-36.

2.Lutun, J. Modélisationthermique des alternateurs automobiles: These de docteur. /J. Lutun. – Grenoble, 2012. –

168 p.

3.Brisset, S. Thermal modelling of a car alternator with claw poles using 2D finite element software /S. Brisset, M. Hecquet, P. Brochet.– DOI: 10.1108/03321640110359930// COMPEL: The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering. – 2001. – Vol. 20. – Issue: 1. – pp. 205-215.

4.Осаулко, Я.Ю. Структура потерь энергии автомобильного генератора / Я.Ю. Осаулко, А.В. Пузаков // Арктика: инновационные техно-логии, кадры, туризм: материалы междунар. науч.-практ. конференции, 19-21 ноября

2018 г. – Воронеж: ВГЛТУ, 2018. –С. 326-329.

5.Осаулко, Я.Ю. Анализ экспериментальных и аналитических методов определения потерь в магнитопроводе автомобильных генераторов / Я.Ю. Осаулко, А.В. Пузаков // Архитектурно-строительный и дорожно-транспортный комплексы: проблемы, перспективы, инновации: сборник трудов конференции. Омск: СибАДИ, 2018. – С. 125-129.

6.Bouarroudj, L. Contribution à l’étude de l’alternateur à griffes. Application au domaine automobile: Thèse de docteur. / L. Bouarroudj. – Grenoble, 2005. – 146 p.

136

ОБРАЗОВАНИЕ. ТРАНСПОРТ. ИННОВАЦИИ. СТРОИТЕЛЬСТВО

Сборник материалов III Национальной научно-практической конференции

_______________________________________________________________________________________

7.Chen, Mu-Kuen. Thermal effect of stator winding to the vehicle alternator / Mu-Kuen Chen // 2007 International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS). – Seoul, 2007. – pp. 1041-1045.

8.Maloberti, O. Thermal modelling of a claw-pole car alternator: Steady-state computation and identification of free convection coefficients / O. Maloberti, A. Gimeno, A. Ospina, G. Friedrich, K. El KadriBenkara, L. Charbonnier // Electrical Machines (ICEM) 2012 XXth International Conference. – Marseille, 2012. – pp. 1888-1892.

9.Puzakov, A. Diagnosing of automotive alternators on thermal state / A. Puzakov// MATEC Web of Conferences 298, 00005 (2019).

10.Puzakov, A. Physical modeling of failures of the automotive alternator / A. Puzakov// 2019 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 643 012019.

11.Пузаков, А.В. Разработка модели теплового состояния автомобильного генератора / А.В. Пузаков, Я.Ю. Осаулко

//Интеллект. Инновации. Инвестиции. – 2018. – №5. – С.80-84.

12.Осаулко, Я.Ю. Температурное поле поверхности автомобильного генератора / Я.Ю. Осаулко, А.В. Пузаков // Мир транспорта и технологических машин. – 2018. – №4. – С.20-27.

13. Пузаков, А.В. Исследование теплового состояния обмотки статора автомобильного генератора / А.В. Пузаков, Г.С. Коровин, Н.Ю. Левин // Прогрессивные технологии в транспортных системах: сборник материалов XIV Международной научно-практической конференции. – Оренбург: ОГУ, 2019. – С. 507-514.

14. Коровин, Г.С. Исследование теплового состояния автомобильного генератора / Г.С. Коровин, Н.Ю. Левин, А.В. Пузаков // Архитектурно строительный и дорожно-транспортный комплексы: проблемы перспективы и инновации: сборник материалов IV Международная научно-практическая конференция. – Омск: СибАДИ, 2019. – С.18-22.

15.Осаулко, Я.Ю. Анализ методов определения тепловых потерь в обмотке автомобильного генератора / Я.Ю. Осаулко // Проблемы функционирования систем транспорта: материалы Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (5-7 декабря 2018 г.): в 2 т. / отв. ред. А. В. Медведев. – Тюмень: ТИУ, 2019. – Т.1. – С.353-360.

16.Пузаков, А.В. Экспериментальное определение тепловой напряжённости автомобильного генератора в лабораторных условиях / А.В. Пузаков, Н. Н. Ларионов // Транспортные и транспортно-технологические системы: материалы Международной научно-технической конференции. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2016. – С. 269-273.

137