Разработана методика определения "рабочего поля" двигателя электромобиля
ПЕРМЬ, 8 декабря. /ТАСС/. Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) разработали методику определения "рабочего поля" двигателя электромобиля, то есть границ его безопасной эксплуатации. Разработка открывает возможности создания отечественных электромобилей, риск внезапной поломки которых из-за перегрева будет сведен к минимуму, рассказали ТАСС в пресс-службе вуза.
"Российский парк электромобилей стремительно растет и уже превышает 138 тыс. единиц, однако национальный стандарт испытаний двигателей под нагрузкой не учитывает специфику его работы на электромобиле. Ученые ПНИПУ предложили методику испытаний последнего, которая определяет "рабочее поле" двигателя - допустимые границы его безопасной с точки зрения перегрева эксплуатации. Универсальность метода уже доказана: полный цикл испытаний успешно проведен на серийном, малоразмерном асинхронном двигателе", - сообщили в ПНИПУ.
По словам исследователей, существующий ГОСТ "Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний" создан для двигателей внутреннего сгорания, поэтому его нельзя применять к электромоторам из-за принципиальных различий. Бензиновый или дизельный двигатель, если дать ему непосильную нагрузку, просто заглохнет. В свою очередь электродвигатель сохранит частоту вращения ротора и продолжит работать, при этом сила тока в его обмотках возрастет в разы, что приведет к стремительному нагреву. Это может вызвать нарушение изоляции, замыкание и отказ. Помимо этого, электромоторы способны развивать максимальное усилие "с места", на очень низких оборотах (в диапазоне от 0 до приблизительно 1 тыс. оборотов в минуту), где обычный двигатель внутреннего сгорания работать не может. Кроме того, их рабочий диапазон шире: они работают на частотах вращения, в полтора-два раза превышающих максимальные обороты бензиновых аналогов. В России, по словам ученых, готовых решений для испытаний автомобильных электромоторов под нагрузкой практически нет, а импортное оборудование либо недоступно, либо стоит очень дорого.
Суть методики
Для решения этой проблемы ученые Пермского политеха разработали собственную методику на специально собранном для этого нагрузочном стенде. Комплекс, созданный на кафедре "Автомобили и технологические машины" ПНИПУ, позволяет исследовать поведение электродвигателей в экстремальных режимах и определять точные границы их безопасной эксплуатации.
Для экспериментальной апробации своей методики специалисты выбрали серийный, малоразмерный асинхронный двигатель мощностью 1,1 кВт. Это самый распространенный и надежный тип электромотора, где ротор вращается за счет "скольжения" - небольшого отставания от вращающегося магнитного поля статора. Такая конструкция проста, долговечна и хорошо выдерживает перегрузки. На российском рынке доступен большой выбор подобных двигателей с разной мощностью и частотой вращения.
Для испытаний был собран специальный стенд, основой для него стал электромотор, к валу которого присоединили генератор. Этот генератор выполняет роль "электрического тормоза": создает сопротивление, заставляя мотор работать под разной нагрузкой - от минимальной до предельной. Скорость вращения мотора управляется с помощью частотного преобразователя, который действует как педаль газа, а силу "торможения" генератором можно плавно регулировать с пульта управления. Эта установка позволяет воссоздать на стенде любые дорожные условия: от спокойной езды до резкого ускорения или медленного подъема. Все время испытаний специальные датчики измеряют усилие, которое развивает мотор, частоту вращения и температуру его корпуса. Так инженеры видят, как ведет себя двигатель в каждой конкретной ситуации и в какой момент он начинает опасно перегреваться. В качестве основного параметра для замеров ученые предложили использовали частоту электрического тока (в герцах), подаваемого на мотор, поскольку в электромобиле, когда водитель нажимает на педаль газа, электронная система меняет именно ее. "Такой подход упрощает восприятие и обработку результатов испытании, делая их более понятными для инженеров, которые проектируют системы управления будущих автомобилей", - отметили исследователи.
В результате ученые определили, что для выбранного двигателя критическая температура корпуса - 70 градусов Цельсия, а максимально допустимая температура медных обмоток - 145 градусов Цельсия. Превышение этого внутреннего предела ведет к необратимому повреждению изоляции и резкому сокращению срока службы. По словам заведующего кафедрой "Автомобили и технологические машины" ПНИПУ, доктора технических наук Николая Лобова, контроль температуры корпуса может стать надежным внешним индикатором процесса. Когда температура стабильно ниже 70 градусов, скрытые обмотки гарантированно не перегреваются. Это позволит создать простую и эффективную систему управления двигателем, а датчик на корпусе при достижении порога в 65-70 градусов автоматически подаст сигнал о необходимости ограничить ток, предотвратив разрушение двигателя изнутри.
"Испытания также позволили выявить режимы, при которых температура всего за несколько минут работы достигает опасной отметки, практически вплотную приближаясь к критическому порогу. Эти режимы не подходят для длительной работы электрического двигателя под нагрузкой", - пояснил Лобов.
Как отметили в ПНИПУ, разработанная методика создает универсальный инструмент для тестирования отечественных двигателей для электромобилей под нагрузкой. В дальнейшем исследователи намерены работать над применением отработанной методики к другим типам электродвигателей, в первую очередь к синхронным.