К общим требованиям относятся: минимальные габаритные размеры, масса, металлоемкость и стоимость, работоспособность в широком диапазоне температур окружающей среды (от -60 до 80°C), низкий уровень шума (не более 52—57 дБ на расстоянии 0,3 м), отсутствие радиопомех, высокие параметры надежности, минимальные затраты на техническое обслуживание в эксплуатации.
Электродвигатели отопителей, вентиляторов, топливных насосов работают продолжительное время и могут развивать небольшой пусковой момент, но должны иметь высокий КПД. Электродвигатели омывателей стекол и фар, механизмов подъема стекол и антенны, блокировки дверей и регулирования положения сидений работают в кратковременном или повторно-кратковременном режимах, иногда с реверсированием, и должны обладать большим пусковым моментом и возможно малой электромеханической постоянной времени. Электродвигатели стеклоочистителей испытывают переменные нагрузки, существенные перегрузки при работе и включении, поэтому их механические характеристики должны быть жесткими и обеспечивать определенную частоту вращения вала при различных нагрузках. Электродвигатели предпусковых подогревателей должны надежно работать при низких температурах окружающей среды.
При разработке новых электродвигателей учитываются требования производства и эксплуатации по повышению их качества, технологичности изготовления, производительности различных систем и агрегатов автомобиля. От качества исполнения и эксплуатационной надежности электродвигателей в значительной степени зависит эффективность использования автомобилей и безопасность движения.
Электродвигатели автомобильного электропривода проектируются на номинальные значения напряжения 12 и 24 В, а в дальнейшем при переходе на двухуровневую систему 12 и 42 В, могут рассчитываться и на 42 В.
На автомобилях применяются только электродвигатели постоянного тока с двумя способами возбуждения: электромагнитным и от постоянных магнитов. Электромагнитное возбуждение может быть последовательным, параллельным и смешанным. При последовательном электромагнитном возбуждении достигается высокая кратность пускового вращающего момента к номинальному. Параллельное электромагнитное возбуждение или независимое возбуждение от постоянных магнитов обеспечивают необходимую жесткость механической характеристики; частота вращения вала этих электродвигателей мало зависит от нагрузки.
В реверсивных электродвигателях с электромагнитным возбуждением используются две обмотки возбуждения, катушки которых намотаны таким образом, что создают направленные в противоположные стороны магнитные потоки. Каждая обмотка рассчитана на одно направление вращения. Благодаря независимому возбуждению все электродвигатели с возбуждением от постоянных магнитов могут быть реверсивными, что позволяет сократить их номенклатуру.
Двухскоростные электродвигатели со смешанным электромагнитным возбуждением имеют отдельные выводы для последовательной и параллельной обмоток возбуждения. Чтобы обеспечить вращение якоря с большей частотой в цепь параллельной обмотки возбуждения вводится дополнительный резистор. Сила тока возбуждения уменьшается, что сопровождается уменьшением магнитодвижущей силы обмоток возбуждения и магнитного потока в магнитной системе электродвигателя.
Частота вращения вала электродвигателя с возбуждением от постоянных магнитов регулируется с помощью присоединяемой к источнику электроэнергии дополнительной третьей щетки. Третья щетка устанавливается между двумя основными щетками. Частота вращения вала электродвигателя с возбуждением от постоянных магнитов зависит от числа проводников обмотки якоря. При подаче напряжения на третью щетку число активных проводников уменьшается и частота вращения вала возрастает.
КПД электродвигателей автомобильного электропривода зависит от их мощности, но обычно не превышает 60 %.
Электродвигатели с электромагнитным возбуждением малой мощности (до 60 Вт) выполняются двухполюсными. Пакет якоря 1 (рис. 1) электродвигателя и коллектор 8 закреплены на валу 16, который вращается в самоустанавливающихся подшипниках 7 и 15 скольжения из порошкового материала. Левый подшипник 7 установлен в крышке 2, правый подшипник 15 — в корпусе 11. Подшипники смазываются маслом, которым пропитана фетровая набивка 6. В крышке и корпусе подшипники удерживаются и центрируются пластинчатыми пружинами 5 и 14.
Рис. 1. Электродвигатель с электромагнитным возбуждением: 1 - якорь; 2 - крышка; 3 - винт; 4 - траверса; 5, 14 - пластинчатые пружины; 6 - фетровая набивка; 7,15 - подшипники; 8 - коллектор; 9 - щетка; 10 - пружина щеткодержателя; 11 - корпус; 12 - статор; 13 - катушка обмотки возбуждения; 16 - выходной вал
Статор 12 с полюсами, на которых закреплены катушки обмотки 13 возбуждения, крепится на внутренней поверхности корпуса 11.
Шихтованные пакеты статора и якоря набраны из стальных пластин толщиной 0,6—1,0 мм для уменьшения потерь на вихревые токи и перемагничивание.
Секции петлевой обмотки якоря выведены на коллектор 8, к которому пружинами 10 прижимаются щетки 9. Коробчатые щеткодержатели закреплены на траверсе 4.
Коллектор может быть выполнен из медной полосы с последующей опрессовкой пластмассой и фрезерованием для получения отдельных коллекторных пластин. Применяют также коллекторы из медных труб с ребрами на внутренней поверхности, за которые пластины коллектора после их фрезерования удерживаются пластмассовой втулкой. Число коллекторных пластин равно числу пазов якоря.
В электродвигателях как с электромагнитным возбуждением, так и с возбуждением от постоянных магнитов применяются электрощетки марок M1, 96, 961, ЭГ51 с размерами 6x6x10 мм, 7,5x7x10 мм и 7x8x17 мм.
Электродвигатели мощностью более 100 Вт имеют корпус из полосовой малоуглеродистой стали или из трубы. На корпусе винтами закреплены полюса с катушками обмотки возбуждения. Вал якоря устанавливается в шариковых подшипниках, расположенных в крышках. Крышки стянуты между собой болтами. Стабильную работу щеток в щеточно-коллекторном узле обеспечивают реактивные щеткодержатели.
Схемы электродвигателей с электромагнитным возбуждением приведены на рис. 2. Для присоединения электродвигателей к бортовой сети электрооборудования автомобиля используются изолированные от корпуса выводы или выведенные наружу гибкие провода с наконечниками. У ряда электродвигателей вторым токопроводом может быть корпус.
Рис. 2. Схемы электродвигателей с электромагнитным возбуждением: а - последовательное возбуждение (ПС); б - ПС с регулируемой частотой вращения вала; в - ПС реверсивного двигателя; г - параллельное возбуждение (ПР); д - ПР реверсивного двигателя; е - смешанное возбуждение
Электродвигатели с возбуждением от постоянных магнитов вытесняют электродвигатели с электромагнитным возбуждением; которые составляют менее 10 % общего числа электродвигателей.
Применение для возбуждения постоянных магнитов упрощает конструкцию электродвигателей, уменьшает в 1,5—2,0 раза расход меди, на 10—12% повышает КПД. Упрощается схема внутренних соединений. При равной мощности уменьшается сила потребляемых токов и рабочая температура нагрева. Срок службы повышается до 250—300 тыс. км пробега автомобиля.
Электродвигатели с возбуждением от постоянных магнитов отличаются тем, что у них отсутствует пакет статора с обмоткой возбуждения, вместо которой используются постоянные магнитны, закрепляемые на корпусе пластинчатыми пружинами или приклеиваемые. Постоянные магниты в электродвигателях омывателей стекол вместе с магнитопроводом заливаются пластмассой.
На рис. 3 показано устройство электродвигателя с возбуждением от постоянных магнитов для отопителей. Постоянные магниты 2 закреплены на корпусе 12 пружинами 10. Крышка 8 прикреплена к корпусу винтами, которые вворачиваются в крепежные пластины 9, расположенные в пазах корпуса. В корпусе и крышке установлены подшипники 1 и 5 из порошкового материала, в которых вращается вал якоря 11. Все щеткодержатели 3 находятся на траверсе 7 из изоляционного материала. Траверса закреплена на крышке 8. Щетки 4, по которым ток подводится к коллектору 6, размещены в щеткодержателях 3 коробчатого типа. Коллекторы также, как и в электродвигателях с электромагнитным возбуждением штампуются из медной ленты с последующей опрессовкой пластмассой или из трубы с продольными пазами на внутренней поверхности.
Рис. 3. Электродвигатель с возбуждением от постоянных магнитов для отопителей: 1 и 5 - подшипники скольжения; 2 - постоянный магнит; 3 - щеткодержатель; 4 - щетка; 6 - коллектор; 7 - траверса; 8 - крышка; 9 - крепежная пластина; 10 - пружина; 11 - якорь; 12 - корпус
Крышки и корпус изготовляют из листовой стали. У электродвигателей стеклоомывателей крышка и корпус могут быть сделаны из пластмассы.
Электродвигатель 45.3730 электропривода вентилятора отопителя, предназначенного для автомобилей ВАЗ-2108, ВАЗ-2109 и ИЖ-2126, показана на рис. 4. Мощность электродвигателя 90 Вт. Крайние изоляционные пластины 15 пакета якоря 12 выполняются из пластмассы (полиамид ПА-66) как одно целое со втулкой для защиты от замыкания лобовых частей обмотки якоря на пакет якоря и вал. В электродвигатель встроена катушка индуктивности 9 для подавления радиопомех.
Рис. 4. Электродвигатель 45.3730 с возбуждением от постоянных магнитов: 1, 7 - подшипники; 2 - постоянный магнит; 3 - щеткодержатель; 4 - щетка; 5 - траверса; 6 - коллектор; 8, 14 - крышка; 9 - катушка индуктивности; 10 - крепежная пластина; 11 - пружина крепления магнита; 12 - якорь; 13 - корпус; 15 - крайняя изоляционная пластина якоря
В электродвигателях автомобильного электропривода используются изотропные 6БИ240, М6БИ230Ж и анизотропные 24БА210,18БА220 и 14БА255 магниты из гексаферрита бария (табл. 1). Остаточная магнитная индукция у магнитов 6БИ240, 18БА220 и 24БА210 составляет соответственно 0,19; 0,33 и 0,37 Тл. Коэрцитивная сила магнитов указана в маркировке (последние цифры, кА).
Таблица 1
Постоянные магниты типов 1 и 2 применяются обычно в электродвигателях насосов омывателей стекол и заливаются в пластмассовый корпус. Магниты типов 3—6 прикрепляются к корпусу плоскими пружинами или приклеиваются.
Характеристикой магнита, используемой при расчете электродвигателя, является кривая его размагничивания (рис. 5). Кривая размагничивания — это часть петли гистерезиса, находящаяся во II квадранте. Свойства магнитного материала определяются значениями остаточной индукции Вr и коэрцитивной силы Нс. Полезный поток, создаваемый магнитом в магнитной цепи, не является постоянным, а зависит от внешних размагничивающих факторов. Рабочая точка N магнита вне системы электродвигателя, рабочая точка М магнита в сборе с корпусом и рабочая точка К магнита у электродвигателя в сборе различны. Для большинства магнитов процесс размагничивания необратим, так как возврат из точки с меньшей индукцией в точку с большей индукцией (например, при разборке и последующей сборке электродвигателя) происходит по кривым возврата, не совпадающим с кривой размагничивания. Существенным преимуществом магнитов из гексаферрита бария, помимо их относительной низкой стоимости, является совпадение в определенных пределах кривых возврата и размагничивания. Если воздействие внешних размагничивающих факторов таково, что рабочая точка N магнита перемещается за точку перегиба кривой размагничивания, то возврат в точку К уже невозможен и рабочей точкой во вновь собранном электродвигателе будет уже точка К1 с меньшей индукцией. Поэтому при расчете электродвигателей с постоянными магнитами очень важен правильный выбор объема электромагнита, обеспечивающего не только заданный рабочий режим электродвигателя, но и стабильность рабочей точки при воздействии максимально возможных размагничивающих факторов.
Рис. 5. Кривая размагничивания магнита: Вr - остаточная индукция; Нс - коэрцитивная сила; ON - линия проводимости Gs рассеяния для магнита в свободном состоянии; ОМ - линия проводимости Gs-k внешней цепи для магнита в сборе с корпусом; ОК - линия проводимости Gпол внешней цепи для магнита в сборе с электродвигателем (без учета насыщения); LL’ - кривая возврата; К, М и N - рабочие точки
С точки зрения лучшего использования электрической машины и экономии меди желательным является применение материалов с лучшими магнитными свойствами. Однако, с другой стороны, к магнитным материалам предъявляются высокие требования по стабильности магнитных свойств при воздействии различных размагничивающих факторов, механической прочности и себестоимости.
Требования по стабильности магнитных материалов связаны с тем, что по техническим условиям для электродвигателей автомобильного электропривода существует определенный допуск на отклонение частоты вращения вала от номинальной (±10%). Такой разброс в электродвигателях с электромагнитным возбуждением может быть обусловлен только технологическими допусками на изготовление деталей и узлов электрической машины. В электродвигателях с возбуждением от постоянных магнитов на изменение частоты вращения вала дополнительно влияют различие магнитных свойств магнитов одной марки и изменение рабочего магнитного потока при воздействии внешних факторов (температура, пусковые режимы, ударные нагрузки и т.д.).
Все большее распространение в электродвигателях автомобильных электроприводов получает магнитный материал на основе соединения неодим-железо-бор (Nd-Fe-B) с очень высокими магнитными свойствами, превышающий по своим показателям магнитные сплавы типа алюминий-никель-кобальт (Al-Ni-Co) и даже самарит-кобальт (Sm-Co). Магнитный материал неодим-железо-бор получают из расплава, льющегося на охлажденный быстровращающийся барабан. Затем из ленты получают порошок, который служит в качестве составляющей для производства печеных магнитов и магнитопластов.
Применение магнитов из материала неодим-железо-бор, сочетающих высокое значение коэрцитивной силы с наибольшей для известных магнитов магнитной энергией, в электродвигателях постоянного тока позволяет снизить на 20—25% расход меди и примерно на 30 % улучшить массогабаритные показатели электромеханических систем автомобильного электропривода. Применение специальных методов намагничивания в осевом, тангенциального или радиального направлении дает возможность формировать полюса в заданном положении на статоре, что еще больше расширяет возможности электропривода.
Заводами подотрасли производства автотракторного электрооборудования изготовляются электродвигатели мощностью 5, 10, 25, 40, 90, 110, 200 Вт и более. Около 95% общего выпуска составляют электродвигатели мощности выпускаемых электродвигателей в перечисленном ряде мощностей могут варьироваться в определенных пределах. Кроме того, для отдельных случаев разрабатываются специфические изделия на собственной уникальной базе.
Частота вращения вала электродвигателей колеблется в широких пределах 1500—9000 мин-1. Большинство электродвигателей рассчитано на частоту вращения вала 3000 мин-1. У отдельных типов электродвигателей частота вращения вала находится в пределах 7000—8000 мин-1.
Специфические требования к некоторым электродвигателям предъявляются в зависимости от места установки, компоновки их в электроприводе и режимов эксплуатации автомобиля. Многообразие требований привело к созданию большого количества электродвигателей. Уже выпускается более 340 моделей и модификаций электродвигателей. При годовом объеме выпуска 8—10 млн штук актуальной становится разработка типовых рядов электродвигателей с различным способом возбуждения на базе размерных рядов якорей и корпусов.