Системы электростартерного пуска

1. Системы электростартерного пуска

2.

Назначение и принцип действия системы
электростартерного пуска
Система
представляет
электрических
электростартерного
собой
комплекс
устройств,
пуска
механических
и
обеспечивающих
принудительное вращение вала двигателя внутреннего
сгорания (ДВС) до частоты вращения, необходимой
для его запуска.

3.

Особенности работы электростартеров и
требования к электростартерам
Электростартер получает питание от аккумуляторной батареи - автономного
источника электроэнергии ограниченной мощности. Вследствие внутреннего
падения напряжения в батарее напряжение на выводах электростартера не остается
постоянным, а уменьшается с увеличением нагрузки и силы потребляемого тока.
Сила тока электростартеров может составлять несколько сот и даже тысяч
ампер. При такой силе тока на характеристики стартерного электродвигателя
большое влияние оказывает падение напряжения в стартерной сети, т.е. в
стартерном проводе и «массе».

4.

Режим работы электростартеров - кратковременный с
длительностью включения до 10с при температуре 20°С. При
отрицательных температурах допускается длительность работы
до 15с для стартеров бензиновых двигателей и до 20с для
стартеров дизелей.
Длительное время по отношению к периоду прокручивания
коленчатого вала двигателя стартер может работать в режимах
полного торможения и холостого хода. Якорь стартера должен без
повреждений в течение 20с выдерживать нагрузки, возникающие
при частоте вращения коленчатого вала, на 20% превышающей
частоту его вращения в режиме холостого хода.

5.

Состав системы электростартернрго пуска:
стартерная аккумуляторная батарея;
электростартер, который состоит из следующих компонентов:
электродвигатель постоянного тока,
тяговое реле стартера,
приводной механизм,
редуктор,
маховик ДВС с зубчатым венцом.

6.

Назначение элементов системы электростартерного пуска
Стартерная аккумуляторная батарея - обеспечивает электроэнергией
систему пуска.
Электростартер - приводит во вращение ДВС.
Электродвигатель постоянного тока - преобразует электроэнергию в
механическую энергию вращения,
Тяговое реле стартера - производит включение и отключение
электродвигателя, а также ввод и вывод шестерни стартера во
взаимодействие с маховиком ДВС.
Приводной механизм - обеспечивает передачу момента от
электродвигателя к маховику ДВС.
Редуктор - обеспечивает понижение частоты вращения шестерни
стартера до требуемого уровня.
Маховик ДВС - приводит в движение механизм ДВС.

7.

Схема включения электростартера
1-выключатель зажигания;
2- контактные болты и подвижный
контактный диск;
3,4-соответственно втягивающая и
удерживающая обмотки тягового реле;
5 -якорь тягового реле;
6 - рычаг привода;
7- якорь стартера;
8 - поводковая муфта;
9 – роликовая муфта свободного хода;
10-шестерня привода;
11 -зубчатый венец маховика;
12 –аккумуляторная батарея.

8.

Принцип действия электростартера
При включении выключателя зажигания 1, втягивающая 3 и удерживающая 4
обмотки тягового реле подключаются к аккумуляторной батарее 12. Якорь 5 тягового
реле притягивается к сердечнику электромагнита и с помощью рычага 6 и поводковой
муфты 8 механизма привода вводит шестерню 10 в зацепление с зубчатым венцом
маховика 11.
При этом электромагнитное реле замыкает контакты 2, через которые от
аккумуляторной батареи подается питание на электродвигатель стартера. Стартер с
помощью шестерни 10 начинает раскручивать маховик 11. Отметим, что при
замыкании контактов 2 втягивающая обмотка 3 оказывается зашунтированной через
выключатель 1 и контакты 2. Поэтому якорь тягового реле удерживает только
удерживающая обмотка 4.

9.

После пуска ДВС скорость его вращения возрастает,
что может привести к передаче момента в обратном
направлении от маховика 11 к электродвигателю 7. В
этом случае частота вращения ротора электродвигателя
превысит допустимый предел и электродвигатель может
выйти из строя.
Чтобы не допустить этого, муфта свободного хода 9
предотвращает передачу вращающего момента от
маховика к валу якоря электродвигателя.
.

10.

Шестерня привода не выходит из зацепления с венцом маховика до тех пор, пока
замкнуты контактны 2.
При размыкании выключателя 1 втягивающая и удерживающая обмотки тягового
реле подсоединяются к аккумуляторной батарее последовательно через силовые
контактные болты 2. Так как число витков у обеих обмоток одинаково и по ним при
последовательном соединении проходит один и тот же ток, обмотки при разомкнутом
выключателе 1 создают два равных, но противоположно направленных магнитных
потока.
Сердечник
электромагнита
размагничивается,
возвратная
пружина
перемещает якорь 5 реле в исходное нерабочее положение и выводит шестерню 10 из
зацепления с зубчатым венцом маховика.
При этом размыкаются и силовые контактны 2.

11.

а)Магнитные силовые линии протекают от северного
полюса к южному;
б) взаимодействие магнитных полей магнита и проводника с
током.
В левой части проводника,
силовые линии магнита и
проводника будут проходить в
одном направлении и их поля
будут усиливать друг друга. В
правой части проводника
силовые линии будут
направлены против друг друга.
Это приведет к ослаблению
магнитного поля с этой стороны.
Проводник будет стремиться
двигаться от сильного поля к
слабому полю. Этот принцип
используется для
преобразования электрической
энергии в механическую
энергию в электродвигателя
стартера.

12.

а) Движение проводника в магнитном поле;
б) упрощенная схема электродвигателя постоянного
тока

13.

Направление силы, приложенной к проводнику с током в
магнитном поле. Определяется по правилу левой руки.
Магнитные силовые линии должны входить в ладонь левой руки,
4 пальца ориентируются по направлению тока. Тогда отогнутый
большой палец покажет направление действия силы на
проводник.

14.

Конструкция классического электростартера

15.

Полюсный
наконечник
Корпус
Магнитный
поток
Железные полюсные
Обмотка
наконечники и
возбуждения
железный корпус
стартера, а также
железо ротора
являются элементами
магнитопровода,
Якорь
проводящими
(ротор) с
магнитный поток
обмоткой
возбуждения,
ротора
создаваемый
обмоткой
возбуждения.
Магнитная цепь электродвигателя стартера

16.

Железо якоря выполняется
шихтованным, набранным в
пакет из стальных пластин
толщиной 1-1,2 мм, в пазы
которого укладываются секции
обмотки. Шихтованная
конструкция железа якоря
используется для борьбы с
вихревыми токами,
вызывающими дополнительные
потери мощности в стартере и
дополнительный его нагрев.
Пакет якоря напрессован на вал,
вращающийся в двух или трех
опорах с подшипниками.
Концы секций обмотки якоря
соединены с коллектором.
Каждый сегмент (пластина)
коллектора изолирован от
соседних пластин. Типичный
коллектор электростартера имеет
более чем 30 пластин. Коллектор
электрически изолирован от вала.

17.

Электродвигатель постоянного тока с
одной петлей (секцией) обмотки якоря
не будет производить достаточный
крутящий момент для вращения
двигателя. Мощность может быть
увеличена путем добавления большего
количества петель (секцией) обмотки
якоря и увеличения количества
полюсов статора.
Концы секций обмотки якоря соединены с коллектором. Каждый
сегмент (пластина) коллектора изолирован от соседних пластин и вала.
Типичный коллектор электростартера имеет более чем 30 пластин.
Коллектор электрически изолирован от вала.

18.

Полюсный
наконечник
Полюса (полюсные наконечники)
прикреплены винтами к внутренней части
корпуса электродвигателя стартера. В
большинстве стартеров используются
четыре полюса. Железные полюсные
Корпус наконечники и железный корпус стартера
являются элементами магнитопровода,
проводящими магнитный поток
возбуждения, создаваемый обмоткой
возбуждения
Якорь
(ротор) с
обмоткой
ротора

19.

Полюса (полюсные наконечники)
прикреплены винтами к внутренней части
корпуса электродвигателя стартера. В
большинстве стартеров используются
четыре полюса.
Взаимодействие
магнитных
полей
статора и якоря электродвигателя стартера
вызывает вращательный момент ротора
стартера,
а
коллектор
обеспечивает
постоянство направления действия этого
момента, а следовательно постоянство
направления его вращения.

20.

21.

22.

23.

24.

25.

26.

27.

Принцип действия и конструкция тягового электромагнитного реле
(соленоида)
1-выключатель зажигания;
2- контактные болты и подвижный
контактный диск;
3,4-соответственно втягивающая и удерживающая обмотки тягового реле; 5 якорь тягового реле;
6 - рычаг привода;
Реле имеет две обмотки, намотанные на
латунную втулку, в которой свободно
перемещается
стальной
якорь,
воздействующий на шток с подвижным
контактным диском. Два неподвижных
контакта в виде контактных болтов
закрепляют в пластмассовой крышке.

28.

1-выключатель зажигания;
2контактные
болты
и
подвижный контактный диск;
3,4-соответственно втягивающая
и
удерживающая
обмотки
тягового реле; 5 -якорь тягового
реле;
6 - рычаг привода;
Удерживающая обмотка, рассчитанная на
удержание якоря реле в притянутом к сердечнику
состоянии, намотана проводом меньшего сечения и
одним
выводом
подключена
к
«массе»
электростартера.
Втягивающая
обмотка
подключена параллельно контактам реле. При
включении реле она действует согласно с
удерживающей обмоткой и создает необходимую
силу притяжения, когда зазор между якорем и
сердечником максимален. Во время работы
стартерного электродвигателя замкнутые контакты
тягового реле шунтируют втягивающую обмотку и
выключают ее из работы.

29.

Подвижный контакт снабжен пружиной.
Перемещение
подвижного
контактного
диска в исходное нерабочее положение
обеспечивает возвратная пружина. Тяговое
реле рычагом связано с механизмом привода,
расположенным на шлицевой части вала.
Рычаг
воздействует
поводковую муфту.
на
привод
через

30.

31.

32.

Принцип действия и конструкция механического привода
электростартера
Шестерня привода вращает венец маховика,
б) устройство роликовой муфты свободного хода.
а)

33.

Привод
стартера
служит
для
механического соединения якоря стартера с
зубчатым
внутреннего
венцом
маховика
сгорания
через
двигателя
шестерню
привода. Чтобы предотвратить повреждение
шестерни привода она должна войти в
ика
зацепление с зубчатым венцом до того, как
якорь стартера начнет вращаться. Чтобы
обеспечивать плавное соединение, концы
зубьев шестерни имеют коническую форму.

34.

Наиболее распространенным типом привода стартера является
роликовая муфта свободного хода. Муфта передает крутящий момент
только в одном направлении. Это позволяет электродвигателю стартера
передавать крутящий момент на венец маховика двигателя внутреннего
сгорания, но предотвращает передачу крутящего момента от двигателя
внутреннего сгорания к электродвигателю стартера.

35.

1- кожух муфты,
2- наружная ведущая
обойма,
3- ролик,
4- толкатель,
5- прижимная пружина,
6- держатель пружины,
7- ведомая обойма,
8- шестерня стартера,
9- вал.

36.

При включении стартерного электродвигателя, ведущая обойма муфты
свободного хода вместе с якорем поворачивается относительно неподвижной
еще ведомой обоймы. Ролики под действием прижимных пружин и сил
трения между обоймами перемещаются в узкую часть клиновидного
пространства, и муфта заклинивается. После пуска двигателя частота
вращения ведомой обоймы с шестерней превышает частоту вращения
ведущей обоймы, ролики под действием центробежной силы переходят в
широкую часть клиновидного пространства между обоймами, поэтому
вращение от венца маховика к якорю стартера не передается (муфта
проскальзывает).

37.

1- шестерня стартера,
2- ведомая обойма,
3- ролик,
4- кожух муфты,
5- наружная ведущая обойма,
6- буферная пружины,
7- поводковая муфта,
8- шлицевая втулка,
12- возвратная пружина.

38.

39.

Конструкция электростартера с полюсами из постоянных магнитов и
планетарным редуктором
Такой стартер имеет меньший вес,
более простую конструкцию и
отличается
пониженным
тепловыделением по сравнению с
классическим стартером. В нем
используется
четыре или шесть
полюсов из постоянных магнитов
вместо катушек возбуждения и
полюсных наконечников, поэтому ток
подается непосредственно на обмотку
якоря через коллектор и щетки.
В нем также используется
планетарный редуктор

40.

41.

42.

Характеристики электростартеров
Свойства электростартеров оценивают по рабочим и механическим характеристикам.
Рабочие характеристики представляют в виде зависимостей напряжения на зажимах стартера UCT,
полезной мощности Р2 на валу, полезного вращающего момента М2, частоты вращения якоря nа и
КПД стартерного электродвигателя от силы тока якоря Iа.
При вращении якоря в его обмотке индуцируется ЭДС:
,
где
cе – конструктивный коэффициент, не зависящая от режима ее работы;
Ф - магнитный поток, проходящий через воздушный зазор и якорь электродвигателя.

43.

При питании стартера от аккумуляторной батареи ЭДС:
где ΔUщ- падение напряжения в контактах щетки-коллектор;
RaΣ - суммарное сопротивление цепи якоря;
Rnp - сопротивление стартерной сети;
Ra - сопротивление обмотки якоря;
Rc - сопротивление последовательной обмотки возбуждения.

44.

Частота вращения якоря определяется по формуле:
.
С уменьшением нагрузки электродвигателя с последовательным
возбуждением магнитный поток Ф падает, а nа быстро возрастает до значения
nаО при силе тока холостого хода Iao. В стартерах смешанного возбуждения
частота вращения в режиме холостого хода ограничивается магнитным потоком
параллельной обмотки возбуждения. При уменьшении нагрузки магнитный
поток, создаваемый последовательной обмоткой, стремится к нулю, тогда как
намагничивающая сила параллельной обмотки и создаваемый ею магнитный
поток даже немного увеличиваются

45.

Электромагнитный вращающий момент
где См - постоянная электрической машины.
В электродвигателях с последовательным возбуждением через обмотку
возбуждения проходит весь ток якоря Ia, поэтому магнитный поток возрастает
с увеличением нагрузки стартера. При одинаковых номинальных параметрах
электродвигателей с параллельным и последовательным возбуждением
последние развивают большие полезные моменты М2К в режиме полного
торможения. Это улучшает их тяговые свойства, облегчает трогание системы
стартер-двигатель с места и раскручивание коленчатого вала при пуске
двигателя при низких температурах.

46.

Подводимая к стартеру мощность за вычетом электрических потерь
преобразуется в электромагнитную мощность:
Максимальная электромагнитная мощность
Зависимость электромагнитной мощности от силы тока представляет
собой симметричную параболу с максимальным значением при силе тока Iм
равной половине тока IK полного торможения.

47.

Полезный вращающий момент на валу электродвигателя
Сила тока, потребляемого электродвигателем со смешанным возбуждением
где Is=Ucт/Rs - сила тока в параллельной обмотке возбуждения;
Rs - сопротивление параллельной обмотки возбуждения.

48.

Подводимая к стартерному электродвигателю мощность
КПД стартерного электродвигателя

49.

Рабочие характеристики электродвигателя стартера
последовательного возбуждения

50.

Механические характеристики электростартеров обычно представляют в виде
зависимости вращающего момента М2 от частоты вращения якоря nа
1-для электродвигателей
последовательного возбуждения
2 -для электродвигателей
смешанного возбуждения

51.

При снижении напряжения на выводах аккумуляторной батареи и
стартера, в связи с понижением температуры или увеличением
сопротивления стартерной сети при той же силе тока Iа=ЭДС Еа, частота
вращения nа и мощность Р2 электродвигателя уменьшаются. При той же
частоте вращения nа уменьшается вращающий момент М2.

52.

Частоту вращения коленчатого вала двигателя электростартером n* в различных условиях пуска
определяют по точкам пересечения зависимостей момента сопротивления двигателя МС и приведенного к
коленчатому валу вращающего момента стартера М* от частоты вращения коленчатого вала n. Минимальную
температуру пуска Тmin определяют при совмещении на одном графике зависимостей частоты вращения
коленчатого вала электростартером n*, минимальной пусковой частоты вращения nmiп от температуры Т
окружающей среды.

53.

Крепление стартеров на двигателях
Обычно стартер располагают сбоку картера двигателя, при этом крышка со
стороны привода обращена в сторону маховика и входит в отверстие картера
сцепления.
Стартеры мощностью свыше 4,4 кВт с диаметром корпуса 130-180 мм
устанавливают в углублениях специальных приливов двигателя. К посадочной
поверхности прилива двигателя корпус стартера прижимается стальными лентами
или литыми скобами. От проворота стартер фиксируют шпонками или штифтами.
Шестерня механизма привода стартера может быть установлена между опорами
под крышкой или консольно за ее пределами.