7.1. Электропривод вспомогательного электрооборудования автомобиля

Вспомогательным электрооборудованием называют группу вспо­могательных приборов и аппаратов, обеспечивающих отопление и вентиляцию кабины и кузова, очистку стекол кабины и фар, звуковую сигнализацию, радиоприем и другие вспомогательные функции.

Тенденции развития различных систем автомобиля, связанные с повышением экономичности, надежности, комфорта и безопасно­сти движения, приводят к тому, что роль электрооборудования, в частности электропривода вспомогательных систем, неуклонно возрастает. Если 25...30 лет назад на серийных автомобилях прак­тически не встречалось механизмов с электроприводом, то в на­стоящее время даже на грузовых автомобилях устанавливается минимум 3...4 электродвигателя, а на легковых - 5...8 и более, в зависимости от класса.

Электроприводом называется электромеханическая система, состоящая из электродвигателя (или нескольких электродвигате­лей), передаточного механизма к рабочей машине и всей аппарату­ры для управления электродвигателем. Основными устройствами автомобиля, где находит применение электропривод, являются отопители и вентиляторы салона, предпусковые подогреватели, стекло- и фароочистители, механизмы подъема стекал, антенн, пе­ремещения сидений и др.

Длительность работы и ее характер определяют рабочий режим привода. Для электропривода принято различать три основных ре­жима работы: продолжительный, кратковременный и повторно-кратковременный.

Продолжительный режим характеризуется такой длительно­стью, при которой за время работы электродвигателя его темпера­тура достигает установившегося значения. В качестве примера ме­ханизмов с длительным режимом работы можно назвать отопители и вентиляторы салона автомобиля.

Кратковременный режим имеет относительно краткий рабочий период и температура двигателя не успевает достигнуть устано­вившегося значения. Перерыв же в работе исполнительного меха­низма достаточен для того, чтобы двигатель успевал охладиться до температуры окружающей среды. Такой режим работы характерен на самых различных устройств кратковременного действия: подъ­ема стекол, привода антенн, перемещения сидений и др.

Повторно-кратковременный режим характеризуется рабочим периодом, который чередуется с паузами (остановка или холостой ход), причем ни в один из периодов работы температура двигателя не достигает установившегося значения, а во время снятия нагруз­ки двигатель не успевает охладиться до температуры окружающей среды. Примером устройств автомобиля, работающих в таком ре­жиме, могут служить стеклоочистители (на соответствующих режи­мах), стеклоомыватели и др.

Характерной чертой для повторно-кратковременного режима яв­ляется отношение рабочей части периода Т' к всему периоду Т. Этот показатель именуется относительной продолжительностью работы ПР или относительной продолжительностью включения ПВ, измеряемыми в процентах.

Требования, предъявляемые к электродвигателям, устанавли­ваемым в том или ином узле автомобиля, отличаются особой спе­цификой и обусловлены режимами работы этого узла. При выборе типа двигателя необходимо сопоставить условия работы привода с особенностями механических характеристик различных видов электродвигателей. Принято различать естественную и искусствен­ную механические характеристики двигателя. Первая соответствует номинальным условиям его включения, нормальной схеме соеди­нений и отсутствию каких-либо добавочных элементов в цепях дви­гателя. Искусственные характеристики получаются при изменении напряжения на двигателе, включении добавочных элементов в це­пи двигателя и соединении этих цепей по специальным схемам.

Одним из наиболее перспективных направлений в развитии элек­тропривода вспомогательных систем автомобиля является создание электродвигателей мощностью до 100 Вт с возбуждением от посто­янных магнитов.

Применение постоянных магнитов позволяет в значительной мере повысить технико-экономические показатели электродвигате­лей: уменьшить массу, габаритные размеры, повысить КПД. К пре­имуществам следует отнести отсутствие обмоток возбуждения, что упрощает внутренние соединения, повышает надежность электро­двигателей. Кроме того, благодаря независимому возбуждению все электродвигатели с постоянными магнитами могут быть реверсив­ными.

Типичная конструкция электродвигателя с постоянными магни­тами, применяемого в отопителях, показана на рис. 7.1.

Рис. 7.1.

Постоянные магниты 4 закреплены в корпусе 3 с помощью двух стальных пло­ских пружин 6, прикрепленных к корпусу. Якорь 7 электродвигателя вращается в двух самоустанавливающихся подшипниках скольже­ния 5. Графитные щетки 2 прижимаются пружинами к коллектору 1, выполненному из полосы меди и профрезерованному на отдельные ламели.

Принцип действия электрических машин с постоянными магни­тами аналогичен общеизвестному принципу действия машин с электромагнитным возбуждением - в электродвигателе взаимодей­ствие полей якоря и статора создает вращающий момент. Источник магнитного потока в таких электродвигателях - постоянный магнит. Характеристикой магнита является кривая его размагничивания (часть петли гистерезиса, лежащая во II квадранте), представлен­ная на рис. 7.2. Свойства материала определяются значениями ос­таточной индукции В_r и коэрцитивной силы H_с. Полезный поток, от­даваемый магнитом во внешнюю цепь, не является постоянным, а зависит от суммарного воздействия внешних размагничивающих факторов.

Как видно из рис. 7.2, рабочая точка магнита вне системы элек­тродвигателя N, рабочая точка в сборе с корпусом М и рабочая точка магнита в электродвигателе в сборе К различны. Причем для большинства магнитных материалов процесс размагничивания магнита необратим, так как возврат из точки с меньшей индукцией в точку с большей индукцией (например, при разборке и сборке элек­тродвигателя) происходит по кривым возврата, не совпадающим с кривой размагничивания.

В связи с этим важным преимуществом используемых в автотракторной промышленности оксидно-бариевых магнитов является не только их относительная дешевизна, но и совпадение в определенных пределах (до точки перегиба) кривых возврата и размагничивания. Если воздействие внешних размагничивающих факторов таково, что рабочая точка магнита перемещается за колено, то возврат в точку К уже невозможен и рабочей точкой в собранной системе будет уже точка К₁ с меньшей индукцией. Поэтому при расчете электродвигателей с постоянными магнитами очень важен правильный выбор объема магнита, обеспечивающий не только рабочий режим работы электродвигателя, но и стабильность рабочей точки при воздействии максимально возможных размагничивающих факторов.

Электродвигатели предпусковых подогревателей. Предпусковые нагреватели используются для обеспечения надежного пуска ДВС при низких температурах. Назначение электродвигателей этого типа - подача воздуха для поддержания горения в бензиновых подогревателях, подача воздуха, топлива и обеспечение циркуляции жидкости в дизелях.

Особенностью режима работы является то, что при таких температурах необходимо развивать большой пусковой момент и функционировать непродолжительное время. Для обеспечения этих требований электродвигатели предпусковых подогревателей выполняются с последовательной обмоткой и работают в кратковременном и повторно-кратковременном режимах. В зависимости от температурных условий электродвигатели имеют различную продолжительность включения: -5...-10⁰С не более 20 мин; -10...-25⁰С не более 30 мин; -25...-50⁰С не более 50 мин.

Нашедшие широкое применение в предпусковых подогревателях электродвигатели МЭ252 (24В) и 32.3730 (12В) имеют номинальную мощность 180 Вт и частоту вращения 6500 мин^-1.

Рис.7.3.

Электродвигатели для привода вентиляционных и отопительных установок. Венти­ляционные и отопительные ус­тановки предназначены для обогрева и вентиляции салонов легковых автомобилей, автобу­сов, кабин грузовых автомобилей и тракторов. Действие их осно­вано на использовании тепла двигателя внутреннего сгорания, а производительность в значи­тельной степени зависит от ха­рактеристик электропривода. Все электродвигатели такого назна­чения представляют собой двигатели длительного режима работы, эксплуатируемые при температуре окружающей среды -40...+70°С. В зависимости от компоновки на автомобиле отопительной и вен­тиляционной установки электродвигатели имеют разное направле­ние вращения. Эти электродвигатели одно- или двухскоростные в основном с возбуждением от постоянных магнитов. Двухскорост­ные электродвигатели обеспечивают два режима работы отопи­тельной установки. Частичный режим работы (режим низшей ско­рости, а следовательно, и низшей производительности) обеспечивается за счет дополнительной обмотки возбуждения.

На рис. 7.3 показано устройство электродвигателя с возбужде­нием от постоянных магнитов для отопителей. Он состоит: 1 и 5 – подшипник скольжения; 2 – постоянный магнит; 3 – щеткодержатель; 4 – щетка; 6 – коллектор; 7 – траверса; 8 – крышка; 9 – крепежная пластина; 10 – пружина; 11 – якорь; 12 – корпус. 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 7 и 5 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, так же, как и в электродвигателях с электромагнитным возбуждением штампуются из медной ленты с последующей опрессовкой пластмассой или из трубы с про­дольными пазами на внутренней поверхности.

Крышки и корпус изготовлены из листовой стали. У электро­двигателей стеклоомывателей крышка и корпус могут быть выпол­нены из пластмассы.

Кроме отопительных установок, использующих тепло ДВС, на­ходят применение отопительные установки независимого действия. В этих установках электродвигатель, имеющий два выхода вала, приводит во вращение два вентилятора, один направляет холод­ный воздух в теплообменник, а затем в отапливаемое помещение, другой подает воздух в камеру горения.

Применяемые на целом ряде моделей легковых и грузовых авто­мобилей электродвигатели отопителей имеют номинальную мощ­ность 25...35 Вт и номинальную частоту вращения 2500...3000 мин^-1.

Электродвигатели для привода стеклоочистительных устано­вок. К электродвигателям, используемым для привода стеклоочи­стителей, предъявляются требования обеспечения жесткой меха­нической характеристики, возможности регулирования частоты вращения при различных нагрузках, повышенного пускового момен­та. Это связано со спецификой работы стеклоочистителей - надеж­ной и качественной очистки поверхности ветрового стекла в раз­личных климатических условиях.

Для обеспечения необходимой жесткости механической харак­теристики используются двигатели с возбуждением от постоянных магнитов, с параллельным и смешанным возбуждением, а для уве­личения момента и снижения частоты вращения используется спе­циальный редуктор. В некоторых электродвигателях редуктор вы­полнен как составная часть электродвигателя. В этом случае элек­тродвигатель называют моторедуктором. Изменение скорости элек­тродвигателей с электромагнитным возбуждением достигается из­менением тока возбуждения в параллельной обмотке. В электро­двигателях с возбуждением от постоянных магнитов изменение частоты вращения якоря достигается установкой дополнительной щетки и организацией прерывистого режима работы.

Рис. 7.4.

На рис. 7.4 приведена принципиальная схема электропривода стеклоочистителя СЛ136 с электродвигателем на постоянных маг­нитах. Режим прерывистой работы стеклоочистителя осуществляет­ся включением переключателя 1 в положение III. В этом случае в цепь якоря 4 электродвигателя включается реле 7. Реле имеет нагревательную спираль 8, которая нагревает биметаллическую пла­стину 9. По мере нагрева биметаллическая пластина изгибается и контакты 10 размыкаются, отключая питание реле 11, контакты 12 которого прерывают питание якорной цепи электродвигателя. По­сле того, как пластина 9 остынет и замкнутся контакты 10, реле 11 сработает и на электродвигатель вновь будет подаваться питание. Цикл работы стеклоочистителя повторяется 7-19 раз в минуту.

Режим малой скорости осуществляется путем включения пере­ключателя 1 в положение II. При этом питание на якорь 4 электро­двигателя подается через дополнительную щетку 3, установленную под углом к основным щеткам. В этом режиме ток проходит только по части обмотки якоря 4, что является причиной уменьшения час­тоты вращения якоря и вращающего момента. Режим большой ско­рости стеклоочистителя происходит при установке переключателя 1 в положение I. При этом питание электродвигателя осуществляется через основные щетки и ток проходит по всей обмотке якоря. При установке переключателя 1 в положение IV питание подается на якоря 4 и 2 электродвигателей стеклоочистителя и омывателя вет­рового стекла и происходит их одновременная работа. После вы­ключения стеклоочистителя (положение переключателя 0) электро­двигатель остается включенным под напряжение до момента под­хода кулачка б к подвижному контакту 5. В этот момент кулачок ра­зомкнет цепь и двигатель остановится. Выключение электродвигателя в строго определенный момент необходимо для укладки щеток стеклоочистителя в первоначальное положение. В цепь якоря 4 электродвигателя включен термобиметаллический предохранитель 13, который предназначен для ограничения силы тока в цепи при перегрузке.

Работа стеклоочистителя при моросящем дожде или слабом снеге осложняется тем, что на ветровое стекло попадает мало вла­ги. По этой причине увеличиваются трение и износ щеток, а также расход энергии на очистку стекла, что может вызвать перегрев при­водного двигателя. Периодичность включения на один-два такта и выключение, осуществляемое водителем вручную, неудобно, да и небезопасно, так как внимание водителя на короткое время отвле­кается от управления автомобилем.

Для организации кратковременного включения стеклоочистителя система управления электродвигателем может дополняться элек­тронным регулятором тактов, который через определенные проме­жутки времени автоматически выключает электродвигатель стекло­очистителя на один-два такта. Интервал между остановками стек­лоочистителя может изменяться в пределах 2...30 с. Большинство моделей электродвигателей стеклоочистителей имеют номиналь­ную мощность 12...15 Вт и номинальную частоту вращения 2000...3000 мин^-1.

В современных автомобилях получили распространение стекло-омыватели переднего стекла и фароочистители с электрическим приводом. Электродвигатели смывателей и фароочистителей ра­ботают в повторно-кратковременном режиме и выполняются с воз­буждением от постоянных магнитов, имеют небольшую номиналь­ную мощность (2,5...10 Вт).

Помимо перечисленных назначений, электродвигатели исполь­зуются для привода различных механизмов: подъема стекол две­рей и перегородок, перемещения сидений, привода антенн и др. Для обеспечения большого пускового момента эти электродвигате­ли имеют последовательное возбуждение, используются в кратко­временном и повторно-кратковременном режимах работы.

В процессе работы электродвигатели должны обеспечивать из­менение направления вращения, т. е. быть реверсивными. Для это­го в них имеются две обмотки возбуждения, попеременное включе­ние которых обеспечивает разные направления вращения. Конст­руктивно электродвигатели этого назначения выполнены в одной геометрической базе и по магнитной системе унифицированы с электродвигателями отопителей мощностью 25 Вт.

Электропривод с каждым годом находит все большее примене­ние на автомобилях. Требования к электродвигателям постоянно возрастают, и это связано с повышением качества различных сис­тем автомобиля, безопасности движения, снижением уровня ра­диопомех, токсичности, повышением технологичности изготовле­ния. Выполнение этих требований обусловило переход от электро­двигателей с электромагнитным возбуждением к электродвигате­лям с возбуждением от постоянных магнитов. При этом масса элек­тродвигателей снизилась, а КПД увеличился примерно в 1,5 раза. Их срок службы достигает 250...300 тыс. км пробега.

Электродвигатели отопительных, вентиляционных и стеклоочистительных устройств разрабатываются на базе четырех типораз­меров анизотропных магнитов. Это позволяет сократить число вы­пускаемых типов электродвигателей и провести их унификацию.

Другим направлением является применение в конструкциях электродвигателей эффективных фильтров радиопомех. Для элек­тродвигателей мощностью до 100 Вт фильтры будут унифициро­ваться применительно к каждой базе электродвигателя и выпол­няться встроенными. Для перспективных электродвигателей мощ­ностью 100...300 Вт разрабатываются фильтры с применением конденсаторов - проходных или блокировочных больших емкостей. В случае невозможности обеспечения требований по уровню ра­диопомех за счет встроенных фильтров намечаются применение выносных фильтров и экранирование электродвигателей.

В более отдаленной перспективе предполагается использовать бесконтактные двигатели постоянного тока. Эти двигатели снабжа­ются статическими полупроводниковыми коммутаторами, заме­щающими механический коммутатор-коллектор, и встроенными датчиками положения ротора. Отсутствие щеточно-коллекторного узла позволяет увеличить ресурс электродвигателя до 5 тыс. ч и более, значительно повысить его надежность и снизить уровень радиопомех.

Проводятся работы по созданию электродвигателей с ограни­ченными осевыми размерами, что необходимо, например, для при­вода вентилятора охлаждения ДВС. В этом направлении поиск ве­дется по пути создания двигателей с торцовым коллектором, кото­рый располагают совместно со щетками внутри полого якоря, или с дисковыми якорями, выполненными со штампованной или печатной обмоткой.

Имеют свое продолжение разработки специальных электродви­гателей, в частности герметизированных электродвигателей предпусковых подогревателей, что необходимо для повышения надеж­ности и применения на специальных автомобилях.