Будет перегреваться, а вы даже не заметите

Будет перегреваться, а вы даже не заметите. Топ-5 неочевидных фактов о температурном режиме современных двигателей

Фото автора и из архива редакции

Почему современные двигатели имеют сложные системы охлаждения? Потому что работают на грани перегрева! Зачем это надо, чем чревато и почему почти неизбежно, будем сейчас разбираться.

Температурное непостоянство

Система охлаждения не просто не допускает перегрева двигателя — ее функция заключается в быстром достижении и поддержании заданной рабочей температуры, что может быть непросто, учитывая внешние факторы, разные режимы работы мотора и, собственно говоря, разные условия движения. Сначала двигатель «холодный» — его надо как можно быстрее вывести в устойчивый температурный режим. А далее этот режим поддерживать, притом что мотор по ряду причин то охлаждается, то греется в зависимости от внешних условий, скорости движения автомобиля и того, как активно водитель жмет на «газ».

Чтобы было нагляднее, представьте, что у вас на плите стоит кастрюля, воду в которой следует держать в диапазоне 85-95°C. Кажется, что это просто — до тех пор, пока кто-то не начнет то и дело то убавлять, то прибавлять газ на конфорке. И вот ваша вода то пытается вскипеть, то норовит остыть. А у вас из всех инструментов регуляции — только подача холодной воды через трубку. И это означает как минимум несколько вещей:

ваши действия «догоняющие», вы начинаете реагировать после того, как меняется температура;
эффект от ваших действий имеет определенную инерцию, что влияет на оперативность и точность;
все это приводит к тому, что выдерживать точную температуру невозможно, остается лишь вписываться в определенный диапазон значений, особенно в переходных режимах;
ваши возможности ограничены и в определенной ситуации могут оказаться недостаточными.

Указатели врут

Вы скажете, что раз температура так пляшет, то и стрелка указателя на панели приборов должна двигаться туда-сюда по шкале то в сторону перегрева, то в сторону недогрева. На некоторых старых моделях так и было! Стрелка указателя оперативно показывала изменения температуры. Но к чему нервировать водителя этими постоянными движениями, особенно в сторону красного сектора?

Поэтому на современных моделях стрелка неподвижно стоит в одном положении, показывая «норму» и при 85°C, и при 105°C. И в этом плане толку от нее не больше, чем от модного нынче индикатора (синий сигнал означает, что двигатель еще холодный, желтый или красный говорит о риске перегрева). Для не очень опытного водителя такой индикатор, пожалуй, даже лучше — больше шансов, что обратит внимание на проблему при загорании контрольной лампы.

Кстати, «температура двигателя» — понятие довольно условное. Ведь в разных зонах (ГБЦ, блок, поддон и т.д.), не говоря уже про водяной насос или термостат, термометр будет показывать разные значения.

Система высокой точности

В «аналоговую» эпоху, где все электрическое управление работой системы охлаждения сводилось максимум к контролю температуры и включению электровентилятора, а все остальное работало за счет механических систем, обеспечивать работу двигателя в узком температурном режиме было достаточно сложно. Но современные технологии позволили значительно улучшить эффективность и точность работы всей системы как раз за счет того, что появилась возможность прямого управления узлами и исполнительными механизмами.

Для оптимизации температурного режима нынче используется раздельная система охлаждения с двумя термостатами, причем они могут быть электронноуправляемыми. Водяной насос также может иметь электропривод, а значит, можно регулировать его производительность в зависимости от текущего режима. Подачу воздуха в моторный отсек и к радиаторам охлаждения также можно регулировать за счет управляемых заслонок-жалюзи. Все это — ради большей эффективности и точности системы, чтобы двигатель как можно дольше оставался в заданном температурном диапазоне. А тот, в свою очередь, имел бы как можно более узкий диапазон значений.

«Запланированный» перегрев с риском форс-мажора

Если старые двигатели работают при температуре до 100°C, то современные, как правило, имеют рабочую температуру свыше 100°C. Взять те же моторы BMW, рабочая температура которых 110-120°C. Сделано это для достижения максимальной отдачи и обеспечения лучшей топливной экономичности. Ничего не попишешь: максимально эффективен ДВС как раз при работе на пределе, когда до детонации или перегрева его отделяет тонкая грань. Собственно по этой причине и требуется высокая производительность и точность системы охлаждения, чтобы до перегревов дело не доводить.

Это непросто, особенно с учетом того, что современные двигатели форсированы и термонагружены. Добавляют проблем и компоновочные решения. Взять, к примеру, 4,4-литровый V8 S63 компании BMW. Турбины находятся в развале блока, из-за чего электрика и многие детали систем наддува, смазки и охлаждения страдают от высоких температур, что сказывается на сроке их службы.

Читать еще: Двигатель 4g64 дымит на холодную

С возрастом факторов риска становится только больше. «Бутерброды» из радиаторов забиваются пухом и дорожным мусором, утечки охлаждающей жидкости или ее выкипание могут привести к ее недостаточному уровню в системе, также с возрастом возрастает вероятность отказа датчиков, термостатов и т.д. В итоге снижение эффективности работы системы охлаждения при минимальном запасе по температуре грозит обернуться перегревом.

Неочевидные последствия

Пробитая прокладка, головка винтом, а при наихудшем сценарии еще и заклинивший от температурного расширения деталей мотор — все это крайние случаи серьезного перегрева. И до этого еще надо дело довести. Но мы уже сказали: современные двигатели и так работают «на грани», при температурах, которые еще 20 лет назад считались слишком высокими, чтобы быть нормой. Да, наука и промышленность не стоят на месте, разрабатывают и внедряют термостойкие материалы, но всех проблем это не решает.

Как показывает практика, высокая рабочая температура и локальные перегревы, о которых владелец даже не подозревает (стрелка-то показывает 90°С!), негативно сказываются на состоянии пластиковых и резиновых деталей, которых предостаточно в каждом моторе, причем в ответственных системах (того же охлаждения, а также смазки). Такие детали быстрее стареют, рассыхаются, теряют герметичность и провоцируют новые проблемы.

Более жесткие условия работы накладывают свои требования на характеристики и качество применяемого моторного масла, тем более что в современных моторах применяются масла пониженной вязкости. Поэтому для снижения риска повреждений деталей из-за разрыва масляной пленки или масляного голодания крайне важен правильный подбор масла по параметрам и классу качества. И, разумеется, чем меньше межсервисный интервал, тем лучше.

Собственно своевременное обслуживание, включающее в том числе проверку функциональности системы охлаждения (как визуальную, так и инструментальную, компьютерную) и регламентную замену антифриза, — главное условие снижения риска перегрева двигателя. Также неплохо бы помнить, что неоптимальным режимом является не только агрессивная езда, но и движение на малой скорости или же работа двигателя на холостых оборотах (когда автомобиль «толкается» в заторах). В эти моменты на стрелку указателя или индикатор температуры стоит посматривать чаще. Какими бы «задемпфированными» они не были.

Кипит и булькает? Запчасти к системе охлаждения в базе объявлений Автобизнеса

roboforum.ru

Технический форум по робототехнике.

Список форумов‹Мастерская‹3D печать
Магазин
Wiki
Регистрация
Вход

вопрос по шаговым двигателям

lilu » 30 мар 2016, 14:42

Друзья!
Кто может разъяснить на сколько сильно отличаются двигатели?
17HS4401 — эти чаще всего встречаются на али и с ними проблем у людей не возникало.
sm42ht47-1684 по этим инфы в разы меньше, но они есть в наличии в моём городе.

Re: вопрос по шаговым двигателям

Пяткин » 30 мар 2016, 18:41

Re: вопрос по шаговым двигателям

lilu » 30 мар 2016, 18:54

принтер ZAV (h-bot)
движки сейчас стоят 42H47HM-0504A-18 (0,9 градуса). драйверы 8825, стоит принудительное охлаждение кулером 50*50.
делители выставлены 1/16, ток регулировал. пробовал с делителем 1/8, всё равно греются.
греются двигатели оси Х и У, и экструдера. при перегреве двигателей на оси происходит смещение слоёв. ну а когда экструдер перегревается, пруток наматывается на шестерню податчика.

#define DEFAULT_AXIS_STEPS_PER_UNIT <80,80,400,143>// <80,80,400,286>// default steps per unit for Ultimaker rr
#define DEFAULT_MAX_FEEDRATE <300, 300, 10, 200>// (mm/sec)
#define DEFAULT_MAX_ACCELERATION

по этой причине я и хочу сменить двигатели.

Re: вопрос по шаговым двигателям

RootAdmin » 31 мар 2016, 00:12

Re: вопрос по шаговым двигателям

unigenum » 31 мар 2016, 04:48

Re: вопрос по шаговым двигателям

Kadrith » 17 май 2016, 08:26

Re: вопрос по шаговым двигателям

om2804 » 17 май 2016, 09:00

Re: вопрос по шаговым двигателям

Kadrith » 17 май 2016, 09:21

Re: вопрос по шаговым двигателям

imdefined » 17 май 2016, 11:10

Re: вопрос по шаговым двигателям

Myp » 17 май 2016, 11:22

надпись на моторе это максимально допустимые параметры от которых он не сдохнет.
током управляет драйвер, какой ток ты задашь в настройках драйвера, такой он и будет.

если во время работы мотор не горячий, можно держать рукой, значит всё Ок, если мотор раскаляется — надо снизить ток.
шаговые моторы портятся если слишком сильно нагреются.

Re: вопрос по шаговым двигателям

Kadrith » 17 май 2016, 18:41

Читать еще: Двигатель vq35de расход масла

Re: вопрос по шаговым двигателям

Myp » 17 май 2016, 20:38

Re: вопрос по шаговым двигателям

om2804 » 17 май 2016, 22:55

Ещё раз говорю, шаговый двигатель управляется током, нужно смотреть по даташиту на какой ток рассчитан двиг. Если даташита нет, то хотябы сопротивление обмоток замерять. Связь с напряжением косвенная через закон Ома.

Скорость вращения от управляющего тока (напряжения) никак не зависит. Скорость вращения определяется частотой импульсов. А вот от недостаточного тока момент двигателя падает. И как показывает практика, момент меньше на высоких оборотах (хотя и есть исследования опровергающие это).

Нормальная рабочая температура шаговых двигателей обычно 70-80 градусов (конкретнее в даташите). Выше плохо для постоянных магнитов, используемых в большинстве шаговых двигателях. Если температура достигнет точки Кюри (она достаточно большая), то магнит перестанет быть магнитом и двигатель, соответственно работать не будет.
Надо понимать, что при нагреве двигателя нагреваются и обмотки. Возрастает их сопротивление. Падает ток, проходящий через них. Падает момент.

Re: вопрос по шаговым двигателям

Kadrith » 18 май 2016, 05:02

Re: вопрос по шаговым двигателям

Madf » 18 май 2016, 12:01

А вот и нет, за это цепляться вообще нельзя, т.к. тут от многого зависит:

1. если следовать закону ома, то вообще нечего тут думать, по вашему совету, достаточно напрямую (на макс) подключить мотор и он возьмёт ровно столько — сколько физика сработает.
2. есть дешевые, китайские моторы, намотанные (мягко говоря) через Ж, там по току он несколько ампер должен сожрать, в реальности зависит ещё каким проводом мотали и как правило они экономят, если врубить его без ограничения тока, то он сгорит как предохранитель, а приграничном токе будет греться как кипятильник (с последующими последствиями).
3. ещё много зависит от конструкции: магнитных зубцов катушек, намагниченности ротора. в итоге как не корячься, а всякие там полушаги и токи — мотор просто не тянет (всё/режим надо подбирать).

29.2. Основные параметры и характеристики шаговых двигателей

Специфика конструкции ШД и многообразие режимов их работы вызывают необходимость оценивать эти двигатели по следующим параметрам: частоте собственных круговых колебаний; электромагнитным постоянным времени; коэффициенту внутреннего демпфирования и характеристикам – предельным механическим и предельным динамическим.

Частота собственных круговых колебаний – это угловая частота колебаний ротора около устойчивого положения при отсутствии момента нагрузки

Она является обобщенным параметром, зависящим от момента инерции J, амплитуды максимального синхронизирующего момента M_max, числа пар полюсов p.

Период собственных круговых колебаний, равный 1/w₀, может служить внутренним эталоном времени. Действительно, момент инерции Jопределяет инерционность двигателя и механизма, амплитуда максимального синхронизирующего момента M_max дает характеристику ШД как преобразователю энергии, число пар полюсов p определяет степень электромеханической редукции угла поворота и скорости вращения. Отношение M_max/J дает теоретически предельное ускорение ротора шагового двигателя.

Электромагнитная постоянная времени обмоток управления T_эм = L/R характеризует скорость протекания электромагнитных переходных процессов. Часто для уменьшения Т_эм последовательно с обмоткой управления включают добавочное сопротивление. Уменьшать постоянную времени необходимо потому, что чем она больше, тем до меньшего значения нарастает ток за время импульса напряжения, меньше становится синхронизирующий момент, а, следовательно, и допустимый момент сопротивления.

Коэффициент внутреннего демпфирования определяется отношением амплитуды потокосцепления ротора с фазой обмотки статора к ее активному сопротивлению. Этот параметр относится только к ШД с активным ротором, поскольку его физический смысл заключается в образовании электромагнитного

тормозного момента, вызванного взаимодействием поля ротора с током статора, наведенным этим полем и замыкающимся по цепи статор–источник тока. При этом механическая энергия колеблющегося ротора превращается в электрическую энергию с последующим рассеиванием ее в теплоту в активных сопротивлениях обмоток статора.

Предельная механическая характеристика – это зависимость допустимого момента сопротивления от частоты управляющих импульсов в установившемся режиме работы (рис. 3.7). С ростом частоты сказывается запаздывание в нарастании тока, обусловленное индуктивностью обмоток. При некоторой предельной частоте момент двигателя становится равным нулю.

Рис. 3.7. Механическая характеристика ШД

Предельная динамическая характеристика – зависимость частоты приемистости от момента сопротивления и момента инерции нагрузки. Такие характеристики называются предельными динамическими характеристиками пуска. Существуют также предельные динамические характеристики реверса и торможения.

Расчет основных параметров магнитоэлектрического ШД

3.1.1Выбор главных размеров.

3.1.1.1 Число пар полюсов двигателя.

(3.1)

3.1.1.2 Предварительно задаемся нормализованными параметрами привода:

и соотношения между ними вычисляемого по формуле:

(3.2)

где (х/б)_опт — отношение для оптимальной прямой возврата оптимальной н.с. статора определяются для m=4 при четырехтактной парной коммутации;

Читать еще: Электрические схемы датчиков управления двигателя

k_u — коэффициент, учитывающий изменение напряжения питания и температуры обмотки статора в процессе эксплуатации, определяется по формуле:

(3.3)

U_мин — минимальное по техническому заданию напряжение питания, В;

U_макс — максимальное по техническому заданию напряжение питания, В;

r_мин — удельное электрическое напряжение сопротивления меди, приведенное к минимальной по техническому заданию окружающей температуре, т.е. +20° С, Ом×м;

P_макс — удельное электрическое напряжение сопротивления меди, приведенное к максимальной (по условиям эксплуатации) рабочей температуре обмотки, т.е. +20° C, Ом×м.

Предварительно зададимся отношением D_r/d_sr, а также коэффициентом форсировки

Отношение (b/х)_опт для сплава магнита ЮНДК25БА и отношения D_r/d_sr=200 находим по кривым.

3.1.1.3 Коэффициент использования магнита для оптимальной прямой возврата :

x=k_u×x_опт=0.772×0.09=0.069

(3.4)

где _опт— коэффициент использования магнита при оптимальной н.с. статора, определяется для принятого отношения D_r/b_sr при коэффициенте полюсной дуги _r₌0.5:

3.1.1.4 Безразмерная частота приемистости

f_пр*=f_х.х* — k_x_dm_н=0.81 – 0.82×0.36=0.52

(3.5)

Значения f_x_._x_* и k_x_d определяются для m=4 и четырехтактной парной коммутации относительный момент нагрузки принимаем равным m_н=0.36 тогда:

3.1.1.5 Диаметр ротора вычисляем по формуле:

(3.6)

(3.7)

Коэффициент результирующей н.с. статора k_m при m=4 при четырехтактной парной коммутации равен . Коэффициент k₁ для сосредоточенных обмоток (принимаем q=0.5) равен 4/ . Коэффициент скоса пазов статора для 1-й гармоники момента определяем равным:

(3.8)

Число пазов статора:

z_s=2×p×m×q=16

(3.9)

Cкос пазов в долях зубцового деления статора принимаем =0.5.

Коэффициент согласно опытным данным для роторов магнитоэлектрических

ШД, опрессованных прессматериалом типа АГ-4, принимаем равным =7 10 2 кг/м3.

Свойства постоянных магнитов из сплава ЮНДК25БА:

Величину воздушного зазора принимаем _sr=1×10 -4 м; при этом полученное отношение D_r/d_sr=182 незначительно отличается от принятого ранее.

3.1.1.6 Длину ротора вычисляем по формуле:

(3.10)

3.1.1.7 Длина магнитной линии на полюс магнита предварительно вычисляется по формуле:

l_м=(0.3-0.02×p)D_r==(0.3-0.02×4)×1.824×10 -2 =0.4×10 -2 м.

(3.11)

3.1.1.8 Оптимальная н.с. статора:

F’_опт=k_F×H_c×l_м=0.64×58890×0.4×10 -2 =151 А.

(3.12)

3.1.1.9 Н.с. статора при минимальном напряжении питания и максимальной рабочей температуре обмоток:

F’_мин=k_u×F’_опт=0.772×151=117 А.

(3.13)

3.1.1.10 Зададимся допустимой плотностью тока в обмотке статора в режиме форсированной остановки под током (соответствующая минимальному напряжению питания максимальной рабочей температуре обмотки):

3.1.1.11 Cредняя длина витка обмотки статора определяется по приближенной формуле:

(3.14)

где внутренний диаметр статора

(3.15)

3.1.1.12 Коэффициент заполнения паза медью, для обмоточных проводов типа ПЭВ-2 и ПЭТВ

3.1.1.13 Удельный тепловой поток с поверхности пакета статора при минимальном напряжении питания и максимальной рабочей температуре обмотки, вт/м2, определяется в зависимости от допустимого перегрева обмотки

(3.17)

где a_u— коэффициент теплоотдачи с поверхности корпуса; для двигателей закрытого исполнения с естественным охлаждением

Отношение наружной поверхности корпуса S_к к наружной поверхности пакета статора S_s выбираем S_k/S_s=4.

3.1.1.14 Наружный диаметр пакета статора определяем по формуле:

(3.18)

3.1.1.15 Мощность, выделяющаяся в меди двигателя в статическом режиме при минимальном напряжении питания и максимальной рабочей температуре обмотки:

3.1.1.16 Мощность, потребляемая двигателем и добавочными сопротивлениями в статическом режиме при минимальном напряжении питания и максимальной рабочей температуре обмотки: