ПНИПУ разработал методику и стенд для тестов электромоторов против перегрева
Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) разработали методику определения так называемого «рабочего поля» электрического двигателя для электромобиля — предельных границ его безопасной эксплуатации с точки зрения перегрева. Созданная методика представляет собой инструмент для испытаний отечественных электродвигателей и направлена на снижение риска внезапных отказов в условиях перегрузок.
Отмечают исследователи: российский парк электромобилей стремительно растет и уже превышает 138 тыс. единиц. При этом национальный стандарт испытаний двигателей под нагрузкой не учитывает специфику работы электромобиля. Ученые ПНИПУ предложили методику испытаний, которая определяет «рабочее поле» двигателя — допустимые границы его безопасной эксплуатации с точки зрения перегрева. Универсальность метода доказана: полный цикл испытаний успешно проведен на серийном малоразмерном асинхронном двигателе.
Исследователи указывают, что действующий ГОСТ "Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний" разработан применительно к двигателям внутреннего сгорания и не учитывает принципиальные отличия электрических машин. В бензиновом или дизельном двигателе при чрезмерной нагрузке возможен останов, тогда как электродвигатель сохранит частоту вращения ротора и продолжит работу. При этом ток в обмотках значительно возрастёт, что приведёт к ускоренному нагреву. Повышение температуры может вызвать нарушение изоляции, короткое замыкание и отказ электромотора. Кроме того, электродвигатели способны развивать максимальный крутящий момент с места, на очень низких оборотах (приблизительно от 0 до 1 тыс. об/мин), где двигатель внутреннего сгорания работать не может. Электрические машины также имеют более широкий диапазон рабочих частот, достигающий в полтора–два раза больших оборотов по сравнению с бензиновыми аналогами. По словам ученых, готовых отечественных решений для стендовых испытаний автомобильных электродвигателей практически нет, а импортные стенды либо недоступны, либо имеют высокую стоимость.
Суть методики
Для устранения этой проблемы специалисты Пермского политеха разработали собственную методику и изготовили специализированный нагрузочный стенд. 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 проверки методики было выбрано серийное малоразмерное асинхронное устройство мощностью 1,1 кВт — распространённый тип электромотора, в котором ротор вращается за счёт скольжения, то есть небольшого отставания от вращающего магнитного поля статора. Такая конструкция характеризуется простотой, долговечностью и устойчивостью к перегрузкам. На российском рынке представлен широкий ассортимент подобных двигателей с различной мощностью и частотой вращения.
Испытательный стенд сформирован вокруг электромотора, к валу которого присоединён генератор, выполняющий роль электрического тормоза. Генератор создаёт сопротивление и обеспечивает изменение нагрузки от минимальной до предельной. Скорость вращения задаётся частотным преобразователем, выполняющим функцию педали газа, а степень торможения генератором регулируется с пульта управления. Такая конфигурация позволяет воспроизводить на стенде различные дорожные условия — от плавного движения до резкого ускорения или подъёма. В процессе испытаний специальные датчики регистрируют развиваемое усилие, частоту вращения и температуру корпуса двигателя, что даёт возможность проследить поведение машины в каждой конкретной ситуации и фиксировать моменты возникновения опасного перегрева. В качестве основного параметра измерений учёные предложили использовать частоту электрического тока в герцах, подаваемого на мотор, поскольку в электромобиле при нажатии на педаль газа именно эта величина изменяется. Такой подход упрощает восприятие и обработку результатов испытаний, делая их более понятными инженерам, проектирующим системы управления будущих автомобилей.
По итогам испытаний для выбранного асинхронного двигателя были установлены конкретные температурные пороги: критическая температура корпуса — 70 градусов Цельсия, максимально допустимая температура медных обмоток — 145 градусов Цельсия. Превышение внутреннего предела обмоток приводит к необратимому повреждению изоляции и значительному сокращению ресурса. По словам заведующего кафедрой "Автомобили и технологические машины" ПНИПУ, доктора технических наук Николая Лобова, контроль температуры корпуса может служить надёжным внешним индикатором состояния обмоток: при стабильной температуре корпуса ниже 70 градусов скрытые обмотки гарантированно не перегреваются. Это позволяет реализовать простую и эффективную систему управления двигателем, при которой датчик на корпусе при достижении порога 65–70 градусов автоматически подаёт сигнал об ограничении тока, предотвращая внутреннее разрушение машины.
Испытания также позволили выявить режимы, при которых температура всего за несколько минут достигает опасной отметки, практически вплотную приближаясь к критическому порогу. Эти режимы не подходят для длительной работы электрического двигателя под нагрузкой, пояснил Лобов.
Предложенная методика является универсальным инструментом для тестирования отечественных электродвигателей под нагрузкой. В дальнейшем исследовательская группа планирует адаптировать и применить отработанную методику к другим типам электрических машин, прежде всего к синхронным двигателям, с целью расширения возможностей стендовой диагностики и повышения надёжности электромобилей российского производства.