ESKÉ VYSOKÉ U ENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ KATEDRA M ENÍ. Bakalá ská práce. Analýza napájecích proud v automobilu

ýESKÉ VYSOKÉ UýENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ KATEDRA MċěENÍ

BakaláĜská práce Analýza napájecích proudĤ v automobilu

Praha, 2011

Autor: Jakub Tauchman

Prohlášení Prohlašuji, že jsem svou bakaláĜskou práci vypracoval samostatnČ a použil jsem v ní pouze podklady uvedené v pĜiloženém seznamu literatury. Nemám žádný závažný dĤvod proti užití tohoto školního díla ve smyslu § 60 Zákona þ.121/200 Sb., o právu autorském a o právech souvisejících s právem autorským a o zmČnČ nČkterých zákonĤ (autorský zákon).

V Praze dne ….……………

….…………… Podpis

i

ii

PodČkování Na tomto místČ bych rád podČkoval vedoucímu práce panu Ing. Miloši Okrouhlému za jeho cenné rady, trpČlivost a pĜipomínky k této práci, které pĜispČly ke zkvalitnČní této práce. Dále bych chtČl podČkovat své rodinČ a svým nejbližším za psychickou podporu a trpČlivost pĜi zpracování tohoto tématu.

iii

iv

Abstrakt Hlavním cílem bakaláĜské práce je analýza napájecích proudĤ v automobilu. První þást práce seznamuje þtenáĜe se základními principy vybraných elektromagnetických þástí automobilu. Popisuje princip a funkci motoru stČraþe, motoru stahování oken, ventilátoru a startéru a jejich možná poškození. Druhá þást práce zahrnuje mČĜení prĤbČhĤ napájecích proudĤ stejnosmČrných motorĤ popsaných v první þásti pro rĤzná zatížení. PrĤbČhy jsou dále zpracovány, je pro nČ udČlána frekvenþní analýza a její výsledky jsou diskutovány s reálnými pĜedpoklady.

Abstract The main goal of the Bachelor thesis is analysis of power current used in car. The first part of this thesis introduces the basic principles of some electromagnetic parts of a car. It describes the principal function of the windscreen wiper motor, the control window system motor, the fan motor and the starter and their potential failures. The second part of the thesis includes some supply current measurements with DC motors mentioned in the first part. Measured time series are then processed and frequency analysis is finished for further comparison with real assumptions.

v

vi

ZADÁNÍ BAKALÁěSKÉ PRÁCE

Student:

Jakub Tauchman

Obor:

Kybernetika a mČĜení

Název tématu þesky:

Analýza napájecích proudĤ v automobilu

Název tématu anglicky:

Analysis of Supply Current in the Car Pokyny pro vypracování:

Provećte podrobnou analýzu principu þinnosti vybraných elektromagnetických þástí automobilu. Pomocí osciloskopu sledujte napájecí proudy a to jak v ustáleném stavu, tak ve stavech pĜechodových. Porovnejte prĤbČhy napájecích proudĤ na nových, funkþních, porušených a nefunkþních vzorcích, je-li to možné. U každého vzorku urþete možné pĜíþiny poškození, pĜedpokládaný projev na napájecích proudech a skuteþné projevy poruchy, bylo-li je možné namČĜit. Na namČĜené signály navrhnČte a aplikujte detekþní metody k rozpoznání konkrétního typu závady na vzorku. Jako zkoumané vzorky použijte ventilátor, motor stahování okének, motor stČraþe oken a startér. Seznam odborné literatury: [1] Kreidl, M. - Petr, J. - Novák, J. - Houfek, P. - Doubek, J.: Diagnostic Systems Prague : CTU, 2001. 352 p. ISBN 80-01-02349-4. (in Czech) [2] Ježdík,P. Rozbor metod analýzy dynamického chování napájecí soustavy vozidla, odborná studie [3] Horáþek, P. - Fuka, J. Systémy a modely. 1. vyd. Praha : ýVUT, 1996. 70 s. ISBN 80-01-01431-2 Vedoucí bakaláĜské práce:

Ing. Miloš Okrouhlý

Datum zadání bakaláĜské práce:

12. Ĝíjen 2010

1

Platnost zadání do :

1. þervenec 2011 L.S.

Prof. Ing. Pavel Ripka, CSc. vedoucí katedry

Doc. Ing. Boris Šimák, CSc. dČkan V Praze dne 13. 10. 2010

_______________________________ 1

Platnost zadání je omezena na dobu dvou následujících semestrĤ.

vii

viii

Obsah Seznam obrázkĤ

xi

Seznam tabulek

xiii

1

Úvod

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.1. Princip þinnosti stejnosmČrného stroje

. . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2. Indukované napČtí a moment stejnosmČrného stroje 1.3. Komutace 2

3

1

. . . . . . . . . 3

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

StČraþ þelního skla

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.1.

Historie stČraþĤ

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

2.2.

Stírací soustava

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.3.

Motor stČraþe

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.3.1. Motorek jednorychlostní

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.3.2. Motorek dvourychlostní

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

Stahování oken v automobilu

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.1.

Historie

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.2.

Motor stahovacího systému . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.3.

Mechanismy ovládání oken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.3.1. Mechanismus s ozubeným a pákovým pĜevodem

. . . . . . . . . 19

3.3.2. Mechanismus s kladkovým pĜevodem a lankem

. . . . . . . . . 19

3.3.3. Mechanismus s þlánkovou vzpČrou . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 4

5

Ventilátor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 4.1.

VČtrací systém v automobilu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

4.2.

Motor ventilátoru

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

Startér motoru v automobilu

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

5.1.

Problematika spuštČní automobilu

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

5.2.

Motor startéru

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

5.3.

Druhy startérĤ

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

5.3.1. Startér s výsuvným pastorkem

. . . . . . . . . . . . . . . . . 28

5.3.2. Startér s výsuvnou kotvou

. . . . . . . . . . . . . . . . . 29

5.3.3. Startér se systémem Bendix

. . . . . . . . . . . . . . . . . 30

ix

6

7

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

Ztráty, poruchy a chyby 6.1.

Ztráty v stejnosmČrných motorech

. . . . . . . . . . . . . . . . . 33

6.2.

Ložiska motorkĤ stČraþe a stahování oken

. . . . . . . . . . . . . . . . . 35

6.3.

Poruchy stejnosmČrných motorĤ v automobilu 6.3.1. Závady stČraþového motoru

. . . . . . . . . . . . . . . . .

36

6.3.2. Závady motoru stahování oken

. . . . . . . . . . . . . . . . .

37

6.3.3. Závady motoru ventilátoru

. . . . . . . . . . . . . . . . .

38

UspoĜádání mČĜicího pracovištČ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 7.1.

MČĜicí pracovištČ

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39

7.2.

MČĜicí pĜístroje

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

40

7.3.

MČĜené motory

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

42

7.3.1. Motor stahování oken

8

. . . . . . . . . . . . . 36

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

7.3.2. Motor stČraþe

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

7.3.3. Motor ventilátoru

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

NamČĜené a zpracované signály . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 8.1.

PrĤbČhy v jednotlivých motorech

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

8.2.

PrĤbČhy v motoru stahování oken

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

8.2.1. PrĤbČh stejnosmČrného proudu v motoru stahování oken

. . . . . 46

8.2.2. Spektrální analýza motoru stahování oken . . . . . . . . . . . . . 49 8.3. PrĤbČhy v motoru stČraþe

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

8.3.1. PrĤbČh stejnosmČrného proudu v motoru stČraþe 8.3.2. Spektrální analýza motoru stČraþe 8.4. PrĤbČhy v motoru ventilátoru

. . . . . . . . . . . . . . . . . 52

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

8.4.1. PrĤbČh stejnosmČrného proudu v motoru ventilátoru 8.4.2. Spektrální analýza motoru ventilátoru 9

ZávČr

Použitá literatura

. . . . . . . . . 50

. . . . .

53

. . . . . . . . . . . . .

55

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

PĜíloha 1 x

Seznam obrázkĤ 1.1.

Podobizna Ernsta Wernera von Siemense [1]

. . . . . . . . . . . . . . . .

1

1.1.1.

Podélný Ĝez stejnosmČrným strojem [4]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

1.1.2.

PrĤbČh stejnosmČrného (komutovaného) napČtí (V) [4] . . . . . . . . . . . . .

3

1.1.3.

PrĤbČh napČtí tĜí cívek vzájemnČ posunutých o 1/3 obvodu [4] . . . . . . . . .

3

1.2.1.

Principiální schéma jednoduchého stroje [4]

. . . . . . . . . . . . . . . .

4

1.3.1.

Komutátor s póly [6]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

1.3.2.

PrĤbČh komutace

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

1.3.3.

Doba komutace [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

2.1.1.

Robert Kearns (1928 - 2005) [7]

2.2.1.

Díly motoru stČraþe pĜedního skla [8]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

2.3.1.

Motor stČraþe dvourychlostní (rozebraný) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

2.3.1.1. Motor jednorychlostní [10] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

2.3.2.1. Motor dvourychlostní [10] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

3.1.1.

1919 Ford T doctor coupe s oknem na pant [11]

. . . . . . . . . . . . . . . .

17

3.2.1.

Kartáþe doléhající na komutátor motoru stahování oken . . . . . . . . . . . . .

18

3.2.2.

Komutátor na rotoru stahovacího mechanismu okýnek

. . . . . . . . . . . . .

18

3.3.1.1. Mechanismus s ozubeným a pákovým pĜevodem [10]

. . . . . . . . . . . . .

19

3.3.2.1. Mechanismus s kladkovým pĜevodem a lankem [10]

. . . . . . . . . . . . .

20

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

4.1.1.

VČtrací systém v automobilu s klimatizací . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

4.1.2.

Rozvod vzduchu v kabinČ automobilu

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

4.2.1.

Schéma zapojení ventilátoru

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

4.2.2.

TČleso s uloženými pĜedĜadnými odpory a tepelnou pojistkou

5.2.1.

Startér s elektromagnetickým vysouváním pastorku

5.2.2.

ýtyĜpólový stator startéru [10]

5.2.3.

Zapojení kartáþĤ motoru startéru [10]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.3.3.1. Mechanismus s þlánkovou vzpČrou [10]

11

. . . . . . . . .

24

. . . . . . . . . . . . .

26

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

27

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

27

5.3.1.1. Startér s výsuvnou kotvou [10]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

5.3.2.1. Startér s výsuvnou kotvou [12]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

30

5.3.3.1. Systém Bendix [12]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31

6.1.1.

Rotor s vinutím motoru

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33

6.2.1.

Kluzné ložisko uložené ve statoru stČraþového motoru

xi

. . . . . . . . . . . . .

35

6.2.2.

Kuliþkové ložisko [14]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

6.3.1.1. HĜídel rotoru stČraþového motoru 6.3.2.1. Ozubené kolo upevnČné na výstupní hĜídeli motoru stahování oken 7.1.1.

Schématické zapojení mČĜicího pracovištČ

. . . . . . . . . . . . . . . .

39

8.2.1.1. PrĤbČhy stejnosmČrných proudĤ v motoru stahování oken pĜi rĤzných zatČžovacích momentech 8.2.1.2. PrĤbČh proudĤ motoru stahování oken

. . . . . . . . . . . . . . . .

46

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47

8.2.1.3. ZatČžovací charakteristika motoru stahování oken

. . . . . . . . . . . . .

48

8.2.2.1. Spektrum namČĜeného proudového odbČru

. . . . . . . . . . . . . . . .

49

8.3.1.1. PrĤbČhy proudĤ v motoru stČraþe pĜi rychlosti 2

. . . . . . . . . . . . . . . .

50

8.3.1.2. ZatČžovací charakteristika motoru stČraþe

. . . . . . . . . . . . . . . .

51

8.3.2.1. Spektrum namČĜeného proudového odbČru

. . . . . . . . . . . . . . . .

52

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

53

8.4.1.1. PrĤbČhy proudĤ v motoru ventilátoru pro rychlosti 1 - 4 pĜi otevĜené klapce

8.4.1.2. ZatČžovací charakteristika motoru stahování oken 8.4.1.3. Spektrum namČĜeného proudového odbČru

xii

. . . . . . . . . . . . .

55

. . . . . . . . . . . . . . . .

56

Seznam tabulek 8.2.1.1. Tabulka hodnot získaných z dlouhých prĤbČhĤ proudu v motoru stahování oken

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47

8.2.1.2. Tabulka hodnot získaných z krátkých prĤbČhĤ proudu v motoru stahování oken

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

48

8.3.1.1. Tabulka hodnot pro rychlost 2 motoru stČraþe

. . . . . . . . . . . . . . . .

51

8.3.1.2. Tabulka hodnot pro rychlost 1 motoru stČraþe

. . . . . . . . . . . . . . . .

51

8.4.1.1. Tabulka hodnot pro motor ventilátoru pĜi otevĜených klapkách pro všechny rychlosti

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

54

8.4.1.2. Tabulka hodnot pro motor ventilátoru pĜi polootevĜených klapkách pro všechny rychlosti

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

54

8.4.1.3. Tabulka hodnot pro motor ventilátoru pĜi uzavĜených klapkách pro všechny rychlosti

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

xiii

54

xiv

1

Úvod BakaláĜská práce seznamuje þtenáĜe s vlastnostmi a þinností motorĤ, jež jsou

speciálním typem stejnosmČrných strojĤ. StejnosmČrný stroj Ĝadíme z hlediska historie k nejstaršímu elektrickému ústrojí na bázi reakce dvou magnetických polí. Sestrojením dynama nČmeckého fyzika a vynálezce Ernsta Wernera von Siemense (obr.1.1.) v roce 1866 tak mohl být odstartován nejen inovaþní proces právČzhotoveného zaĜízení, ale také technický pokrok jdoucí ruku v ruce se spotĜebou elektrické energie [1].

Obr. 1.1. – Podobizna Ernsta Wernera von Siemense [1]

V souþasné dobČ se na první pohled mĤže zdát, že stejnosmČrné stroje jsou již pĜežitkem z dob minulých, ale stále nacházejí uplatnČní v rĤzných charakteristických provozech, kde se pro své jedineþné vlastnosti jeví z hlediska použití jako optimální. Menší rozmČry a tím i menší hmotnost v porovnání s ostatními typy motorĤpĜi zachování stejných elektrických a výkonových parametrĤ jsou tČmi nejsilnČjšími argumenty pro volbu jejich instalace do provozu. StejnosmČrné stroje pracují buć jako dynama (tzn. vyrábí elektrickou energii) nebo jako motory (dodanou energii mČní v mechanickou). Jelikož v posledních desetiletích jsou stejnosmČrné generátory (dynama) zatlaþovány modernČjšími zdroji výkonu, používají se v souþasné dobČpĜevážnČjako stejnosmČrné motory a to pro své výhodné regulaþní vlastnosti. ZvláštČ jsou využívány jako elektrické pohony v železniþní i mČstské dopravČ, u pohonĤ válcoven, dolĤ, v automobilovém prĤmyslu nebo i v letectví, kde se jeví výhodnČji (z dĤvodĤ uvedených výše) zejména vĤþi strojĤm synchronním o stejném výkonu [2]. Z uvedeného pĜehledu použití vyplývá, že ve vČtšinČ provozních uplatnČní se bude jednat o pĜerušovaný chod stroje, þasté reverzace, velké proudové a napČĢové zmČny, tedy o velmi nároþné provozní podmínky. Návrh i konstrukce musí pak být pro tyto nároþné požadavky pĜizpĤsobeny. Nespornou výhodou kromČ snadné regulace otáþek je i velký zábČrný moment pĜi nízkých otáþkách, oproti tomu nevýhodou je potĜeba kluzných kontaktĤ (kartáþĤ) doléhajících na komutátor, což má za následek elektromagnetické rušení. S

1

rozvojem elektroniky však vznikají stejnosmČrné stroje, u kterých je mechanická vazba nahrazena elektronickým Ĝešením (bezkartáþové stejnosmČrné motory s elektronickou komutací).

1.1. Princip þinnosti stejnosmČrného stroje Hlavní þástí stejnosmČrného stroje je stator, který tvoĜí þást magnetického obvodu (obr. 1.1.1.) Malé stroje mají obvykle ocelolitinovou kostru (2), magnetový vČnec – jho (8) ve tvaru jednoduchého prstence s pĜilitými pĜipevĖovacími patkami (1). K magnetovému vČnci jsou pĜišroubována jádra pólĤ magnetĤ (9) s budícími cívkami (11).

Obr. 1.1.1. – Podélný Ĝez stejnosmČrným strojem [4] 1 – pĜipevĖovací patka 2 – ocelolitinová kostra 3 – kryt ložiska 4 – drážka pro péro 5 – hĜídel 6 – ventilátor 7 – vČtrací otvory

8 – magnetový vČnec – jho 9 – pól magnetu 10 – plechy kotvy 11 – budící cívka statoru 12 – rotor (kotva) 13 – pružina kartáþe 14 – držák kartáþe

15 – kartáþ 16 – kuliþkové ložisko 17 – zadní štít 18 – komutátor 19 – svorkovnice

PĜi otáþení rotoru je pod záporným kartáþem vždy lamela. K ní je pĜipojena strana cívky, která je v oblasti severního pólu. SouþasnČ je pod kladným kartáþem také lamela, k níž je pĜipojena strana cívky, která je v oblasti jižního pólu. Polarita na kartáþích se tedy nemČní, napČtí na kartáþích je stále stejného smČru a vnČjším obvodem prochází stejnosmČrný proud.

2

Jsou-li strany cívky mezi póly, napČtí se v nich neindukuje. Na obrázku 1.1.2. je naznaþen prĤbČh usmČrnČného (komutovaného) napČtí (V).

Obr. 1.1.2. – PrĤbČh stejnosmČrného (komutovaného) napČtí (V) [4]

Ve skuteþnosti je na kotvČ více cívek pĜipojených k lamelám komutátoru. Cívky jsou spojeny "za sebou". Indukovaná napČtí jsou však proti sobČ posunuta a výsledné napČtí je tím stejnomČrnČjší, þím má stroj více cívek a lamel. Na obrázku 1.1.3. je znázornČn prĤbČh napČtí tĜí cívek vzájemnČ posunutých o 1/3 obvodu.

Obr. 1.1.3. – PrĤbČh napČtí tĜí cívek vzájemnČ posunutých o 1/3 obvodu [4]

1.2. Indukované napČtí a moment stejnosmČrného stroje Pro odvození momentu budeme vycházet z principiálního schématu jednoduchého stroje na obr.1.2.1. Pro názornost uvažujme, že budící pole statoru tvoĜí první cívku a závit v kotvČcívku druhou.

3

Obr.1.2.1. – Principiální schéma jednoduchého stroje [4]

Aby se stroj otáþel, tj. vytváĜel elektromagnetický moment, musí být splnČna podmínka toþivého magnetického pole: cívky jsou konstrukþnČ uloženy navzájem o 90º a proud v cívkách fázovČ posunutý taktéž o 90° [1]. Pro úvodní vztah vyjádĜení elektromagnetického momentu využijeme celkovou energii soustavy dvou cívek.

Wm =

1 1 2 2 L11i1 + L22i2 + i1i2 L12 m ⋅ cos υm , 2 2

(1.2.1)

kde L11 je vlastní indukþnost budící cívky, L22 vlastní indukþnost cívky kotvy, i1 a i2 pĜíslušné proudy tekoucí cívkami, L12m je maximální vzájemná indukþnost a υ m úhel natoþení mezi cívkami [3]. Ze vztahu (1.2.1) je patrná závislost energie soustavy na úhlu natoþení cívek a tedy i okamžitý moment. Pokud zderivujeme tento vztah podle úhlu natoþení cívek, získáme tak maximální okamžitý moment:

mi =

∂W m = − i1i2 ⋅ L12 m ⋅ sin υ m ∂υ m

4

(1.2.2)

Zavećme substituci za výraz i1 ⋅ L12 m , který považujme za magnetický budící tok Φ1 :

mi = −i2 ⋅ Φ1 ⋅ sin υm

(1.2.3)

StĜední hodnotu momentu jednoho závitu získáme, integrujeme-li okamžitou hodnotu momentu v rozmezí jedné poloviny otáþky, tedy:

M=

1π

m dυ π³ i

m

=

2i2 ⋅ Φ1

π

0

(1.2.4)

S pĜihlédnutím k faktu, že se na kotvČ nachází N vodiþĤ tj. N/2 závitĤ; p poþet pólových dvojic; 2a všech paralelních vČtví vinutí rotoru a celkový proud tekoucí vinutím kotvy je

I 2 = i2 ⋅ 2a mĤžeme vztah (1.2.4) upravit:

Mi = kde K M =

p ⋅ N ⋅ Φ1 ⋅ I 2 = K M ⋅ Φ1 ⋅ I 2 , 2π ⋅ a

(1.2.5)

p⋅N je momentová konstanta stroje a M i celkový vnitĜní moment stroje. 2π ⋅ a

Výkon na hĜídeli motoru je pĜímo úmČrný momentu M i a úhlové rychlosti ω , tedy: P = Mi ⋅ω , kde ω = 2π ⋅ f M ,

(1.2.6)

f M je poþet otáþek rotoru za sekundu. VnitĜní elektrický výkon oznaþme

Pi . Je to v podstatČ celkový mechanický výkon dodaný pohánČcím strojem, oproštČn o celkové mechanické ztráty dynama nebo také výkon vytvoĜený celkovým proudem kotvy I 2 a indukovaným napČtím U i Pi = U i ⋅ I 2 .

(1.2.7)

Velikost indukovaného napČtí U i si vyjádĜíme pomocí vztahĤ(1.2.5), (1.2.6) a (1.2.7): Pi = M i ⋅ ω = K M ⋅ Φ1 ⋅ I 2 ⋅ 2π ⋅ f M = U i ⋅ I 2 .

5

(1.2.8)

PodČlíme výraz (1.2.8) proudem I 2

U i = K M ⋅ Φ1 ⋅ 2π ⋅ f M =

kde KU =

p⋅N ⋅ Φ1 ⋅ f M = KU ⋅ Φ1 ⋅ f M , a

(1.2.9)

p⋅N je napČĢová konstanta stroje. a

Indukované napČtí u dynama lze zmČĜit na kartáþích pouze bez zatížení. Je-li stroj zatížen, dochází k úbytku napČtí U a na odporu vinutí kotvy Ra a na pĜechodu kartáþĤ a komutátoru

U k . Ten se pĜi výpoþtu zanedbává nebo se poþítá s konstantní hodnotou úbytku 1V na kartáþi. Uvećme teć souþasnČ v þinnost dva stejnosmČrné stroje, ovšem tak, aby první pracoval v režimu generátoru a druhý v režimu motoru. NechĢ se oba rotory otáþí ve stejném smyslu. Tím pádem indukované napČtí U i má taktéž v obou pĜípadech stejnou orientaci. Generátorem však prochází proud opaþnČ než motorem. To znamená, že i úbytky napČtí U a a U k mají opaþnou orientaci [3]. Podle 2. Kirchhoffova zákona mĤžeme napsat pro uzavĜenou smyþku vztahy:

U G = U i − Ra I a − U k

(1.2.10)

U M = U i + Ra I a + U k ,

(1.2.11)

kde U G je napČtí na svorkách nezatíženého dynama, U M napájecí napČtí motoru a I a je proud vinutím kotvy. Ze vztahĤ 1.2.10 a 1.2.11 vyplývá, že napČtí U G je dáno indukovaným napČtím U i poníženým o ztráty napČtí na odporu vinutí kotvy a o ztráty napČtí na pĜechodu kartáþĤ a komutátoru.

1.3. Komutace Komutací rozumíme zmČnu smyslu proudu v právČ komutující cívce [5]. Funkcí komutátoru je usmČrĖování stĜídavého elektrického napČtí a proudu na stejnosmČrné. Je to pĜechodový dČj, který je realizován soustavou kartáþ – komutátor. PĜi tomto dČji se navzájem ovlivĖuje hned nČkolik problémĤ mechanické vazby. U kluzných kontaktĤ je to problém elektrický, mechanický (tĜení) a elektrochemický (tvoĜí se patina). Dnes už však umíme realizovat komutaci elektronickou, kde odpadá vliv tĜení a tvorby patiny.

6

Obr. 1.3.1. – Komutátor s póly [6]

Na obr. 1.3.1. je popsán komutátor s póly. V magnetickém poli se otáþením rotoru indukuje ve vodiþích kotvy stĜídavé napČtí. Na výstupních svorkách je však napČtí stejnosmČrné, témČĜnezvlnČné. UsmČrnČní napČtí i proudu provádí komutátor a to vhodným zapojením cívek k lamelám a konstrukþním uspoĜádáním uložení kartáþĤvzhledem k hlavním pólĤm statoru. Podélné osy hlavních pólĤ statoru a kartáþĤ jsou rovnobČžné. NejvhodnČjší okamžik ke komutaci cívky (zmČna smyslu proudu tekoucí cívkou) je, když se cívkové strany nacházejí v oblasti nulového budícího magnetického pole, tj. v rovinČ, která je kolmá na podélnou osu hlavních pólĤ. Zde pole zaniká a znovu vzniká, a tím dochází ke zmČnČ indukovaného napČtí (proudu) plynule. PĜikomutaci jsou cívky spojovány „nakrátko“ kartáþi doléhajícími na lamely a neteþe jimi žádný proud [5]. PrĤbČh komutace vidíme na obr. 1.3.2. a celý dČj je tu popsán tĜemi stavy. Komutátor je pro názornost rozvinut a cívky zapojeny do smyþkového vinutí. Otáþivý pohyb je reprezentován rychlostí v (úmČrná úhlové rychlosti komutátoru). U skuteþných strojĤje vždy šíĜka kartáþe vČtší než šíĜka lamely. Pro jednoduchost urþíme šíĜku kartáþe a lamely stejnou. V okamžiku, který je znázornČn na obr. 1.3.2.a), cívkou protéká proud jedním smČrem. Jelikož jsou k lamele 1 pĜipojeny dvČ cívky, protéká lamelou dvojnásobný proud. Na obr. 1.3.2.b) kartáþ spojuje „nakrátko“ dvČ sousední lamely 1 a 2 a cívka se nachází ve stavu komutace – bez proudu. Kartáþem prochází stálý proud 2I. Z obr. 1.3.2.c) je patrná zmČna orientace proudu cívkou. V tomto okamžiku kartáþdoléhá pouze na lamelu 2.

7

Obr. 1.3.2. – PrĤbČh komutace

Pro dobu komutace t k platí vztah:

tk =

bk + li , v

(1.3.1)

kde bk je šíĜka kartáþe, li šíĜka izolace mezi lamelami a v je rychlost otáþení. ŠíĜka izolace bývá vČtšinou zanedbatelnČtenká, proto lze vztah psát takto:

tk =

bk v

(1.3.2)

V dobČ t k (obr. 1.3.3.) by se mČla cívka pohybovat v nulovém magnetickém poli statoru (neutrální osa). Vlivem reakce kotvy však dochází k natoþení neutrální osy (magnetické neutrály) ve smČru otáþení u dynama a proti smČru otáþení u motoru a tím i neideální komutaci cívky.

Obr. 1.3.3. – Doba komutace [6] 1) „odporová“ komutace (ideální prĤbČh) 2) skuteþný prĤbČh komutace (vlivem Lc komutující cívky – reaktanþní napČtí

8

ur )

Výsledkem nastalé situace je indukce reakþního napČtí ur (1.3.3) a velký proud nakrátko (kartáþe zkratují cívku pĜes lamely). Reakþní napČtí pĤsobí proti zmČnČ smyslu proudu pĜi komutaci. To je však nežádoucí a dochází k tzv. zpoždČné (indukþní) komutaci. DĤsledkem tohoto jevu je vznik elektrického oblouku neboli jiskĜení a nadmČrné zahĜívání kartáþĤ a komutátoru. To má za následek úbytek materiálu z obou þástí a zhoršuje se kvalita kontaktu a povrchu komutátoru (vzniká patina) a rĤstu pĜechodného odporu kontaktu. PrĤbČh proudu v komutující cívce je závislý na odporu vinutí cívky Rc , pĜechodném odporu mezi kluzným kontaktem Rk a na indukþnosti Lc , z nichž nejvČtší význam má právČ vlastní indukþnost cívky Lc . Výše popsaný jev je tĜeba odstranit. Možností je umístit pomocné póly do konstrukce stroje a pro komutující cívku tak vytvoĜit vhodné magnetické pole. Toto pole pĤsobí proti poli reakce kotvy a zároveĖse snaží v dobČkomutace cívky „natoþit“ neutrální osu do pĜíþné osy (kolmá na podélnou osu pólĤ). Takto vytvoĜeným magnetickým polem se indukuje v dobČneideální komutace cívky napČtí u k , které pĤsobí proti reakþnímu napČtí ur . Tedy

u r = Lc

di , dt

(1.3.3)

kde Lc je celková indukþnost zahrnující vlastní indukþnost komutující cívky a vzájemnou indukþnost cívek souþasnČkomutujících, i (t ) je proud komutující cívkou. Vinutí pomocných pólĤ se zapojuje do série s vinutím kotvy a to proto, aby vytvoĜení pomocného pole bylo úmČrné zatížení stroje. SmČr proudu ve vinutí pomocných pólĤ a tedy i polarita pole jsou dány nutností docílit snazší zmČny proudu v cívce.[5] Proto následuje u dynama i motoru po hlavním severním pólu pomocný pól jižní (ale bráno se zĜetelem na smČr otáþení). U strojĤ bez pomocných pólĤse toto pole získá natoþením kartáþĤz neutrální polohy. V praxi se ne vždy podaĜí optimálnČzvolit pomocné póly a tedy i celkové vykompenzování reakþního pole komutující cívky. Je-li pole pomocných pólĤ slabší, bude stroj podkomutován, je-li silnČjší, stroj je nadkomutován.

9

10

2

StČraþ þelního skla

2.1. Historie stČraþĤ StČraþe byly souþástí automobilĤ témČĜ od samého vzniku prvních automobilĤ s pĜedním sklem a to z dĤvodu bezpeþnosti. První stČraþ byl zkonstruován Ameriþankou Mary Andersenovou, která si tento vynález nechala patentovat v roce 1903 a byl ovládán ruþnČ. Její pĜístroj však nemČl velký úspČch. První automatické stČraþe pĜišly na svČt roku 1921 a to z rukou bratrĤ Folbertových, podle nich nazvané Folberts. Ty byly pohánČny vzduchovým motorem a zaĜízení bylo propojené hadiþkou se sacím potrubím motoru vozidla. Elektrická verze stČraþe pĜišla roku 1926 z firmy Bosch, kdy byl stČraþ upevnČn na horní þást pĜedního skla. Dlouhý vývoj stírací soustavy korunoval až Robert Kearns (obr. 2.1.1.) který v roce 1967 patentoval periodicky ovládané stČraþe a ty zaþala montovat do svých vozĤ spoleþnost Ford Motor.

Obr. 2.1.1. – Robert Kearns (1928-2005) [7]

2.2. Stírací soustava Stírací soustava pĜedního skla má obvykle dvČ stírací ramena, jejichž pohyb mĤže být soubČžný nebo protibČžný. V druhém pĜípadČ vyžaduje soustava vyšší kinematické nároky na mechanismus, na druhou stranu je pak ale stíraná plocha soumČrná a vhodnČjší pro vysoká okna – zejména u užitkových, nákladních vozidel nebo u autobusĤ. Ramena stíracích lišt mohou být pohánČna buć jedním motorkem (tandemové uspoĜádání) nebo každé zvlášĢ od dvou motorĤ, kde je nutná synchronizace þinnosti.

11

Zajímavým Ĝešením je použití reverzaþního elektromotoru s využitím Ĝízení elektronikou, kdy vhodným spínáním dochází ke zmČnČ polarity a tím i smČru otáþení v prĤbČhu þinnosti stírací soustavy. Páka pĜevodového mechanismu se pohybuje v rozmezí 180º. Další výhodou elektronického Ĝízení je plynulá regulace otáþení elektromotorku, napĜ. v úvratích pĜi zmČnČ pohybu, ale také pĜi spolupráci s þinností ostĜikovaþe skla. Požadovaný výkon motoru pro stírací soupravu závisí na rychlosti (poþtu kyvĤ za minutu), poþtu stíracích lišt a jejich pĜítlaku ke sklu a souþiniteli tĜení mezi pryžovou lištou a stíraným sklem. Další podmínkou je odolnost proti tepelnému pĜetížení a proti pĜípadnému zkratu pĜi zastaveném pohybu a zapnutém stČraþi. PĜenesení momentu mezi motorem a stČraþem a vlastní pĜevod jsou realizovány z redukþního ozubeného soukolí a z klikového nebo kulisového mechanismu se spojenými táhly, kterým se mČní otáþivý pohyb na úhlový kývavý. Redukþní pĜevod je konstrukþnČ spojen s motorkem. U stíraþĤ s pohonem jen jedné lišty (stírání zadního skla, stírání svČtlometĤ) je mechanismus pro kývavý pohyb vestavČn pĜímo do pĜevodovky motorku. NČkdy se také používá ke stírání pĜedního skla, kdy jedna lišta je pohánČna pĜímo pĜes pĜevod motorkem a druhá je k ní pĜipojena táhlem, tzv. tandemové uspoĜádání. Další zvláštní konstrukcí je stírací souprava, kde se pro pĜenos momentu z klikového mechanismu v pĜevodovce motorku používá ozubená hĜídel vedená lanovodem až na samostatné pĜevodovky jednotlivých stíracích ramen, tzv. souprava s ohebnou hĜídelí. Toto Ĝešení má horší mechanickou úþinnost, ale dovoluje snadnou instalaci, manipulaci a také dobĜe Ĝeší prostorové problémy s umístČním motorku a mechanismĤ stírací soupravy. Nejvíce namáhanou þástí soupravy je pryžová lišta, která musí s dostateþnou pĜítlaþnou silou dosedat na sklo po celé své délce. Jestliže je pĜední sklo více zakĜivené, musí se dbát na zvýšenou pozornost pĜítlaþnému systému ramene lišty. MČrný pĜítlak se pohybuje v rozmezí 0,05– 0,25Nm. PĜi výrobČ stírací lišty (bĜitu) je nutno poþítat s aerodynamickými podmínkami, neboĢ pĜi vyšších rychlostech vozidla mĤže dojít k nadlehþování bĜitu a s tím spojené chybné þinnosti, kdy lišta nedosedá v dostateþném pĜítlaku na sklo. Velikost pĜítlaþné síly se reguluje u vozidel dosahujících vyšších rychlostí pĜedpČtím hlavní pružiny stíracího ramene, která je Ĝízena jednoduchým mechanismem s krokovým motorkem podle elektronické Ĝídicí jednotky vyhodnocující rychlost automobilu a výkon motorku stČraþe.

Za urþitých podmínek mĤže být i nejnižší rychlost stírání pĜíliš vysoká. K tomu dochází zejména pĜi mrholení nebo slabém dešti a lišty tak pracují témČĜ „nasucho“. Tento

12

nechtČný stav doprovázený zvukovými projevy lišty tĜené o stírané sklo se odstraĖuje pomocí intervalového spínání - þasovaþe. Stírací souprava je uvádČna do þinnosti s þasovou prodlevou mezi dvČma kyvy. StČraþ se vrátí zpČt do výchozí polohy po ukonþení jednoho cyklu, kde opČt þeká na impuls. Doba þekání na impuls nebo také doba klidu mĤže být pevná nebo promČnlivá. Intervalový spínaþ se spíná pouze na dobu potĜebnou k tomu, aby pohyb stíraþe automaticky sepnul dobČhový spínaþ zaruþující pĜerušení napájení motorku po skonþení cyklu (dvou kyvĤ). Urþitým zpĤsobem je jednodušší použití „dešĢového“ þidla, které samoþinnČ spíná obvod stírací soustavy podle optického stavu þelního skla, tj. reaguje podle množství dešĢových kapek na povrchu skla.

Obr. 2.2.1. – Díly motoru stČraþe pĜedního skla [8] 1 – kryt pĜevodovky 2 – tČleso pĜevodovky 3 – hnací kolo 4 – ocelová podložka 5 – plastová podložka 6 – držák

7 – skĜíĖ motoru 8 – rotor 9 – klika 10 – pojistný kroužek 11 – ochranný kryt 12 – pružná podložka

13 – tČsnící kroužek 14 – podložka 15 – opČrná podložka 16 – kryt motoru

2.3. Motor stČraþe V dnešní dobČ se vČtšinou používají motory s permanentními magnety (obr. 2.2.1.), derivaþní a kompaundní motory (na pólech je umístČno derivaþní i sériové vinutí zapojené tak, že jejich magnetické toky se sþítají [9] ) se pro svĤj tČžký rozbČh používají jen výjimeþnČ. Výhodou použití derivaþního motorku je snadná plynulá nebo stupĖovitá regulace rychlosti.

13

Mají však menší úþinnost a jsou složité, proto se u moderních stČraþových pohonĤ nepoužívají. Poþet otáþek se u motorĤ stČraþe pohybuje v rozmezí 1500 – 4000 min-1, výkon v rozmezí 12 – 50W. Motory jsou buć jednorychlostní nebo dvourychlostní (obr. 2.3.1.) [10].

Obr. 2.3.1. – Motor stČraþe dvourychlostní (rozebraný)

2.3.1. Motor jednorychlostní Jsou opatĜené stejnČ jako dvourychlostní dobČhovým kontaktem, který je souþástí pĜevodového mechanismu. DobČhový kontakt slouží k dobČhu a zastavení stíracích ramen v krajní poloze bez ohledu odepnutí napájení hlavního obvodu uživatelem (Ĝidiþem). Aby nedošlo k opČtovnému sepnutí dobČhového kontaktu vlivem pĜekmitnutí stíracích ramen díky jejich setrvaþnosti, je motorek v koncové poloze elektricky brzdČn. Princip þinnosti jednorychlostního a dvourychlostního motoru stČraþe vidíme na obr. 2.3.1.1. a 2.3.1.2. Motoru (1) je zajištČno napájení pĜes pĜepínaþ (2), kterým v poloze A prochází proud do motorku – požadavek od Ĝidiþe ke stírání. Po pĜepnutí do polohy B (Ĝidiþ ukonþil požadavek na stírání) se odpojí motorek od pĜímého napájení z baterie, ale pĜes sepnutý pĜepínaþ (3) v poloze C je motorek stále napájen z baterie, ovšem už bez možnosti odpojení uživatelem. Pohyblivý kontakt pĜepínaþe (3) je ovládán pĜevodovým mechanismem, který ve vhodnou chvíli odpojí motorek od napČtí odepnutím pohyblivého kontaktu pĜepínaþe (3) z polohy C do polohy D. Motorek je odpojen od napČtí, ale vlivem setrvaþných hmot se dotáþí. Ve vodiþích kotvy se indukuje napČtí (z motorku se stává na chvíli generátor), tedy i proud, který vytváĜí moment pĤsobící proti smČru setrvaþných hmot a motorek se takto intenzivnČdobržćuje. 14

Obr. 2.3.1.1. – Motor jednorychlostní [10]

2.3.2. Motor dvourychlostní Velmi þastým zpĤsobem regulace otáþek je konstrukce s tzv. tĜetím kartáþem. Vyšší rychlost otáþení se dosáhne pĜivedením napČtí na menší poþet cívek rotoru právČ tĜetím kartáþem a rotor se tak musí otáþet rychleji. V našem pĜípadČ jsme použili právČ motor se tĜemi kartáþi. Princip þinnosti je obdobný jako u jednorychlostních motorkĤpodobnČ je toi s funkcí dobČhového kontaktu.

Obr. 2.3.2.1. – Motor dvourychlostní [10]

15

16

3

Stahování oken v automobilu

3.1. Historie Historie otvírání oken v automobilu sahá, podobnČ jako historie stČraþĤ, již k poþátkĤm vzniku prvních automobilĤ. Okna aut byla pĤvodnČ montována na pant a zavírána pomocí páþky (obr. 3.1.1.). Postupem þasu vzniklo manuální ovládání oken, kdy sklo zajíždČlo do prostoru dveĜí.

Obr. 3.1.1. – 1919 Ford T doctor coupe s oknem na pant [11]

Elektrické ovládání oken se zaþalo používat na poþátku 90. let 20. století a to hlavnČ u luxusních typĤ automobilĤ. Toto ovládání však rychle proniklo do všech typĤ vozidel a v dnešní dobČ je instalováno bČžnČ, þasto však v kombinaci s manuálním ovládáním, pĜedevším z dĤvodĤ ekonomických.

3.2. Motor stahovacího systému Princip motorku stahovaþky je stejný jako u stČraþe, tedy komutátorový motor. U stahování oken se však používají motorky menší, s nižším výkonem, jelikož pohyb skla není tak fyzicky nároþný jako pohyb stČraþe. Dalším dĤvodem konstruování malých motorkĤ je omezený prostor ve dveĜích auta. Motorek má pĜímo integrovanou šnekovou pĜevodovku, která je samosvorná, takže umožĖuje pĜenos pohybu pouze na výstupní hĜídel. Proto se okno v mezipoloze samovolnČ neposunuje. Funkcí motoru je také omezení síly, a to z dĤvodu bezpeþnosti (sevĜení þásti tČla). Všechny systémy se ovládají dvojitým pĜepínaþem spínajícím

17

vázanČ obvody pro oba smČry, tj. pro spouštČní nebo zdvihání skla. Krajní polohy jistí buć jednoduché koncové kontaktní spínaþe nebo jsou jištČny elektronicky podle velikosti síly pĤsobící v mechanismu. Nejdokonalejší používané systémy ovládání oken jsou propojeny i se systémem centrálního ovládání zámkĤ tak, že po opuštČní vozidla a jeho dálkovém uzamknutí se zajistí všechny zámky a podle pĜedvolby i uzavĜou okna. Motor stahování oken pracuje podobnČ jako motor stČraþe popsaný výše. Na kontakty motoru se pĜivede napČtí 12V z napájecího okruhu automobilu, které je dále pĜivedeno na kovové kartáþe (obr.3.2.1.), které doléhají pĜímo na komutátor (obr.3.2.2.).

Obr. 3.2.1. – Kartáþe doléhající na komutátor motoru stahování oken

Motor se roztoþí na 3 – 4 tis. otáþek za minutu (záleží na typu motoru). PĜevod šnekové pĜevodovky bývá 1:56-62. PĜi použití vzorce N=

n , i

(3.2.1)

kde N oznaþuje poþet otáþek výstupní hĜídele, n poþet otáþek motoru a i redukci šnekové pĜevodovky, zjistíme, že se výstupní hĜídel mĤže otáþet rychlostí 53 – 60 otáþek za minutu.

Obr. 3.2.2. – Komutátor na rotoru stahovacího mechanismu okýnek

18

3.3. Mechanismy ovládání oken ZpĤsobĤ elektromechanického ovládání spouštČcích skel dveĜí nebo boþních oken u osobních a užitkových automobilĤ je nČkolik. NejrozšíĜenČjší jsou mechanismy s ozubeným a pákovým pĜevodem, mechanismy s kladkovým pĜevodem a lankem, a mechanismus s þlánkovou vzpČrou.

3.3.1. Mechanismus s ozubeným a pákovým pĜevodem Na obr. 3.3.1.1. vidíme mechanismus, který patĜí mezi nejstarší provedení a v dnešní dobČ se témČĜ nepoužívá. Na hĜídeli elektromotorku je šnekové kolo, které pĜímo zabírá do ozubeného segmentu. Úhlový, kývavý pohyb je pĜevádČn pákovým mechanismem pĜímo na vodící kolejniþku skla.

Obr. 3.3.1.1. – Mechanismus s ozubeným a pákovým pĜevodem [10] 1 – elektromotor 2 – lišta skla 4 – pákový mechanismus

3.3.2. Mechanismus s kladkovým pĜevodem a lankem Na obr. 3.3.2.1. vidíme mechanismus, u kterého pohání elektromotorek s pĜevodem hnací váleþek lankového mechanismu. PĜímoþarého vratného pohybu lanka v jeho urþité délce, který je využit k pohybu skla okna, dosáhneme odvíjením a navíjením lanka na váleþek. Kolejniþka skla je vedena unášeþem.

19

Obr. 3.3.2.1. – Mechanismus s kladkovým pĜevodem a lankem [10] 1 – elektromotor 2 – lišta skla 3 – pákový mechanismus 5 – lanko

3.3.3. Mechanismus s þlánkovou vzpČrou Poslední systém, tzv. mechanismus s þlánkovou vzpČrou (obr.3.3.3.1), tvoĜí ohebná þlánková tyþ, která je schopná pĜenášet síly tahu i tlaku. Je ovládána elektromotorkem s pĜevodem, jehož pastorek zapadá do ozubeného hĜebene konce tyþe. Tento mechanismus se ale používá zĜídka.

Obr. 3.3.3.1. – Mechanismus s þlánkovou vzpČrou [10] 1 – elektromotor 2 – lišta skla 3 – pákový mechanismus 6 – þlánková vzpČra

20

4

Ventilátor

4.1. VČtrací systém v automobilu Ventilátor je základním prvkem vČtracího systému v automobilu. Úkolem vČtracího systému v automobilu (obr. 4.1.1.) je zajistit cirkulaci vzduchu v kabinČ, tzn. pĜívod þerstvého vzduchu a odvod vzduchu nežádoucího. Dále tento systém slouží k odstranČní nadmČrné vlhkosti nebo odvodu rĤzných škodlivých plynĤ a pachĤ, které se do kabiny dostanou z vnČjšího prostĜedí. VýmČna vzduchu mezi kabinou a vnČjším prostĜedím by mČla být uskuteþnČna bez vzniku prĤvanu a vČtrací systém by mČl zamezit vniku rĤzných neþistot, prachĤ a pylĤ do kabiny vozidla. PĜívod vzduchu dovnitĜ kabiny mĤže být pĜirozený nebo ho zajišĢuje ventilátor. PĜirozený pĜívod vzduchu vzniká na základČ pohybu automobilu. Pokud není rychlost automobilu postaþující k cirkulaci vzduchu v kabinČ, je nutno využít ventilátor.

Obr. 4.1.1. – VČtrací systém v automobilu s klimatizací

1 – vzduchový filtr 2 – klapka pro vnitĜní obČh vzduchu 3 – ventilátor 4 – výmČník tepla 5 – regulaþní klapka

6 – klapka pro rozvod vzduchu 7 – vyústČní (þelní sklo) 8 – vyústČní (hlava Ĝidiþe) 9 – vyústČní (nohy posádky) 10 – potrubí pro rozvod vzduchu

21

11 – chladící kapalina 12 – ovládací panel 13 – výparník (klimatizace)

VČtrací systém v automobilu slouží hlavnČ k pohodlí cestujících. Veškerý vzduch, který vstupuje do kabiny automobilu z okolního prostĜedí nebo cirkuluje ve vnitĜním okruhu, prochází pĜes prachový filtr, dále pokraþuje pĜes výmČník tepla, kde se v pĜípadČ zapnutého vytápČní ohĜeje a nakonec prochází systémem rozvodu vzduchu na požadované místo v kabinČ. Rozvod vzduchu (obr. 4.1.2.) je realizován systémem potrubí s klapkami a vyústkami. Posádka automobilu si mĤže na kontrolním panelu detailnČji nastavit intenzitu a místa v kabinČ, kam chce vzduch pĜivádČt. PĜi výbČru místa se nemusí jednat pouze o pĜívod vzduchu k nohám, hrudi a podobnČ, ale také napĜíklad navolení proudČní horkého vzduchu na þelní sklo za úþelem jeho odmlžení nebo odmražení. DodateþnČ si cestující mohou nastavit i konkrétní vyústČní.

Obr. 4.1.2. – Rozvod vzduchu v kabinČ automobilu

4.2. Motor ventilátoru Motor ventilátoru pracuje podobnČ jako motor stČraþe a motor stahování oken na principu stejnosmČrného komutátorového motoru. Napájení motoru je znázornČno na obr. 4.2.1. Napájecí proud je pĜiveden pĜes cívky na kartáþe motoru, které doléhají na komutátor a motor roztáþí. Statorové pouzdro je tvoĜeno dvČma magnetovými plechy, které obklopují vinutí rotoru. HĜídel rotoru je uložena do kluzného ložiskového pouzdra. Toto pouzdro je

22

pĜipevnČno na kovové pouzdro motoru. Na rotoru ventilátoru je 12 vinutí, která jsou upevnČna na komutátor.

Obr. 4.2.1. - Schéma zapojení ventilátoru

Velikost proudu, který teþe do motoru ventilátoru je dána pĜepínaþem. PĜepínaþ má þtyĜi rychlosti. Pokud je spínaþ v poloze 1, proud prochází pĜes sérii tĜí pĜedĜadných odporĤ. Pokud je spínaþ v poloze 2, prochází proud pĜes sérii dvou pĜedĜadných odporĤ a v poloze 3 již jen pĜes jeden odpor. Dále prochází tepelnou pojistkou až na kontakty ventilátoru. Pokud je spínaþ v poloze 4, proud prochází pĜímo na kontakty motoru. Ventilátor je chránČn proudovou

23

pojistkou. Na obr. 4.2.2. je znázornČno tČleso s uloženými pĜedĜadnými odpory a tepelnou pojistkou.

Obr. 4.2.2. – TČleso s uloženými pĜedĜadnými odpory a tepelnou pojistkou 1 – pĜedĜadné odpory pro spínací stupnČ 1,2 a 3 2 – tepelná pojistka

24

5

Startér motoru v automobilu

5.1. Problematika spuštČní automobilu Jednou z nevýhod spalovacích motorĤ je, že potĜebují vnČjší mechanickou energii k tomu, aby byly uvedeny do chodu. Pro spuštČní motoru je zapotĜebí splnit urþité podmínky s ohledem na tlak a teplotu ve válcích, pĜípravu palivové smČsi atd. Toho však není možno dosáhnout, pokud je motor v klidu. Motor musí být roztoþen na takovou rychlost otáþení, pĜi které probíhá spalovací proces tak, aby staþil mechanickým výkonem nejen pĜekonávat všechny odpory motoru, ale souþasnČ ho i urychlovat. SpouštČcí zaĜízení musí být schopno pĜekonat všechny síly pĤsobící proti otáþení motoru a souþasnČ musí umožnit jeho roztoþení na urþitou minimální rychlost.

5.2. Motor startéru Startér (obr. 5.2.1.), þesky také spouštČþ, je celkem jednoduchý sériový motor. StejnČ jako u motoru stČraþe, motoru stahování okna a ventilátoru, se jedná o komutátorový motor. Z mechanického hlediska jsou však na tento motor kladeny vysoké, þasto i protichĤdné požadavky. V klidu musí být pastorek bezpeþnČ zajištČn mimo zábČr s ozubeným vČncem setrvaþníku. PĜi zasouvání do zábČru musí být zajištČno, aby se zasunutí podaĜilo i tehdy, pĜijde-li zub pastorku proti zubu vČnce. Dokud pastorek není v dostateþném zábČru, nesmí být kroutící moment spouštČþe tak velký, aby došlo k poškození zubĤ. V plném zábČru musí být mechanismus schopen pĜenést celý toþivý moment, pĜitom však musí být chránČn pĜed zatížením pĜi zpČtném zážehu. Pastorek musí zĤstat v zábČru, dokud Ĝidiþ spojení nezruší nebo dokud motor spolehlivČ nepracuje. Je-li ozubení v zábČru a rozbČhne-li se motor, musí se spojení ozubení s motorem spouštČþe samoþinnČ uvolnit. PĜestane-li Ĝidiþ pĤsobit na ovládací ústrojí, musí se spouštČcí obvod rozpojit, pastorek se musí vrátit do klidové polohy a co nejdĜíve zastavit, aby spouštČþ byl pĜipraven pro další použití. Nejmenší pĜípustný výkon spouštČþe je urþen nejnižší rychlostí otáþení a momentem nutným k toþení motoru touto rychlostí pĜi nejnižší pĜedpokládané teplotČ. Nejnižší pĜedpokládanou teplotou je teplota, pĜi níž dojde ve válci k zapalování palivové smČsi. U osobních automobilĤ je tato nejnižší teplota – 28°C. V tomto pĜípadČ musí být moment spouštČþe pĜi roztáþení a zábČru vždy vyšší než moment odporu motoru. Je známo, že moment zábČrového momentu je až dvojnásobný oproti momentu pĜi roztáþení. Dalším

25

požadavkem na tento motor je dlouhá životnost spouštČþe. Pro osobní automobily se minimální doba života udává až 45 tis. spuštČní.

Obr. 5.2.1. – Startér s elektromagnetickým vysouváním pastorku 1 - pouzdro statoru

10 - pĜítlaþná pružina

19 - pastorek

2 - pólový nástavec

11 - komutátorové víko

20 - jádro elektromagnetu

3 - statorové vinutí

12 - bĜemenové víko

21 - svorník

4 - rotor (kotva)

13 - zasouvací páka

22 - vratná pružina

5 - vinutí rotoru

14 - zasouvací objímka

23 - vtahovací vinutí

6 - komutátor

15 - zasouvací pouzdro (unašeþ)

24 - pĜidržovací vinutí

7 - hĜídel rotoru

16 - zasouvací pružina

25 - kontaktní mĤstek

8 - držák kartáþĤ

17 - brzdová pĜíruba mĤstku

26 - pružina kontaktního mĤstku

9 - kartáþ

18 - volnobČžka

27 - svorník s kontaktem

Pouzdro statoru je vyrobeno z bezešvé ocelové trubky, na kterou jsou zevnitĜ pĜipevnČny šrouby pólové nástavce z magneticky mČkkého materiálu. Na pólových nástavcích je upevnČno statorové vinutí. Dnes se používá výhradnČ þtyĜpólové zapojení (obr. 5.2.2). Na každém

26

pólovém nástavci je navinuto nČkolik závitĤ plochého mČdČného vodiþe (tvoĜí vinutí) znaþného prĤĜezu a to z dĤvodu velkého tekoucího proudu. Na konce vinutí jsou pĜipojeny kartáþe.

Obr. 5.2.2. – ýtyĜpólový stator startéru [10]

Rotor je složen z plechĤ z kĜemíkové oceli. Ty jsou od sebe vzájemnČ odizolovány (obvykle lakem) z dĤvodu omezení vzniku víĜivých proudĤ. V rotoru jsou vyryty drážky, v kterých je uloženo vinutí. Konce vinutí jsou pĜipojeny k lamelám komutátoru. HĜídel rotoru je uložen v samomazných ložiskách, která jsou umístČna ve víkách. Na hĜídeli je uložen komutátor. Lamely komutátoru jsou vyrobeny z mČdi a vzájemnČ odizolovány mikanitem nebo plastem. Na lamely jsou pĜipojeny vinutí jednotlivých cívek a na jejich plošky doléhají kartáþe, kterými se pĜivádí pĜes komutátor na rotor proud. Na komutátoru jsou obvykle þtyĜi kartáþe (obr. 5.2.3.), které jsou vzájemnČ posunuty o 90°. Používají se výhradnČ grafitové kartáþe, do nich je ještČ pĜidán mČdČný nebo bronzový prášek z dĤvodu zvýšení elektrické a tepelné vodivosti. Tím se však znaþnČ zvyšuje tĜení mezi kartáþi a lamelami.

Obr. 5.2.3. – Zapojení kartáþĤ motoru startéru [10]

27

5.3. Druhy startérĤ Startéry rozdČlujeme z konstrukþního hlediska podle toho, jak se zasunuje pastorek do zábČhu s ozubeným vČncem na setrvaþníku. Dnes se nejþastČji používá typ startéru s výsuvným pastorkem (obr. 5.3.1.1.), v menší míĜe pak startér s výsuvnou kotvou (obr.5.3.2.1). Existuje také typ startéru se systémem Bendix, ten se však používá zcela výjimeþnČ.

5.3.1. Startér s výsuvným pastorkem Pomocí dvouramenné páky se nejprve zasune pastorek do zábČru a teprve pak se zapne proud. Pro vytvoĜení zasouvací síly se používá elektromagnet s posuvným jádrem. S jádrem je spojen svorník, na jehož jeden konec pĤsobí zasouvací páka, na druhém konci je umístČn kontaktní mĤstek. Kontaktní mĤstek bývá na svorníku uložen posuvnČ a je odpružen pružinou, což zaruþuje konstantní tlak mezi mĤstkem a kontakty.

Obr. 5.3.1.1. – Startér s výsuvnou kotvou [10] 1 – pastorek

7 – zasouvací objímka

13 – pĜidržovací vinutí

2 – ozubený vČnec

8 – hĜídel startéru

14 – kontaktní mĤstek

3 – volnobČžka

9 – svorník

15 – svorník s kontaktem

4 – zasouvací páka

10 – jádro elektromagnetu

16 – rotor (kotva)

5 – zasouvací pružina

11 – vratná pružina

6 – zasouvací pouzdro

12 – vtahovací vinutí

28

Po sepnutí spínaþe startéru zasouvací relé pĜenese pohyb na zasouvací páku ( 4 ), která se bude pootáþet ve smyslu chodu hodinových ruþiþek. Spodní konec zasouvací páky bude posunovat prostĜednictvím zasouvací pružiny ( 5 ) zasouvacím pouzdrem ( 6 ) a tedy i volnobČžkou ( 3 ) a pastorkem ( 1 ) smČrem k ozubenému vČnci ( 2 ). Zasouvací pouzdro je uloženo na rovných nebo velmi strmých šroubových drážkách. Použití šroubových drážek je vhodné zejména pro menší startéry. V okamžiku, kdy se pastorek

zasune na zaþátku do mezer mezi zuby

ozubeného vČnce a hĜídel startéru ( 8 ) se otáþí, je pastorek vtažen do plného zábČru vlivem šroubových drážek, aniž je zasouvací pouzdro posunováno zasouvací pákou. Aby se usnadnilo zasunutí pastorku, jsou na þelní ploše jeho zuby i zuby ozubeného vČnce sraženy. Zasouvací elektromagnet má dvČ vinutí, vtahovací a pĜidržovací, jejichž magnetická pole se sþítají. Po sepnutí spínaþe startéru proud z akumulátoru prochází obČma vinutími a vtahuje jádro do elektromagnetu. V okamžiku, kdy se sepnou kontakty, je pĜivedeno do startéru plné palubní napČtí a startér se roztoþí. PonČvadž pro udržení pastorku v zasunuté poloze staþí menší síla, pĜemostí kontakty souþasnČ vtahovací vinutí a vyĜadí ho z þinnosti. V pĜípadČ, že zuby pastorku narazí na zuby ozubeného vČnce, posuv pastorku se zastaví. Zasouvací páka se však bude pootáþet dále a bude stlaþovat zasouvací pružinu. Po urþité dobČ spojí kontaktní mĤstek kontakty, rotor se zaþne otáþet a v okamžiku, kdy se zuby pastorku octnou proti zubovým mezerám na ozubeném vČnci, zasune pružina pastorek do zábČru. V okamžiku, kdy se rozpojí spínaþ startéru, je pĜerušen pĜívod proudu, magnetické pole tvoĜené obČma vinutími zanikne a vratná pružina zaþne pootáþet zasouvací pákou proti smyslu pohybu hodinových ruþiþek. VolnobČžka zabrání pĜenosu otáþivého pohybu z motoru na startér. VolnobČžka s pastorkem se bude pohybovat smČrem do výchozí polohy. Aby se po návratu pastorku do výchozí polohy kotva startéru co nejrychleji zastavila, je volnobČžka opatĜena brzdovou pĜírubou. SouþasnČ se vrátí do základní polohy i kontaktní mĤstek, kontakty se rozpojí, a pĜívod proudu do startéru se tak pĜeruší.

5.3.2. Startér s výsuvnou kotvou U startérĤ s výsuvnou kotvou (obr. 5.3.2.1) je zasouvání pastorku Ĝešeno tak, že se pastorek mĤže otáþet kolem hĜídele spouštČþe, se kterým je spojen volnobČžnou spojkou, ale v axiálním smČru není oproti kotvČ pohyblivý. Zasouvání pastorku do ozubení setrvaþníku se dČje spolu s axiálním pohybem celé kotvy

29

Obr. 5.3.2.1. – Startér s výsuvnou kotvou [12]

Startér má mimo hlavní sériové vinutí (V1) ještČ dvČ budicí vinutí pomocná a to sériové vinutí (V2) a paralelní (V3). SpouštČní je dvoustupĖové. V prvním stupni, po sepnutí tlaþítka T, vtáhne elektromagnet ( 2 ) své jádro a spínací mĤstek ( 10 ) spojí kontakt Kl. Sepnutí kontaktu K2 brání páka ( 9 ), držená západkou ( 6 ). Kontakt K1 pĜipojí obČ pomocná vinutí V2 a V3. Slabé magnetické pole vtahuje kotvu ( 3 ), která se pomalu otáþí, do statoru ( 4 ). Pastorek ( 1 ) se jemnČ zasune do ozubení setrvaþníku. Jakmile se pastorek témČĜ zasune, uvolní kroužek ( 5 ) západku ( 6 ) a spojí se i kontakt K2. Nastává druhá fáze spouštČní. Kontakt K2 pĜipojí hlavní budicí vinutí (V1) a spouštČþ vyvíjí plný zábČrový moment. Typickým znakem tČchto spouštČþĤ je dlouhý komutátor. Musí být o celou délku posunu kotvy delší než by byl u obyþejného elektromotoru. PĜes výhodné pracovní vlastnosti není soustava s posuvnou kotvou tak rozšíĜená. Její hlavní nevýhodou je velká hmotnost posuvné þásti. Stojí-li vĤz na svahu a tíha rotoru pĤsobí proti pohybu pastorku do zábČru, mĤže dojít k potížím pĜi zasouvání do ozubení, a naopak je nutné zajistit, aby pĜi provozních otĜesech a zrychleních nedocházelo k úderĤm pastorku do toþícího se setrvaþníku.

5.3.3. Startér se systémem Bendix K zasunutí pastorku do zábČru u startérĤ systému Bendix (obr. 5.3.3.1) se využívá setrvaþnosti samotného pastorku. Pastorek ( 1 ) má na vnitĜním prĤmČru plochý nebo 30

lichobČžníkový závit a v rozmezí dvou dorazĤ je lehce pohyblivý po šroubovém závitu pouzdra ( 2 ) pohánČného spouštČcím motorem pomocí unášeþe ( 3 ), který tlumí nárazy. PĜi zapojení proudu do spouštČcího motoru se neurychlí pastorek, pohyblivý volnČ na šroubovici tak rychle, jako rotor spouštČþe, a pohybuje se po závitu pouzdra smČrem do zábČru s ozubeným vČncem setrvaþníku. PĜijde-li zub do mezery, pohybuje se pastorek po šroubu ve smČru osy až na doraz a spouštČþ zaþne otáþet motorem. Dosedne-li zub na zub, nemĤže se pastorek pohybovat ve smČru osy a je stržen šroubovicí ze zubu do mezery. Protože v okamžiku, v nČmž se pastorek posune do plného zábČru na doraz, otáþí se rotor spouštČþe již znaþnou rychlostí, snižuje se náraz pružinou nebo lamelovou spojkou.

Obr. 5.3.3.1. – Systém Bendix [12]

Jakmile se spouštČný motor rozebČhne a pastorek se otáþí rychleji než rotor spouštČþe, vyšroubuje se ze zábČru s vČncem a setrvaþností dobČhne až na klidový doraz pouzdra. Kdysi to byl vĤbec nejrozšíĜenČjší základní typ, vyrábČný v mnoha konstrukþních obmČnách a velmi dlouho se udržel, protože byl jednoduchý a finanþnČ nenároþný. V jednoduchém provedení mČl nČkolik nevýhodných vlastností, jako samovolné vybíhání ze zábČru pĜi pĜechodných zrychleních motoru, vČtší poškozování zubĤ, možnost zpĜíþení pĜi dosedu zubu na zub, poruchovost tlumicích pružin apod. V propracovanČjších provedeních ztrácel svou hlavní výhodu tj. jednoduchost, a proto se postupnČ nahrazoval konstrukcemi s posuvným pastorkem.

31

32

6

Ztráty, poruchy a chyby

6.1. Ztráty ve stejnosmČrných motorech PĜipojíme-li jakýkoliv motorek ke zdroji elektrické energie, poþne vykonávat nČjakou práci. U elektrických motorĤ v automobilu se jedná o rotaþní pohyb rotoru, na kterém mĤžeme pomocí vhodných pĜístrojĤ zmČĜit výstupní výkon stroje. Výstupní výkon je nižší než vstupní pĜíkon. Rozdíl tČchto dvou hodnot se dá oznaþit jako suma ztrát v konkrétním elektrickém stroji. Ztráty jsou negativním elektrotechnickým projevem – þím vČtší máme na stroji ztráty, tím je nižší výsledná úþinnost. Zde by mohl být i jistý smČr inovace motorku zamČĜený na snížení ztrát a tím zvýšení jeho úþinnosti. U popisovaných motorĤ se jedná o stejnosmČrné stroje buzené permanentními magnety na statoru, z þehož nám vyplývá, že majoritní ztráty vznikají v rotoru (obr. 6.1.1). Blíže se dají tyto rotorové ztráty dČlit na ztráty v mČdi a ztráty v železe. Ztráty v mČdi vznikají v rotorovém mČdČném vinutí a jsou zpĤsobené vlastním odporem mČdi. PĜi prĤchodu pracovního proudu tímto vinutím vzniká teplo a to se vychlazuje do rotorových plechĤ. Možnost, jak snížit odpor vinutí, je volba jiného materiálu pro výrobu samotného vinutí. Lze použít stĜíbrné vodiþe. Je však naprosto jasné, že cena stĜíbrného vinutí by byla astronomická v porovnání se stávajícím mČdČným vinutím.

Obr. 6.1.1. – Rotor s vinutím motoru

33

PĜi pĤsobení stĜídavého magnetického pole dochází v magnetických materiálech vlivem neustálého pĜemagnetovávání ke ztrátČenergie. Ta je pĜíþinou zpoždČní vektoru magnetické indukce B za vektorem intenzity pĤsobícího magnetického pole H o ztrátový úhel δ  a je provázena ohĜevem látky. Celkové ztráty jsou tvoĜeny souþtem nČkolika druhĤ ztrát rĤzné fyzikální podstaty. Jde v podstatČo ztráty hysterezní Ph , ztráty víĜivými proudy Pv a ztráty magnetickým zpoždČním Pz [17]. Celkové ztráty jsou tedy P = Ph + Pv + Pz

(6.1.1)

Ztráty hysterezní jsou zpĤsobeny pochody pĜi zmČnách doménové struktury v magnetickém poli a jsou pĜímo úmČrné stupni deformace krystalické mĜížky daného feromagnetika [17]. Velikost tČchto ztrát je pĜímo úmČrná kmitoþtu f pĤsobícího magnetického pole a velikosti plochy statické hysterezní smyþky. Platí Ph = V ⋅ f ⋅ S hs ,

(6.1.2)

kde V je objem látky a S hs je plocha statické hysterezní smyþky. Hysterezní ztráty nejsou závislé na þasovém prĤbČhu magnetické indukce, prĤbČh však musí v každé pĤlperiodČ vykazovat jen jedno maximum nebo minimum [17].

Ztráty víĜivými proudy jsou zpĤsobeny prĤchodem indukovaných proudĤ feromagnetikem. VíĜivé proudy se indukují ve vodivém materiálu pĜi stĜídavém magnetování. Podle Lenzova zákona [13] pĤsobí proti stĜídavému magnetickému toku, který byl pĜíþinou jejich vzniku. Velikost tČchto ztrát je znaþnČ ovlivnČna tloušĢkou feromagnetika a jeho rezistivitou (mČrným elektrickým odporem). Ztráty víĜivými proudy jsou úmČrné rozdílu plochy dynamické a statické hysterezní smyþky. Platí Pv = V ⋅ f ⋅ ( S hd − S hs ) ,

(6.1.3)

kde S hd je plocha dynamické hysterezní smyþky. Ztráty víĜivými proudy jsou závislé na þasovém prĤbČhu magnetické indukce.

34

Ztráty magnetickým zpoždČním jsou zpĤsobeny difúzními pochody v krystalické mĜížce. Jsou hlavní složkou ztrát u magneticky mČkkých feritĤ v oblasti nízkých intenzit magnetického pole. U feritĤ se jedná o difúzi elektronĤ, která vzniká pĜesuny elektronĤ mezi ionty krystalické mĜížky. Elektrony se pĜi pĜesunech snaží sledovat zmČnu magnetického po1e. Zvýší-li se kmitoþet nad mez, kdy elektrony nestaþí sledovat zmČny magnetování, dojde k utlumení magnetizaþních pochodĤ a podstatnému vzrĤstu ztrát. Protože difúzní pochody jsou závislé na teplotČ, mČní se kritický kmitoþet s teplotou. [17]

6.2. Ložiska motorkĤ stČraþe a stahování oken U stejnosmČrných motorĤ, které najdeme v automobilu, se dnes pĜevážnČ využívá k uložení rotoru kluzné pouzdro neboli kluzné ložisko, které vidíme na obr.6.2.1. uvnitĜ statoru stČraþového motoru. V pĜevážné vČtšinČ se jedná o pouzdra bronzová. Kluzná ložiska mají podobnČ jako valivá za úkol navzájem podpírat pohyblivé díly nebo je vést. PĜitom musí zachycovat vznikající síly a pĜenášet je. Zatímco u valivých ložisek jsou prvky uložení navzájem oddČleny rotujícími díly (valivými tČlesy), u kluzných ložisek se pohyblivý díl pohybuje po kluzné ploše pevnČ stojícího ložiskového pouzdra, ložiskové pánvi nebo po kluzném pásu (vČtšinou po hĜídeli), þepu nebo po lištČ. Kluzný pohyb obvykle probíhá pĜímo mezi kluznou vrstvou tČlesa ložiska a uloženým dílem. Mazání se zajišĢuje uloženými mazivy nebo pomocí pevné vrstvy nanesené na opČrném tČlesu. PĜi radiálním pohybu zajišĢuje pohyblivost dílĤspojených kluzným ložiskem vĤle ložiska mezi hĜídelí a kluznou vrstvou.

Obr. 6.2.1. - Kluzné ložisko uložené ve statoru stČraþového motoru

35

Dnešní moderní valivá ložiska mají menší tĜecí ztráty, neboĢjsou složena ze dvou dopravních kroužkĤ ložiska s integrovanými valivými drahami. Mezi kroužky jsou uspoĜádána valivá tČlesa, která se odvalují po valivých dráhách. Jako valivé tČleso se používají kuliþky, cylindrické, jehlové, kuželíkové a soudeþkové váleþky. Klec vede zpravidla valivá tČlesa, pĜidržuje je ve stejnomČrné vzájemné vzdálenosti a brání, aby se navzájem dotýkaly. U jehlových ložisek a bezokrajových naklápČcích ložisek zajišĢuje klec navíc správnou polohu osy valivého tČlesa. Jestliže lze ložiska demontovat, klec pĜidržuje valivá tČlesa pohromadČa usnadĖuje tak montáž ložisek. Další výhoda valivých ložisek spoþívá ve vymezení axiální vĤle rotoru. Pokud valivé ložisko nalisujeme na rotor a uchytíme do vík statoru nebo do skĜínČšnekového pĜevodu, zamezíme tak axiálnímu pohybu rotoru a tím vymezíme jeho vĤli. V tomto pĜípadČse jeví jako ideální použít radiální kuliþkové ložisko (obr. 6.2.2.).

Obr. 6.2.2. - Kuliþkové ložisko [14]

6.3. Poruchy stejnosmČrných motorĤ v automobilu Dojde-li k poškození ložiska ve statorovém pouzdĜe motoru nebo nedochází-li k dostateþnému promazání kluzných ploch, mĤže dojít k pĜidĜení motoru a tím ke zvýšení stĜední hodnoty proudu a zvýšení amplitudy frekvence ve frekvenþním spektru. Zvýšením proudu dochází k vČtším ztrátám a tím i k pĜehĜívání vinutí a následnČ celého motoru.

6.3.1. Závady stČraþového motoru ýastou závadou stČraþového motoru je vznik koroze na hĜídeli rotoru (obr. 6.3.1.1), která vzniká vlivem nedostateþného utČsnČní motoru a zateþením vody (pĜedevším u zadního stČraþe automobilu). Koroze zatíží pohyb motoru, zvýší se odpor v dĤsledku vyššího tĜení a tím také stĜední hodnota proudu. Tato porucha zamezí plynulému pohybu ramene stČraþe, popĜ. až k úplnému zaseknutí motoru a jeho zniþení. PĜi prvním podezĜení, že je motorek

36

pĜidírán (poznáme z pohybu stČraþe), by se mČl motor rozebrat a kartáþem odstranit vzniklou korozi z hĜídele, dostateþnČ promazat mazivem, popĜ. vymČnit tČsnící gumu statoru.

Obr. 6.3.1.1. - HĜídel rotoru stČraþového motoru

6.3.2. Závady motoru stahování oken U motoru stahování oken dochází k nejþastČjší závadČ u výstupní pĜevodovky motoru (obr.6.3.2.1). VnitĜní pĜevodovka motorku pracuje na principu šnekového pĜevodu, kdy se výstupní hĜídelka pohybuje urþitou rychlostí (záleží na velikosti koleþka šnekového pĜevodu a délce závitu rotorové hĜídele). Na výstupní hĜídelku je nalisováno plastové ozubené kolo. PĜi vČtším zatížení motoru (v dĤsledku tlaku na sklo nebo v zimČ pĜi zamrznutí vody na skle) dochází k takovému zatížení zubĤ plastového kola, že zuby nevydrží a omelou se. Tato závada se špatnČ opravuje, jelikož náhradní díly na tyto motorky se bČžnČ neprodávají a ve vČtšinČ pĜípadĤ se motor mČní kompletní. K podobné poruše mĤže dojít i u stČraþového motoru, je-li zátČž na ramena stČraþĤ pĜíliš velká (pĜi zamrznutí snČhu na skle).

Obr. 6.3.2.1. - Ozubené kolo upevnČné na výstupní hĜídeli motoru stahování oken

37

6.3.3. Závady motoru ventilátoru U motoru ventilátoru k þastým poruchám nedochází. Jediným problémem mĤže být opálení kartáþĤ (þasto uhlíkĤ), které slouží v motoru k pohyblivému propojení statorových a rotorových vinutí motoru (viz kapitola Princip þinnosti stejnosmČrného stroje). Tato porucha je avizována jiskĜením kartáþĤ. S jiskĜením se projeví menší výkon a zvýšené zahĜívaní motoru. Pokud není závada brzy opravena, kartáþe se zaþnou opalovat a jejich životnost se zkracuje. Tato porucha mĤže nastat u všech typĤ motorĤ popisovaných v kapitolách 2. a 3. K þastým poruchám však dochází u spouštČní ventilátoru. Chyby mohou být rĤzné, nejþastČji je to však pĜerušení tepelné pojistky nebo závada pĜepínaþe rychlostí ventilátoru, kdy se výkon ventilátoru reguluje odpory zaĜazenými do série a þasto dochází ke zniþení nČkterého z odporĤ. DĤsledkem toho je, že ventilátor bČží pouze na nČkteré rychlosti. Další závadou, která mĤže nastat u všech druhĤ motorkĤ v automobilu, je porušení pĜívodních kabelĤ k motorĤm. DĤvodem mĤže být pĜehĜátí kabelĤ. PĜíþinou je velký tekoucí proud kabelem (pĜidĜení motoru, velký odpor v dĤsledku koroze, poškozené ložisko). Dalším dĤvodem je mechanické namožení a narušení kabelu – pĜiskĜípnutí nebo narušení izolace kabelu plastovým krytem pĜi výrobČ automobilu nebo pĜi opravČ. Tyto pĜípady jsou ovšem ojedinČlé.

38

7

UspoĜádání mČĜicího pracovištČ

7.1. MČĜicí pracovištČ Na obrázku 7.1.1. vidíme schématické zapojení mČĜicího pracovištČ. Na výstupní hĜídel mČĜeného motoru je zasunut senzor momentu, jehož výstup se zobrazuje na multimetru. Dále je na hĜídel upevnČn brzdový systém ovládaný pákou, na kterou je umisĢováno závaží. MČĜený motor je napájen ze zdroje napČtí (podle mČĜeného motoru buć stabilizovaný zdroj MN nebo generátor DIAMETRAL). Na pĜívodní vodiþe motoru je umístČna proudová sonda, která je spojena s osciloskopem. Osciloskop je spojen s pracovním poþítaþem pomocí ethernetového kabelu.

Obr. 7.1.1. – Schématické zapojení mČĜicího pracovištČ

39

7.2. MČĜicí pĜístroje 1. Proudová sonda TEKTRONIX TCP0030 - 2 proudové rozsahy: M 1 = 5 A , M 2 = 30 A - Maximální frekvence: 120 MHz - ZpoždČní: 2,92 ns - TĜída pĜesnosti – TP = 1%

Výpoþet nejistoty mČĜení u BI :

u BI1

u BI2

TP 1 ⋅ M1 ⋅5 100 100 = = = 0,02887 A 3 3 TP 1 ⋅ M2 ⋅ 30 = 100 = 100 = 0,17321A 3 3

Výpoþet standardní nejistoty typu B

uB = uBI ⋅ kr V našem pĜípadČ je koeficient rozšíĜení k r = 2 u B1 = u BI1 ⋅ k r = 0,02887 ⋅ 2 = 0,05774 A u B2 = u BI 2 ⋅ k r = 0,17321 ⋅ 2 = 0,34642 A

PĜi mČĜení proudu pĜi rozsahu M 1 = 5 A byla nejistota mČĜení u B1 = 0,05774 A . Proudový rozsah M 1 byl použit pĜi mČĜení stahování oken pro zatížení momentem 0 až 5 Nm, pro ostatní odmČry byl použit proudový rozsah M 2 . PĜi mČĜení proudu pĜi rozsahu M 2 = 30 A byla nejistota mČĜení u B 2 = 0,34642 A

2. Osciloskop TEKTRONIX MSO 4034 - mČĜení v kmitoþtovém pásmu 350 MHz - 4 kanály analogové - max. rychlost vzorkování 5 GS/s

40

3. Stabilizovaný zdroj MN 40V – 40A - proudový rozsah 0 – 40 A - napČĢový rozsah 0 – 40 V

4. Generátor DIAMETRAL V130R50D - proudový rozsah 0 – 10 A - napČĢový rozsah 0 – 30 V

5. Snímaþ kroutícího momentu 8645 - mČĜicí rozsah M = 175Nm - výstupní rozsah 1,5 – 3,5 V - teplotní rozsah 0 až +70 °C - tĜída pĜesnosti TP = 1%

Výpoþet nejistoty mČĜení u BS

TP ⋅M 100 = = 1,010363Nm 3

6. Multimetr Agilent 34401A (pro mČĜení stejnosmČrného napČtí/momentu) - mČĜicí rozsah - 1 V - vstupní odpor - volitelnČ 10 Mȍ nebo > 10 Gȍ - dlouhodobá pĜesnost pro rozsah M = 1V : - pĜesnost z údaje δ1 = 0,004% - pĜesnost z rozsahu δ 2 = 0,0007% - nejnižší hodnota na voltmetru X 1 = 0,0404V - nejvyšší hodnota na voltmetru X 2 = 0,1818V - pĜevod momentu na napČtí - k = 10,10

mV Nm

Výpoþet nejistot mČĜení u B :

δ1 u BU 1 = 100

⋅ X1 3

δ2 + 100

⋅M 3

0,004 0,0007 ⋅ 0,0404 ⋅1 100 100 = + = 4,974 ⋅10−6V = 4,974 ⋅ 10−3 mV 3 3

41

δ1 u BU 2 = 100

u BM 1 = u BM 2

⋅ X2 3

δ2 + 100

⋅M 3

0,004 0,0007 ⋅ 0,1818 ⋅1 100 100 = + = 8,239 ⋅10−6 V = 8,239 ⋅ 10−3 mV 3 3

u BU 1 4,974 ⋅10−3 = = 4,925 ⋅10−4 Nm k 10,10

u BU 2 8,239 ⋅10−3 = = = 8,1574 ⋅ 10−4 Nm k 10,10

Výpoþet standardní nejistoty soustavy (senzor zatČžovacího momentu, multimetr) u BX 1 = u BS + u BM 1 = 1,010363 2 + (4,925 ⋅ 10 −4 ) 2 = 1,010363 Nm 2

2

u BX 2 = u BS + u BM 2 = 1,010363 2 + (8,1574 ⋅10 −4 ) 2 = 1,010363 Nm 2

2

Z výpoþtu je patrné, že standardní nejistota se odvíjí pĜedevším od standardní nejistoty senzoru zatČžovacího momentu. Výpoþet standardní nejistoty typu B soustavy (senzor zatČžovacího momentu, multimetr):

u B = k r ⋅ u BX V našem pĜípadČ je koeficient rozšíĜení k r = 2

u B = k r ⋅ u BX = 2 ⋅1,010363 = 2,020726 Nm Standardní nejistota typu B není optimální a to z dĤvodu zvolení nevhodného snímaþe kroutícího momentu.

7.3. MČĜené motory MČĜenými motory byly motor stahování oken, motor stČraþe a motor ventilátoru. U tČchto motorĤ bylo nejdĜíve provedeno mČĜení proudĤ pĜímo v automobilu. Dále byly motory stahování oken a stČraþe vyjmuty z automobilu a upevnČny na mČĜící pĜípravek. Motor ventilátoru byl mČĜen pĜímo ve ventilaþním ústrojí automobilu. Motor startéru mČĜen nebyl, jelikož je souþástí bloku motoru automobilu a pĜístup k nČmu je omezený.

42

7.3.1. Motor stahování oken Motor byl poĜízen pĜímo ze závodu Škoda Auto a.s. Mladá Boleslav. Je montován do typu Škoda Fabia II. Základní údaje motoru: Výrobce: ArvinMeritor LVS LIBEREC, a.s. Typ motoru: komutátorový motor se šnekovou pĜevodovkou (poþet zubĤ n = 56) NapČtí: 12V SS Proudový rozsah: 1 až 8 A Výkon: až 130W Poþet pólĤ vinutí: 10

7.3.2. Motor stČraþe Motor byl poĜízen pĜímo ze závodu Škoda Auto a.s. Mladá Boleslav. Je montován do typu Škoda Fabia II. Základní údaje motoru: Výrobce: Valeo Typ motoru: komutátorový motor se šnekovou pĜevodovkou (poþet zubĤ n = 62) NapČtí: 12V SS Proudový rozsah: 2 až 12A Výkon: až 150W Poþet pólĤ vinutí: 12

7.3.3. Motor ventilátoru Motor byl vyjmut z ventilaþního ústrojí automobilu typu Škoda Fabia I. Stejný typ motoru se používá ve verzi II. i v dalších modelech Škoda. Základní údaje motoru: Typ motoru: komutátorový motor bez pĜevodovky NapČtí: 12V SS Proudový rozsah: 3 až 24 A Výkon: až 300W Poþet pólĤ: 12

43

44

8

NamČĜené a zpracované signály

8.1. PrĤbČhy v jednotlivých motorech U každého z motorĤ byly mČĜeny a zaznamenávány prĤbČhy proudĤ, otáþky výstupní hĜídele motoru a moment zatížení motoru (zatížení bylo simulováno brzdícím systémem). Byla mČĜena stejnosmČrná i stĜídavá složka proudu pro rĤzná zatížení motoru. U každého stejnosmČrného prĤbČhu byla poþítána stĜední hodnota proudu dle vzorce IS =

1 t0 +T ⋅ ¦ i (t )dt T t0

(8.1.1.)

StĜední hodnota proudu I S je hodnota stejnosmČrného proudu I, kterým se pĜenese stejný elektrický náboj. Odpovídá výšce obdélníka se stejnou plochou, jakou má þasový prĤbČh proudu i(t) za jednu periodu [16].

Motor stahování oken byl upevnČn k mČĜicímu pĜípravku tak, že výstupní hĜídel motoru navazovala na hĜídel mČĜicího pĜípravku. Na tuto hĜídel byl upevnČn brzdový systém, který vytváĜel zátČžový moment. Motor byl zatČžován momentem 0 – 10 Nm. PĜi momentu 10 Nm se však motor vypínal z dĤvodu pĜetížení motoru. Šneková pĜevodovka motoru stahování oken je zatavena, proto nebylo možné zjistit pĜevod spoþítáním zubĤ. PĜevod jsme však spoþítali z prĤbČhĤ a tabulek níže – pĜevodovka pracuje s pĜevodem 1:68. Motor stČraþe byl upevnČn stejnČ jako motor stahování oken. PrĤbČhy proudĤ pro tento motor byly mČĜeny pro obČ rychlosti a motor byl zatČžován momentem 0 – 18 Nm. PĜi momentu 18 Nm se však motor zastavoval a docházelo k vysokému zahĜátí statorové þásti. Motor stČraþe pracuje se šnekovou pĜevodovkou s pĜevodem 1:62. Motor ventilátoru byl mČĜen pĜímo ve ventilaþním ústrojí automobilu ve tĜech polohách zavírací klapky a to pĜi zcela otevĜené klapce, pĜi pĜivĜené klapce a pĜi zcela uzavĜené klapce. Motor byl takto zmČĜen pro všechny 4 rychlosti motoru. Motor startéru mČĜen nebyl a to z dĤvodu nároþnosti upevnČní motoru k mČĜicímu pĜípravku a také z dĤvodu þasové nároþnosti celého mČĜení. Pro vykreslení napájecích proudĤ a spektrální analýzu byl použit Matlab software (verze 2008b, The MathWorks, Inc., Natick, MA, USA) [18].

45

8.2. PrĤbČhy v motoru stahování oken 8.2.1. PrĤbČh stejnosmČrného proudu v motoru stahování oken

Obr. 8.2.1.1. – PrĤbČhy stejnosmČrných proudĤ v motoru stahování oken pĜi rĤzných zatČžovacích momentech

46

PrĤbČh proudu motoru stahování oken naprázdno (obr. 8.2.1.1.a) ΔT = 0,867 s 1 = 1,153Hz ≈ 69,2 / min ΔT I S = 1,8331A fH =

Frekvence f H oznaþuje frekvenci otáþení výstupní hĜídele motoru. Stejným zpĤsobem byly vypoþítány hodnoty pro všechny zatČžovací momenty a zaznamenány v tabulce: Tabulka 8.2.1.1.: Tabulka hodnot získaných z dlouhých prĤbČhĤ proudu v motoru stahování oken Zatížení brzdy [kg]

-

0

0,5

1

1,5

0,0

4,0

5,0

6,3

8,2

Proud IS [A]

1,8331

3,3418

4,0797

5,3446

8,2339

Frekvence ot. výstupní hĜídele fH [Hz]

1,153

0,954

0,909

0,817

0,602

ZatČžovací moment M [Nm]

Obr. 8.2.1.2. – PrĤbČh proudĤ motoru stahování oken

Z krátkého prĤbČhu (obr. 8.2.1.2) stejnosmČrného proudu jsme urþili frekvenci pólĤ vinutí rotoru pro nulové a maximální zatížení motoru. Rotor stahování oken má poþet pólĤ n = 10.

47

t1−0 = 0,001219 s

t1−8, 2 = 0,001480s

t 2−0 = 0,002507 s

t 2−8, 2 = 0,003880s

T1 = t 2−0 − t1−0 = 0,001288s

T2 = t 2−8, 2 − t1−8, 2 = 0,002400s

f1 P =

1 = 776,4 Hz T1

f2P =

1 = 416,7 Hz T2

Frekvence f1 P a f 2 P oznaþují frekvenci pólĤ vinutí rotoru pro momenty zatížení 0 Nm a 8,2 Nm. Tabulka 8.2.1.2.: Tabulka hodnot získaných z krátkých prĤbČhĤ proudu v motoru stahování oken Zatížení brzdy [kg]

-

0

0,5

1

1,5

0,0

4,0

5,0

6,3

8,2

Proud IS [A]

1,8331

3,3418

4,0797

5,3446

8,2339

Frekvence pólĤ vinutí rotoru f P [Hz]

776,4

672,5

670,7

608,6

416,7

Frekvence rotoru f M [Hz]

77,6

67,3

67,1

60,9

41,7

Frekvence ot. výstupní hĜídele fH [Hz]

1,153

0,954

0,909

0,817

0,602

ZatČžovací moment M [Nm]

Obr. 8.2.1.3. – ZatČžovací charakteristika motoru stahování oken

Z tabulky 8.2.1.2. a grafu 8.2.1.3. vidíme, že proud I S s rostoucím zatČžovacím momentem M

roste témČĜ lineárnČ. Zatížením motoru jsme simulovali možný tlak na okno, pĜípadnČ

pĜivĜení þásti tČla v prostoru okna a sledovali rĤst proudu pĜi jednotlivých zatížení až k úplnému zastavení motoru. Tuto poruchu by bylo možné detekovat sledováním proudu v napájecím obvodu motoru a pĜi pĜekroþení proudu I = 8 A signalizovat poruchu na palubním poþítaþi, popĜ. vložit proudovou pojistku do napájení motoru a tím pĜedcházet pĜípadnému poškození motoru. U systému stahování oken vČtšinou k poškození motoru

48

samotného nedochází. ýastou poruchou je však strhnutí zubĤ na plastovém koleþku na výstupní hĜídeli motoru. Toho by se dalo vyvarovat výbČrem jiného materiálu na výrobu koleþka. V pĜípadČ kovového koleþka by ovšem nebyl motor stahování oken tolik tichý jako je nyní.

8.2.2. Spektrální analýza motoru stahování oken Na obrázku 8.2.2.1 vidíme spektrální analýzu motoru stahování oken pro nejvyšší zatížení (8,2 Nm). Z obrázku jsou patrné jednotlivé frekvence motoru. Frekvence þ.1 odpovídá frekvenci rotoru f M . Frekvence þ.2 je druhá harmonická frekvence f M . Frekvence þ.3 odpovídá frekvenci pólĤ vinutí f P . V ideálním pĜípadČ tato frekvence dosahuje menšího výkonu než frekvence f M . V našem pĜípadČ však dosahuje vyššího výkonu z dĤvodu nesouososti hĜídelĤ na mČĜícím pĜípravku. Tato nesouosost je vidČt již na obr. 8.2.1.1., kde je stejnosmČrný proud promČnný. V našem pĜípadČ jde o úhlovou nesouosost, kdy výstupní hĜídel motoru není v rovinČ hĜídele mČĜicího pĜípravku. Frekvence þ. 4 je druhá harmonická frekvence f P .

Obr. 8.2.2.1. – Spektrum namČĜeného proudového odbČru 1 – frekvence rotoru f M [Hz] 2 – druhá harmonická frekvence rotoru f M [Hz] 3 – frekvence pólĤ vinutí f P [Hz] 4 – druhá harmonická frekvence rotoru f P [Hz]

49

8.3. PrĤbČhy v motoru stČraþe 8.3.1. PrĤbČh stejnosmČrného proudu v motoru stČraþe

Obr. 8.3.1.1. – PrĤbČhy proudĤ v motoru stČraþe pĜi rychlosti 2

PrĤbČh proudu motoru stČraþe pĜi rychlosti 2 naprázdno (obr. 8.3.1.1.a) ΔT = 0,01596 s 1 = 62,7 Hz ≈ 3760 / min ΔT I S = 3,6281A fM =

Frekvence f M oznaþuje frekvenci rotoru.

50

Stejným zpĤsobem byly vypoþítány hodnoty pro všechny momenty a zaznamenány v tabulkách: Tabulka 8.3.1.1.: Tabulka hodnot pro rychlost 2 motoru stČraþe Zatížení brzdy [kg]

-

0,5

1

1,5

2

2,5

0,0

2,2

4,5

8,5

12,0

17,0

3,6281

3,7004

5,3833

7,5902

Frekvence rotoru fM [Hz]

62,7

61,3

59,9

49,5

43,6

40,2

Frekvence pólĤ vinutí rotoru fP [Hz]

752,4

735,6

718,8

594,0

523,2

482,4

Frekvence ot. výstupní hĜídele fH [Hz] 1,011

0,989

0,966

0,798

0,703

0,648

ZatČžovací moment M [Nm] Proud IS [A]

9,9113 10,4589

Tabulka 8.3.1.2.: Tabulka hodnot pro rychlost 1 motoru stČraþe Zatížení brzdy [kg]

-

0,5

1

1,5

2

2,5

0,0

1,2

4,0

8,0

12,0

18,0

2,2165

2,5020

3,9314

5,1223

7,3603

8,6890

Frekvence rotoru fM [Hz]

42,6

38,6

36,9

32,1

30,9

22,5

Frekvence pólĤ vinutí rotoru fP [Hz]

511,2

463,2

442,8

385,2

370,8

270,0

Frekvence ot. výstupní hĜídele fH [Hz] 0,687

0,623

0,595

0,518

0,499

0,363

ZatČžovací moment M [Nm] Proud IS [A]

Obr. 8.3.1.2. – ZatČžovací charakteristika motoru stČraþe

51

Na obr. 8.2.1.2. vidíme zatČžovací charakteristiku motoru stČraþe pro obČ rychlosti. Z obrázku je patrné, že pro vČtší zatížení motoru je nutno dodat na kartáþe vČtší proud. K tomu mĤže dojít napĜ. pĜi nedostateþném utČsnČní motoru, následnému zateþení vody a korozi rotorové hĜídele nebo pĜi zamrznutí ramen stČraþe a následnému spuštČní motoru. PĜi delším použití stČraþe pak dochází k vysokému zahĜátí motoru, v krajním pĜípadČ až ke zniþení motoru. Této poruše by bylo možné pĜedejít vložením proudové pojistky do napájecího obvodu stČraþe, pĜípadnČ tepelnou pojistkou.

8.3.2. Spektrální analýza motoru stČraþe Na obrázku 8.3.2.1. vidíme spektrální analýzu motoru stČraþe pĜi rychlosti 2 pro nejvyšší zatížení (17 Nm). Frekvence þ.1 odpovídá frekvenci rotoru f M . Frekvence þ.4 odpovídá frekvenci pólĤ vinutí f P . Frekvence þ.2 a þ.3 jsou vyšší harmonické frekvence

f M . V tomto pĜípadČ dochází

k ideálnímu stavu, kdy vyšší harmonické dosahují menšího výkonu než základní frekvence, tudíž mĤžeme Ĝíct, že nedošlo k nesouososti hĜídelí. Frekvence þ. 5 je druhá harmonická f P .

Obr. 8.3.2.1. – Spektrum namČĜeného proudového odbČru 1 – frekvence rotoru f M [Hz] 2 a 3 – vyšší harmonické frekvence rotoru f M [Hz] 4 – frekvence pólĤ vinutí f P [Hz] 5 – druhá harmonická frekvence rotoru f P [Hz]

52

8.4. PrĤbČhy v motoru ventilátoru 8.4.1. PrĤbČh stejnosmČrného proudu v motoru ventilátoru

Obr. 8.4.1.1. – PrĤbČhy proudĤ v motoru ventilátoru pro rychlosti 1 - 4 pĜi otevĜené klapce

53

PrĤbČh proudu motoru ventilátoru pĜi rychlosti 4 pĜi otevĜené klapce (obr. 8.4.1.1.d) ΔT = 0,01764 s 1 fM = = 56,7 Hz ≈ 3402 / min ΔT I S = 21,5509A Frekvence f M oznaþuje frekvenci rotoru. Stejným zpĤsobem byly vypoþítány hodnoty pro všechny rychlosti motoru, pro všechny polohy klapek a zaznamenány v tabulkách: Tabulka 8.4.1.1.: Tabulka hodnot pro motor ventilátoru pĜi otevĜených klapkách pro rychlosti 1 – 4 Rychlost motoru

1

2

3

4

4,4156

7,9753

13,3604

21,5509

Frekvence rotoru fM [Hz]

19,7

30,9

42,8

56,7

Frekvence pólĤ vinutí rotoru fP [Hz]

236,4

370,8

513,6

680,4

Proud IS [A]

Tabulka 8.4.1.2.: Tabulka hodnot pro motor ventilátoru pĜi polootevĜených klapkách pro rychlosti 1 – 4 Rychlost motoru

1

2

3

4

4,4092

7,9457

13,0143

21,2039

Frekvence rotoru fM [Hz]

19,9

31,3

43,1

56,8

Frekvence pólĤ vinutí rotoru fP [Hz]

238,8

375,6

517,2

681,6

Proud IS [A]

Tabulka 8.4.1.3.: Tabulka hodnot pro motor ventilátoru pĜi uzavĜených klapkách pro rychlosti 1 – 4 Rychlost motoru

1

2

3

4

3,9260

6,5114

9,3861

12,8278

Frekvence rotoru fM [Hz]

26,6

42,0

54,9

67,6

Frekvence pólĤ vinutí rotoru fP [Hz]

319,2

504,0

658,8

811,2

Proud IS [A]

Frekvence výstupní hĜídele fH je shodná s frekvencí rotoru fM. Na obr. 8.4.1.2. vidíme, jak pĜívod vzduchu ovlivĖuje chování motoru. PĜi uzavĜených klapkách ventilátor pracuje pouze se vzduchem, který je v prostoru ventilaþního kola. Proto není motor tolik zatížen a jeho proudový odbČr je nižší a otáþky motoru vyšší. PĜi otevĜených

54

klapkách ventilátor pracuje stále s novým vzduchem, který žene do kabiny automobilu. Odporem vzduchu je tedy motor více zatížen a jeho proudový odbČr je vyšší a otáþky motoru nižší.

Obr. 8.4.1.2. – ZatČžovací charakteristika motoru stahování oken

U tohoto motoru mĤže dojít k jiskĜení na kartáþích a to z dĤvodu opotĜebování kartáþĤ. K poškození motoru samotného vČtšinou nedochází. ýastČjší poruchy jsou však u napájecího obvodu ventilátoru, kde dochází k pĜepálení nČkterého z odporĤ nebo tepelné pojistky.

8.4.2. Spektrální analýza motoru ventilátoru Na obrázku 8.3.2.1. vidíme spektrální analýzu motoru ventilátoru pĜi rychlosti 4 pĜi otevĜených klapkách (nejvyšší zatížení motoru), kde jednotlivé frekvence odpovídají frekvencím uvedeným výše. Frekvence þ.1 urþuje frekvenci otáþení rotoru f M . Frekvence þ.6 urþuje frekvenci pólĤ vinutí f P . Z grafu je vidČt, že f P = 12 ⋅ f M . Frekvence þ.2, 3, 4 a 5 jsou vyšší harmonické frekvence f M . Frekvence þ.7 je druhá harmonická frekvence f P .

55

Obr. 8.4.1.3. – Spektrum namČĜeného proudového odbČru 1 – frekvence rotoru f M [Hz] 2, 3, 4 a 5 – vyšší harmonické frekvence rotoru f M [Hz] 6 – frekvence pólĤ vinutí f P [Hz] 7 – druhá harmonická frekvence rotoru f P [Hz]

PĜíþina rostoucí velikosti vyšších harmonických je nejspíše zpĤsobena mechanickým nevyvážením lopatek ventilátoru. ZjištČní pĜesných pĜíþin tČchto poruch je pomČrnČ složitá problematika, kterou se zabývají specialisté v oblasti vibrodiagnostiky. Problematika diagnostiky je již nad rámec této práce a je to možná cesta pro další zkoumání a rozvoj této bakaláĜské práce.

56

9

ZávČr Cílem bakaláĜské práce bylo navrhnout a realizovat analýzu napájecích proudĤ

stejnosmČrných motorĤ použitých v automobilu. V úvodu práce byl vysvČtlen princip þinnosti stejnosmČrného stroje, který je základem všech mnou popisovaných a mČĜených motorĤ v automobilu. Každý typ motoru byl podrobnČ popsán a byly shrnuty poruchy, ke kterým u jednotlivých motorĤ dochází. Druhá þást práce se zabývá mČĜením a analýzou napájecích proudĤ vybraných motorĤ. Je uvedena popisem mČĜicích pĜípravkĤ a mČĜených motorĤ. Na mČĜicím pĜípravku byly postupnČ mČĜeny napájecí proudy motoru stahování oken a motoru stČraþe pro rĤzná zatížení. Zatížení bylo realizováno brzdou a simulovalo poruchy motorĤ a jeho stárnutí. Napájecí proudy motoru ventilátoru byly mČĜeny pĜímo ve ventilaþním ústrojí automobilu. Napájecí proudy motoru startéru mČĜeny nebyly a to z dĤvodu þasové nároþnosti mČĜení. Všechny namČĜené prĤbČhy proudĤ byly zpracovány v programu Matlab R2008b a nČkteré z nich zobrazené v kapitole 8. Na prĤbČzích je vidČt rĤst stĜední hodnoty proudu v závislosti na zatížení. U každého z mČĜených motorĤ byla urþena stĜední hodnota proudu, frekvence otáþení motoru, frekvence otáþení výstupní hĜídele a frekvence pólĤ vinutí. NamČĜené a vypoþtené hodnoty byly znázornČny v grafech. Dále bylo ze stĜídavých prĤbČhĤ vykresleno spektrum namČĜeného proudového odbČru a detekovány významné frekvence spektra, které byly porovnány s teoretickými pĜedpoklady. U jednotlivých motorĤ byly popsány konkrétní typy závad, jejich projevy a možné návrhy úprav napájecích obvodĤ jednotlivých motorĤ.

57

58

Použitá literatura [1]

Wikipedia http://en.wikipedia.org/wiki/Werner_von_Siemens

[2]

StejnosmČrné stroje http://fei1.vsb.cz/kat420/vyuka/hgf/elektrotechnika/sylab_stejnosmerne_stroje_bc.pdf

[3]

Jednoduchý stroj http://vyuka.fel.zcu.cz/kev/zei/krasl/Podklady_ke_studiu/El_stroje/Rozsirene_el_stroje/ Stejnosmer/kapitola2-5-3.pdf

[4]

StejnosmČrný stroj http://elektrika.cz/data/clanky/stejnosmerne-stroje

[5]

Komutace Vrána, V., Kocman, V., 2006: StejnosmČrné stroje

[6]

Komutace prof.Ing. Karel POKORNÝ, CSc., 2006: StejnosmČrné stroje

[7]

Robert Kearns http://www.eng.wayne.edu/news.php?id=854

[8]

Díly motoru stČraþe http://www.ladaklub.com/technika/es/sterac_celniho_skla_a_ostrikovac.pdf

[9]

Kompaundní motor http://www.cojeco.cz/index.php?detail=1&id_desc=46537&title=kompaundn%ED%20d ynamo&s_lang=2

[10] Startér Jan, Z., Kubát, J., Ždánský, B.: Elektrotechnika motorových vozidel 2

59

[11] Automobil Ford T doctor coupe www.google.com [12] Motory startéru http://www.sosi.cz/texty/1g-zdrojova-soustava.pdf [13] Wikipedie – LenzĤv zákon http://cs.wikipedia.org/wiki/Lenz%C5%AFv_z%C3%A1kon [14] Kuliþkové ložisko http://www.bearing-insight.info/ball-bearing-turbo.html [15] Výpoþet nejistot Haasz, V., Sedláþek, M.: Elektrická mČĜení. PĜístroje a metody. ýVUT, Praha 2003 [16] StĜední hodnota proudu Havlíþek,V., Pokorný,M., Zemánek, I.: Elektrické obvody 1 [17] Ztráty v stejnosmČrných motorech http://www.uzimex.cz/soubory/20070103_maxon_serial.pdf [18] Webové stránky Matlab Mathworks http://www.mathworks.com/

60

PĜíloha A Obsah pĜiloženého DVD 1

NamČĜené vzorky 1.1.

NamČĜené vzorky motoru stahování oken 1.1.1. PrĤbČh DC 1.1.2. PrĤbČh AC

1.2.

NamČĜené vzorky motoru stČraþe 1.2.1. PrĤbČh DC – rychlost 1 1.2.2. PrĤbČh DC – rychlost 2 1.2.3. PrĤbČh AC – rychlost 1 1.2.4. PrĤbČh AC – rychlost 2

1.3.

NamČĜené vzorky motoru ventilátoru 1.3.1. PrĤbČh DC – rychlost 1 – 4, otevĜené klapky 1.3.2. PrĤbČh AC – rychlost 1 – 4, otevĜené klapky 1.3.3. PrĤbČh DC – rychlost 1 – 4, polootevĜené klapky 1.3.4. PrĤbČh AC – rychlost 1 – 4, polootevĜené klapky 1.3.5. PrĤbČh DC – rychlost 1 – 4, uzavĜené klapky 1.3.6. PrĤbČh AC – rychlost 1 – 4, uzavĜené klapky

2

Zdrojové kódy pro vykreslení jednotlivých grafĤ

3

Fotografie 3.1.

AdresáĜ – fotografie motorĤ 3.1.1. AdresáĜ – fotografie motoru stahování oken 3.1.2. AdresáĜ – fotografie motoru stČraþe 3.1.3. AdresáĜ – fotografie motoru ventilátoru

3.2.

4

AdresáĜ – fotografie pracovištČ

Vlastní práce v PDF