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

ESKÉ VYSOKÉ U ENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ KATEDRA M ENÍ Bakalá ská práce Analýza napájecích proud v automobilu Praha, 2011 Autor: Jakub Tauchman

Prohlášení Prohlašuji, že jsem svou bakalá skou práci vypracoval samostatn a použil jsem v ní pouze podklady uvedené v p iloženém seznamu literatury. Nemám žádný závažný d vod proti užití tohoto školního díla ve smyslu 60 Zákona.121/200 Sb., o právu autorském a o právech souvisejících s právem autorským a o zm n n kterých zákon (autorský zákon). V Praze dne.. Podpis i

ii

Pod kování Na tomto míst bych rád pod koval vedoucímu práce panu Ing. Miloši Okrouhlému za jeho cenné rady, trp livost a p ipomínky k této práci, které p isp ly ke zkvalitn ní této práce. Dále bych cht l pod kovat své rodin a svým nejbližším za psychickou podporu a trp livost p i zpracování tohoto tématu. iii

iv

Abstrakt Hlavním cílem bakalá ské práce je analýza napájecích proud v automobilu. První ást práce seznamuje tená e se základními principy vybraných elektromagnetických ástí automobilu. Popisuje princip a funkci motoru st ra e, motoru stahování oken, ventilátoru a startéru a jejich možná poškození. Druhá ást práce zahrnuje m ení pr b h napájecích proud stejnosm rných motor popsaných v první ásti pro r zná zatížení. Pr b hy jsou dále zpracovány, je pro n ud lána frekven ní analýza a její výsledky jsou diskutovány s reálnými p edpoklady. 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 BAKALÁ SKÉ PRÁCE Student: Obor: Název tématu esky: Název tématu anglicky: Jakub Tauchman Kybernetika a m ení Analýza napájecích proud v automobilu Analysis of Supply Current in the Car Pokyny pro vypracování: Prove te podrobnou analýzu principu innosti vybraných elektromagnetických ástí automobilu. Pomocí osciloskopu sledujte napájecí proudy a to jak v ustáleném stavu, tak ve stavech p echodových. Porovnejte pr b hy napájecích proud na nových, funk ních, porušených a nefunk ních vzorcích, je-li to možné. U každého vzorku ur ete možné p í iny poškození, p edpokládaný projev na napájecích proudech a skute né projevy poruchy, bylo-li je možné nam it. Na nam ené signály navrhn te a aplikujte detek ní metody k rozpoznání konkrétního typu závady na vzorku. Jako zkoumané vzorky použijte ventilátor, motor stahování okének, motor st ra e 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] Horá ek, P. - Fuka, J. Systémy a modely. 1. vyd. Praha : VUT, 1996. 70 s. ISBN 80-01-01431-2 Vedoucí bakalá ské práce: Ing. Miloš Okrouhlý Datum zadání bakalá ské práce: 12. íjen 2010 Platnost zadání do 1 : 1. ervenec 2011 L.S. Prof. Ing. Pavel Ripka, CSc. vedoucí katedry Doc. Ing. Boris Šimák, CSc. d kan V Praze dne 13. 10. 2010 1 Platnost zadání je omezena na dobu dvou následujících semestr. vii

viii

Obsah Seznam obrázk Seznam tabulek xi xiii 1 Úvod..................................... 1 1.1. Princip innosti stejnosm rného stroje................. 2 1.2. Indukované nap tí a moment stejnosm rného stroje......... 3 1.3. Komutace................................. 6 2 St ra elního skla............................. 11 2.1. Historie st ra............................. 110 2.2. Stírací soustava............................. 11 2.3. Motor st ra e............................. 13 2.3.1. Motorek jednorychlostní..................... 14 2.3.2. Motorek dvourychlostní..................... 15 3 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 p evodem......... 19 3.3.2. Mechanismus s kladkovým p evodem a lankem......... 19 3.3.3. Mechanismus s lánkovou vzp rou................. 20 4 Ventilátor..................................... 21 4.1. V trací systém v automobilu......................... 21 4.2. Motor ventilátoru............................. 22 5 Startér motoru v automobilu......................... 25 5.1. Problematika spušt ní automobilu..................... 25 5.2. Motor startéru............................. 25 5.3. Druhy startér............................. 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 Ztráty, poruchy a chyby......................... 33 6.1. Ztráty v stejnosm rných motorech................. 33 6.2. Ložiska motork st ra e a stahování oken................. 35 6.3. Poruchy stejnosm rných motor v automobilu............. 36 6.3.1. Závady st ra ového motoru................. 36 6.3.2. Závady motoru stahování oken................. 37 6.3.3. Závady motoru ventilátoru................. 38 7 Uspo ádání m icího pracovišt......................... 39 7.1. M icí pracovišt............................ 39 7.2. M icí p ístroje............................ 40 7.3. M ené motory............................ 42 7.3.1. Motor stahování oken..................... 43 7.3.2. Motor st ra e......................... 43 7.3.3. Motor ventilátoru......................... 43 8 Nam ené a zpracované signály......................... 45 8.1. Pr b hy v jednotlivých motorech..................... 45 8.2. Pr b hy v motoru stahování oken..................... 46 8.2.1. Pr b h stejnosm rného proudu v motoru stahování oken..... 46 8.2.2. Spektrální analýza motoru stahování oken............. 49 8.3. Pr b hy v motoru st ra e......................... 50 8.3.1. Pr b h stejnosm rného proudu v motoru st ra e......... 50 8.3.2. Spektrální analýza motoru st ra e................. 52 8.4. Pr b hy v motoru ventilátoru......................... 53 8.4.1. Pr b h stejnosm rného proudu v motoru ventilátoru..... 53 8.4.2. Spektrální analýza motoru ventilátoru............. 55 9 Záv r..................................... 57 Použitá literatura..................................... 59 P íloha 1 x

Seznam obrázk 1.1. Podobizna Ernsta Wernera von Siemense [1]................ 1 1.1.1. Podélný ez stejnosm rným strojem [4].................... 2 1.1.2. Pr b h stejnosm rného (komutovaného) nap tí (V) [4]............. 3 1.1.3. Pr b h nap tí t í cívek vzájemn 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. Pr b h komutace................................ 8 1.3.3. Doba komutace [6]................................ 8 2.1.1. Robert Kearns (1928-2005) [7]........................ 11 2.2.1. Díly motoru st ra e p edního skla [8].................... 13 2.3.1. Motor st ra e 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. Kartá e 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 p evodem [10]............. 19 3.3.2.1. Mechanismus s kladkovým p evodem a lankem [10]............. 20 3.3.3.1. Mechanismus s lánkovou vzp rou [10].................... 20 4.1.1. V trací systém v automobilu s klimatizací.................... 21 4.1.2. Rozvod vzduchu v kabin automobilu.................... 22 4.2.1. Schéma zapojení ventilátoru........................ 23 4.2.2. T leso s uloženými p ed adnými odpory a tepelnou pojistkou......... 24 5.2.1. Startér s elektromagnetickým vysouváním pastorku............. 26 5.2.2. ty pólový stator startéru [10]........................ 27 5.2.3. Zapojení kartá motoru startéru [10].................... 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 st ra ového motoru............. 35 xi

6.2.2. Kuli kové ložisko [14]............................ 36 6.3.1.1. H ídel rotoru st ra ového motoru.................... 37 6.3.2.1. Ozubené kolo upevn né na výstupní h ídeli motoru stahování oken............................ 37 7.1.1. Schématické zapojení m icího pracovišt................ 39 8.2.1.1. Pr b hy stejnosm rných proud v motoru stahování oken p i r zných zat žovacích momentech................ 46 8.2.1.2. Pr b h proud motoru stahování oken.................... 47 8.2.1.3. Zat žovací charakteristika motoru stahování oken............. 48 8.2.2.1. Spektrum nam eného proudového odb ru................ 49 8.3.1.1. Pr b hy proud v motoru st ra e p i rychlosti 2................ 50 8.3.1.2. Zat žovací charakteristika motoru st ra e................ 51 8.3.2.1. Spektrum nam eného proudového odb ru................ 52 8.4.1.1. Pr b hy proud v motoru ventilátoru pro rychlosti 1-4 p i otev ené klapce.................... 53 8.4.1.2. Zat žovací charakteristika motoru stahování oken............. 55 8.4.1.3. Spektrum nam eného proudového odb ru................ 56 xii

Seznam tabulek 8.2.1.1. Tabulka hodnot získaných z dlouhých pr b h proudu v motoru stahování oken............................ 47 8.2.1.2. Tabulka hodnot získaných z krátkých pr b h proudu v motoru stahování oken............................ 48 8.3.1.1. Tabulka hodnot pro rychlost 2 motoru st ra e................ 51 8.3.1.2. Tabulka hodnot pro rychlost 1 motoru st ra e................ 51 8.4.1.1. Tabulka hodnot pro motor ventilátoru p i otev ených klapkách pro všechny rychlosti............................ 54 8.4.1.2. Tabulka hodnot pro motor ventilátoru p i polootev ených klapkách pro všechny rychlosti............................ 54 8.4.1.3. Tabulka hodnot pro motor ventilátoru p i uzav ených klapkách pro všechny rychlosti............................ 54 xiii

xiv

1 Úvod Bakalá ská práce seznamuje tená e s vlastnostmi a inností motor, jež jsou speciálním typem stejnosm rných stroj. Stejnosm rný stroj adíme z hlediska historie k nejstaršímu elektrickému ústrojí na bázi reakce dvou magnetických polí. Sestrojením dynama n meckého fyzika a vynálezce Ernsta Wernera von Siemense (obr.1.1.) v roce 1866 tak mohl být odstartován nejen inova ní proces práv zhotoveného za ízení, ale také technický pokrok jdoucí ruku v ruce se spot ebou elektrické energie [1]. Obr. 1.1. Podobizna Ernsta Wernera von Siemense [1] V sou asné dob se na první pohled m že zdát, že stejnosm rné stroje jsou již p ežitkem z dob minulých, ale stále nacházejí uplatn ní v r zných charakteristických provozech, kde se pro své jedine né vlastnosti jeví z hlediska použití jako optimální. Menší rozm ry a tím i menší hmotnost v porovnání s ostatními typy motor p i zachování stejných elektrických a výkonových parametr jsou t mi nejsiln jšími argumenty pro volbu jejich instalace do provozu. Stejnosm rné stroje pracují bu jako dynama (tzn. vyrábí elektrickou energii) nebo jako motory (dodanou energii m ní v mechanickou). Jelikož v posledních desetiletích jsou stejnosm rné generátory (dynama) zatla ovány modern jšími zdroji výkonu, používají se v sou asné dob p evážn jako stejnosm rné motory a to pro své výhodné regula ní vlastnosti. Zvlášt jsou využívány jako elektrické pohony v železni ní i m stské doprav, u pohon válcoven, dol, v automobilovém pr myslu nebo i v letectví, kde se jeví výhodn ji (z d vod uvedených výše) zejména v i stroj m synchronním o stejném výkonu [2]. Z uvedeného p ehledu použití vyplývá, že ve v tšin provozních uplatn ní se bude jednat o p erušovaný chod stroje, asté reverzace, velké proudové a nap ové zm ny, tedy o velmi náro né provozní podmínky. Návrh i konstrukce musí pak být pro tyto náro né požadavky p izp sobeny. Nespornou výhodou krom snadné regulace otá ek je i velký záb rný moment p i nízkých otá kách, oproti tomu nevýhodou je pot eba kluzných kontakt (kartá ) doléhajících na komutátor, což má za následek elektromagnetické rušení. S 1

rozvojem elektroniky však vznikají stejnosm rné stroje, u kterých je mechanická vazba nahrazena elektronickým ešením (bezkartá ové stejnosm rné motory s elektronickou komutací). 1.1. Princip innosti stejnosm rného stroje Hlavní ástí stejnosm rného stroje je stator, který tvo í ást magnetického obvodu (obr. 1.1.1.) Malé stroje mají obvykle ocelolitinovou kostru (2), magnetový v nec jho (8) ve tvaru jednoduchého prstence s p ilitými p ipev ovacími patkami (1). K magnetovému v nci jsou p išroubována jádra pól magnet (9) s budícími cívkami (11). Obr. 1.1.1. Podélný ez stejnosm rným strojem [4] 1 p ipev ovací patka 2 ocelolitinová kostra 3 kryt ložiska 4 drážka pro péro 5 h ídel 6 ventilátor 7 v trací otvory 8 magnetový v nec jho 9 pól magnetu 10 plechy kotvy 11 budící cívka statoru 12 rotor (kotva) 13 pružina kartá e 14 držák kartá e 15 kartá 16 kuli kové ložisko 17 zadní štít 18 komutátor 19 svorkovnice P i otá ení rotoru je pod záporným kartá em vždy lamela. K ní je p ipojena strana cívky, která je v oblasti severního pólu. Sou asn je pod kladným kartá em také lamela, k níž je p ipojena strana cívky, která je v oblasti jižního pólu. Polarita na kartá ích se tedy nem ní, nap tí na kartá ích je stále stejného sm ru a vn jším obvodem prochází stejnosm rný proud. 2

Jsou-li strany cívky mezi póly, nap tí se v nich neindukuje. Na obrázku 1.1.2. je nazna en pr b h usm rn ného (komutovaného) nap tí (V). Obr. 1.1.2. Pr b h stejnosm rného (komutovaného) nap tí (V) [4] Ve skute nosti je na kotv více cívek p ipojených k lamelám komutátoru. Cívky jsou spojeny "za sebou". Indukovaná nap tí jsou však proti sob posunuta a výsledné nap tí je tím stejnom rn jší, ím má stroj více cívek a lamel. Na obrázku 1.1.3. je znázorn n pr b h nap tí t í cívek vzájemn posunutých o 1/3 obvodu. Obr. 1.1.3. Pr b h nap tí t í cívek vzájemn posunutých o 1/3 obvodu [4] 1.2. Indukované nap tí a moment stejnosm rného stroje Pro odvození momentu budeme vycházet z principiálního schématu jednoduchého stroje na obr.1.2.1. Pro názornost uvažujme, že budící pole statoru tvo í první cívku a závit v kotv cívku druhou. 3

Obr.1.2.1. Principiální schéma jednoduchého stroje [4] Aby se stroj otá el, tj. vytvá el elektromagnetický moment, musí být spln na podmínka to ivého magnetického pole: cívky jsou konstruk n uloženy navzájem o 90º a proud v cívkách fázov posunutý taktéž o 90 [1]. Pro úvodní vztah vyjád ení elektromagnetického momentu využijeme celkovou energii soustavy dvou cívek. W m 1 2 1 2 = L11i1 + L22i2 + i1i 2L12m cosυm, (1.2.1) 2 2 kde L 11 je vlastní induk nost budící cívky, L 22 vlastní induk nost cívky kotvy, i 1 a i2 p íslušné proudy tekoucí cívkami, mezi cívkami [3]. L 12 m je maximální vzájemná induk nost a υ m úhel nato ení Ze vztahu (1.2.1) je patrná závislost energie soustavy na úhlu nato ení cívek a tedy i okamžitý moment. Pokud zderivujeme tento vztah podle úhlu nato ení cívek, získáme tak maximální okamžitý moment: m W m i = = i1i2 L12 m sin υ m (1.2.2) υ m 4

Zave me substituci za výraz, který považujme za magnetický budící tok 1 Φ 1 : i L12m m = i Φ sinυ (1.2.3) i 2 1 m St ední hodnotu momentu jednoho závitu získáme, integrujeme-li okamžitou hodnotu momentu v rozmezí jedné poloviny otá ky, tedy: M π 1 2i Φ1 = m υ = 2 i d m (1.2.4) π π 0 S p ihlédnutím k faktu, že se na kotv nachází N vodi tj. N/2 závit ; p po et pólových dvojic; 2a všech paralelních v tví vinutí rotoru a celkový proud tekoucí vinutím kotvy je I = i 2a m žeme vztah (1.2.4) upravit: 2 2 M i p N Φ1 I = 2π a 2 = K M Φ I, (1.2.5) p N kde K M = je momentová konstanta stroje a M i celkový vnit ní moment stroje. 2π a Výkon na h ídeli motoru je p ímo úm rný momentu M i a úhlové rychlosti ω, tedy: 1 2 P = M i ω, (1.2.6) kde ω = 2 π fm, M f je po et otá ek rotoru za sekundu. Vnit ní elektrický výkon ozna me P i. Je to v podstat celkový mechanický výkon dodaný pohán cím strojem, oprošt n o celkové mechanické ztráty dynama nebo také výkon vytvo ený celkovým proudem kotvy I2 a indukovaným nap tím U i P = U. (1.2.7) i i I 2 Velikost indukovaného nap tí U i si vyjád íme pomocí vztah (1.2.5), (1.2.6) a (1.2.7): P = M ω = K Φ π. (1.2.8) i i M 1 I2 2 fm = Ui I2 5

Pod líme výraz (1.2.8) proudem I 2 U p N 2π f K fm, (1.2.9) a i = KM Φ1 fm = Φ1 M = U Φ1 p N kde K U = je nap ová konstanta stroje. a Indukované nap tí u dynama lze zm it na kartá ích pouze bez zatížení. Je-li stroj zatížen, dochází k úbytku nap tí U na odporu vinutí kotvy R a na p echodu kartá a komutátoru a U k. Ten se p i výpo tu zanedbává nebo se po ítá s konstantní hodnotou úbytku 1V na kartá i. Uve me te sou asn v innost dva stejnosm rné stroje, ovšem tak, aby první pracoval v režimu generátoru a druhý v režimu motoru. Nech se oba rotory otá í ve stejném smyslu. Tím pádem indukované nap tí a Ui má taktéž v obou p ípadech stejnou orientaci. Generátorem však prochází proud opa n než motorem. To znamená, že i úbytky nap tí Ua a U k mají opa nou orientaci [3]. Podle 2. Kirchhoffova zákona m žeme napsat pro uzav enou smy ku vztahy: U G = U R I U (1.2.10) i a a k U = U + R I + U, (1.2.11) M i a a k kde U G je nap tí na svorkách nezatíženého dynama, napájecí nap tí motoru a I a je proud vinutím kotvy. Ze vztah 1.2.10 a 1.2.11 vyplývá, že nap tí U G je dáno indukovaným nap tím U i poníženým o ztráty nap tí na odporu vinutí kotvy a o ztráty nap tí na p echodu kartá a komutátoru. U M 1.3. Komutace Komutací rozumíme zm nu smyslu proudu v práv komutující cívce [5]. Funkcí komutátoru je usm r ování st ídavého elektrického nap tí a proudu na stejnosm rné. Je to p echodový d j, který je realizován soustavou kartá komutátor. P i tomto d ji se navzájem ovliv uje hned n kolik problém mechanické vazby. U kluzných kontakt je to problém elektrický, mechanický (t ení) a elektrochemický (tvo í se patina). Dnes už však umíme realizovat komutaci elektronickou, kde odpadá vliv t ení 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 otá ením rotoru indukuje ve vodi ích kotvy st ídavé nap tí. Na výstupních svorkách je však nap tí stejnosm rné, tém nezvln né. Usm rn ní nap tí i proudu provádí komutátor a to vhodným zapojením cívek k lamelám a konstruk ním uspo ádáním uložení kartá vzhledem k hlavním pól m statoru. Podélné osy hlavních pól statoru a kartá jsou rovnob žné. Nejvhodn jší okamžik ke komutaci cívky (zm na smyslu proudu tekoucí cívkou) je, když se cívkové strany nacházejí v oblasti nulového budícího magnetického pole, tj. v rovin, která je kolmá na podélnou osu hlavních pól. Zde pole zaniká a znovu vzniká, a tím dochází ke zm n indukovaného nap tí (proudu) plynule. P i komutaci jsou cívky spojovány nakrátko kartá i doléhajícími na lamely a nete e jimi žádný proud [5]. Pr b h komutace vidíme na obr. 1.3.2. a celý d j je tu popsán t emi stavy. Komutátor je pro názornost rozvinut a cívky zapojeny do smy kového vinutí. Otá ivý pohyb je reprezentován rychlostí v (úm rná úhlové rychlosti komutátoru). U skute ných stroj je vždy ší ka kartá e v tší než ší ka lamely. Pro jednoduchost ur íme ší ku kartá e a lamely stejnou. V okamžiku, který je znázorn n na obr. 1.3.2.a), cívkou protéká proud jedním sm rem. Jelikož jsou k lamele 1 p ipojeny dv cívky, protéká lamelou dvojnásobný proud. Na obr. 1.3.2.b) kartá spojuje nakrátko dv sousední lamely 1 a 2 a cívka se nachází ve stavu komutace bez proudu. Kartá em prochází stálý proud 2I. Z obr. 1.3.2.c) je patrná zm na orientace proudu cívkou. V tomto okamžiku kartá doléhá pouze na lamelu 2. 7

Obr. 1.3.2. Pr b h komutace Pro dobu komutace t k platí vztah: t k bk + li =, (1.3.1) v kde bk je ší ka kartá e, l i ší ka izolace mezi lamelami a v je rychlost otá ení. Ší ka izolace bývá v tšinou zanedbateln tenká, proto lze vztah psát takto: b t = k k v (1.3.2) V dob t k (obr. 1.3.3.) by se m la cívka pohybovat v nulovém magnetickém poli statoru (neutrální osa). Vlivem reakce kotvy však dochází k nato ení neutrální osy (magnetické neutrály) ve sm ru otá ení u dynama a proti sm ru otá ení u motoru a tím i neideální komutaci cívky. Obr. 1.3.3. Doba komutace [6] 1) odporová komutace (ideální pr b h) 2) skute ný pr b h komutace (vlivem L c komutující cívky reaktan ní nap tí u r ) 8

Výsledkem nastalé situace je indukce reak ního nap tí u r (1.3.3) a velký proud nakrátko (kartá e zkratují cívku p es lamely). Reak ní nap tí p sobí proti zm n smyslu proudu p i komutaci. To je však nežádoucí a dochází k tzv. zpožd né (induk ní) komutaci. D sledkem tohoto jevu je vznik elektrického oblouku neboli jisk ení a nadm rné zah ívání kartá a komutátoru. To má za následek úbytek materiálu z obou ástí a zhoršuje se kvalita kontaktu a povrchu komutátoru (vzniká patina) a r stu p echodného odporu kontaktu. Pr b h proudu v komutující cívce je závislý na odporu vinutí cívky R c, p echodném odporu mezi kluzným kontaktem R k a na induk nosti L c, z nichž nejv tší význam má práv vlastní induk nost cívky L c. Výše popsaný jev je t eba odstranit. Možností je umístit pomocné póly do konstrukce stroje a pro komutující cívku tak vytvo it vhodné magnetické pole. Toto pole p sobí proti poli reakce kotvy a zárove se snaží v dob komutace cívky nato it neutrální osu do p í né osy (kolmá na podélnou osu pól ). Takto vytvo eným magnetickým polem se indukuje v dob neideální komutace cívky nap tí u k, které p sobí proti reak nímu nap tí u r. Tedy di u = r Lc dt, (1.3.3) kde Lc je celková induk nost zahrnující vlastní induk nost komutující cívky a vzájemnou induk nost cívek sou asn komutujících, i(t) je proud komutující cívkou. Vinutí pomocných pól se zapojuje do série s vinutím kotvy a to proto, aby vytvo ení pomocného pole bylo úm rné zatížení stroje. Sm r proudu ve vinutí pomocných pól a tedy i polarita pole jsou dány nutností docílit snazší zm ny proudu v cívce.[5] Proto následuje u dynama i motoru po hlavním severním pólu pomocný pól jižní (ale bráno se z etelem na sm r otá ení). U stroj bez pomocných pól se toto pole získá nato ením kartá z neutrální polohy. V praxi se ne vždy poda í optimáln zvolit pomocné póly a tedy i celkové vykompenzování reak ního pole komutující cívky. Je-li pole pomocných pól slabší, bude stroj podkomutován, je-li siln jší, stroj je nadkomutován. 9

10

2 St ra elního skla 2.1. Historie st ra St ra e byly sou ástí automobil tém od samého vzniku prvních automobil s p edním sklem a to z d vodu bezpe nosti. První st ra byl zkonstruován Ameri ankou Mary Andersenovou, která si tento vynález nechala patentovat v roce 1903 a byl ovládán ru n. Její p ístroj však nem l velký úsp ch. První automatické st ra e p išly na sv t roku 1921 a to z rukou bratr Folbertových, podle nich nazvané Folberts. Ty byly pohán ny vzduchovým motorem a za ízení bylo propojené hadi kou se sacím potrubím motoru vozidla. Elektrická verze st ra e p išla roku 1926 z firmy Bosch, kdy byl st ra upevn n na horní ást p edního skla. Dlouhý vývoj stírací soustavy korunoval až Robert Kearns (obr. 2.1.1.) který v roce 1967 patentoval periodicky ovládané st ra e a ty za ala montovat do svých voz spole nost Ford Motor. Obr. 2.1.1. Robert Kearns (1928-2005) [7] 2.2. Stírací soustava Stírací soustava p edního skla má obvykle dv stírací ramena, jejichž pohyb m že být soub žný nebo protib žný. V druhém p ípad vyžaduje soustava vyšší kinematické nároky na mechanismus, na druhou stranu je pak ale stíraná plocha soum rná a vhodn jší pro vysoká okna zejména u užitkových, nákladních vozidel nebo u autobus. Ramena stíracích lišt mohou být pohán na bu jedním motorkem (tandemové uspo ádání) nebo každé zvláš od dvou motor, kde je nutná synchronizace innosti. 11

Zajímavým ešením je použití reverza ního elektromotoru s využitím ízení elektronikou, kdy vhodným spínáním dochází ke zm n polarity a tím i sm ru otá ení v pr b hu innosti stírací soustavy. Páka p evodového mechanismu se pohybuje v rozmezí 180º. Další výhodou elektronického ízení je plynulá regulace otá ení elektromotorku, nap. v úvratích p i zm n pohybu, ale také p i spolupráci s inností ost ikova e skla. Požadovaný výkon motoru pro stírací soupravu závisí na rychlosti (po tu kyv za minutu), po tu stíracích lišt a jejich p ítlaku ke sklu a sou initeli t ení mezi pryžovou lištou a stíraným sklem. Další podmínkou je odolnost proti tepelnému p etížení a proti p ípadnému zkratu p i zastaveném pohybu a zapnutém st ra i. P enesení momentu mezi motorem a st ra em a vlastní p evod jsou realizovány z reduk ního ozubeného soukolí a z klikového nebo kulisového mechanismu se spojenými táhly, kterým se m ní otá ivý pohyb na úhlový kývavý. Reduk ní p evod je konstruk n spojen s motorkem. U stíra s pohonem jen jedné lišty (stírání zadního skla, stírání sv tlomet ) je mechanismus pro kývavý pohyb vestav n p ímo do p evodovky motorku. N kdy se také používá ke stírání p edního skla, kdy jedna lišta je pohán na p ímo p es p evod motorkem a druhá je k ní p ipojena táhlem, tzv. tandemové uspo ádání. Další zvláštní konstrukcí je stírací souprava, kde se pro p enos momentu z klikového mechanismu v p evodovce motorku používá ozubená h ídel vedená lanovodem až na samostatné p evodovky jednotlivých stíracích ramen, tzv. souprava s ohebnou h ídelí. Toto ešení má horší mechanickou ú innost, ale dovoluje snadnou instalaci, manipulaci a také dob e eší prostorové problémy s umíst ním motorku a mechanism stírací soupravy. Nejvíce namáhanou ástí soupravy je pryžová lišta, která musí s dostate nou p ítla nou silou dosedat na sklo po celé své délce. Jestliže je p ední sklo více zak ivené, musí se dbát na zvýšenou pozornost p ítla nému systému ramene lišty. M rný p ítlak se pohybuje v rozmezí 0,05 0,25Nm. P i výrob stírací lišty (b itu) je nutno po ítat s aerodynamickými podmínkami, nebo p i vyšších rychlostech vozidla m že dojít k nadleh ování b itu a s tím spojené chybné innosti, kdy lišta nedosedá v dostate ném p ítlaku na sklo. Velikost p ítla né síly se reguluje u vozidel dosahujících vyšších rychlostí p edp tím hlavní pružiny stíracího ramene, která je ízena jednoduchým mechanismem s krokovým motorkem podle elektronické ídicí jednotky vyhodnocující rychlost automobilu a výkon motorku st ra e. Za ur itých podmínek m že být i nejnižší rychlost stírání p íliš vysoká. K tomu dochází zejména p i mrholení nebo slabém dešti a lišty tak pracují tém nasucho. Tento 12

necht ný stav doprovázený zvukovými projevy lišty t ené o stírané sklo se odstra uje pomocí intervalového spínání - asova e. Stírací souprava je uvád na do innosti s asovou prodlevou mezi dv ma kyvy. St ra se vrátí zp t do výchozí polohy po ukon ení jednoho cyklu, kde op t eká na impuls. Doba ekání na impuls nebo také doba klidu m že být pevná nebo prom nlivá. Intervalový spína se spíná pouze na dobu pot ebnou k tomu, aby pohyb stíra e automaticky sepnul dob hový spína zaru ující p erušení napájení motorku po skon ení cyklu (dvou kyv ). Ur itým zp sobem je jednodušší použití deš ového idla, které samo inn spíná obvod stírací soustavy podle optického stavu elního skla, tj. reaguje podle množství deš ových kapek na povrchu skla. Obr. 2.2.1. Díly motoru st ra e p edního skla [8] 1 kryt p evodovky 2 t leso p evodovky 3 hnací kolo 4 ocelová podložka 5 plastová podložka 6 držák 7 sk í motoru 8 rotor 9 klika 10 pojistný kroužek 11 ochranný kryt 12 pružná podložka 13 t snící kroužek 14 podložka 15 op rná podložka 16 kryt motoru 2.3. Motor st ra e V dnešní dob se v tšinou používají motory s permanentními magnety (obr. 2.2.1.), deriva ní a kompaundní motory (na pólech je umíst no deriva ní i sériové vinutí zapojené tak, že jejich magnetické toky se s ítají [9] ) se pro sv j t žký rozb h používají jen výjime n. Výhodou použití deriva ního motorku je snadná plynulá nebo stup ovitá regulace rychlosti. 13

Mají však menší ú innost a jsou složité, proto se u moderních st ra ových pohon nepoužívají. Po et otá ek se u motor st ra e pohybuje v rozmezí 1500 4000 min -1, výkon v rozmezí 12 50W. Motory jsou bu jednorychlostní nebo dvourychlostní (obr. 2.3.1.) [10]. Obr. 2.3.1. Motor st ra e dvourychlostní (rozebraný) 2.3.1. Motor jednorychlostní Jsou opat ené stejn jako dvourychlostní dob hovým kontaktem, který je sou ástí p evodového mechanismu. Dob hový kontakt slouží k dob hu a zastavení stíracích ramen v krajní poloze bez ohledu odepnutí napájení hlavního obvodu uživatelem ( idi em). Aby nedošlo k op tovnému sepnutí dob hového kontaktu vlivem p ekmitnutí stíracích ramen díky jejich setrva nosti, je motorek v koncové poloze elektricky brzd n. Princip innosti jednorychlostního a dvourychlostního motoru st ra e vidíme na obr. 2.3.1.1. a 2.3.1.2. Motoru (1) je zajišt no napájení p es p epína (2), kterým v poloze A prochází proud do motorku požadavek od idi e ke stírání. Po p epnutí do polohy B ( idi ukon il požadavek na stírání) se odpojí motorek od p ímého napájení z baterie, ale p es sepnutý p epína (3) v poloze C je motorek stále napájen z baterie, ovšem už bez možnosti odpojení uživatelem. Pohyblivý kontakt p epína e (3) je ovládán p evodovým mechanismem, který ve vhodnou chvíli odpojí motorek od nap tí odepnutím pohyblivého kontaktu p epína e (3) z polohy C do polohy D. Motorek je odpojen od nap tí, ale vlivem setrva ných hmot se dotá í. Ve vodi ích kotvy se indukuje nap tí (z motorku se stává na chvíli generátor), tedy i proud, který vytvá í moment p sobící proti sm ru setrva ných hmot a motorek se takto intenzivn dobrž uje. 14

Obr. 2.3.1.1. Motor jednorychlostní [10] 2.3.2. Motor dvourychlostní Velmi astým zp sobem regulace otá ek je konstrukce s tzv. t etím kartá em. Vyšší rychlost otá ení se dosáhne p ivedením nap tí na menší po et cívek rotoru práv t etím kartá em a rotor se tak musí otá et rychleji. V našem p ípad jsme použili práv motor se t emi kartá i. Princip innosti je obdobný jako u jednorychlostních motork podobn je to i s funkcí dob hového 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, podobn jako historie st ra, již k po átk m vzniku prvních automobil. Okna aut byla p vodn montována na pant a zavírána pomocí pá ky (obr. 3.1.1.). Postupem asu vzniklo manuální ovládání oken, kdy sklo zajížd lo do prostoru dve í. Obr. 3.1.1. 1919 Ford T doctor coupe s oknem na pant [11] Elektrické ovládání oken se za alo používat na po átku 90. let 20. století a to hlavn u luxusních typ automobil. Toto ovládání však rychle proniklo do všech typ vozidel a v dnešní dob je instalováno b žn, asto však v kombinaci s manuálním ovládáním, p edevším z d vod ekonomických. 3.2. Motor stahovacího systému Princip motorku stahova ky je stejný jako u st ra e, tedy komutátorový motor. U stahování oken se však používají motorky menší, s nižším výkonem, jelikož pohyb skla není tak fyzicky náro ný jako pohyb st ra e. Dalším d vodem konstruování malých motork je omezený prostor ve dve ích auta. Motorek má p ímo integrovanou šnekovou p evodovku, která je samosvorná, takže umož uje p enos pohybu pouze na výstupní h ídel. Proto se okno v mezipoloze samovoln neposunuje. Funkcí motoru je také omezení síly, a to z d vodu bezpe nosti (sev ení ásti t la). Všechny systémy se ovládají dvojitým p epína em spínajícím 17

vázan obvody pro oba sm ry, tj. pro spoušt ní nebo zdvihání skla. Krajní polohy jistí bu jednoduché koncové kontaktní spína e nebo jsou jišt ny elektronicky podle velikosti síly p sobící v mechanismu. Nejdokonalejší používané systémy ovládání oken jsou propojeny i se systémem centrálního ovládání zámk tak, že po opušt ní vozidla a jeho dálkovém uzamknutí se zajistí všechny zámky a podle p edvolby i uzav ou okna. Motor stahování oken pracuje podobn jako motor st ra e popsaný výše. Na kontakty motoru se p ivede nap tí 12V z napájecího okruhu automobilu, které je dále p ivedeno na kovové kartá e (obr.3.2.1.), které doléhají p ímo na komutátor (obr.3.2.2.). Obr. 3.2.1. Kartá e doléhající na komutátor motoru stahování oken Motor se rozto í na 3 4 tis. otá ek za minutu (záleží na typu motoru). P evod šnekové p evodovky bývá 1:56-62. P i použití vzorce n N =, (3.2.1) i kde N ozna uje po et otá ek výstupní h ídele, n po et otá ek motoru a i redukci šnekové p evodovky, zjistíme, že se výstupní h ídel m že otá et rychlostí 53 60 otá ek za minutu. Obr. 3.2.2. Komutátor na rotoru stahovacího mechanismu okýnek 18

3.3. Mechanismy ovládání oken Zp sob elektromechanického ovládání spoušt cích skel dve í nebo bo ních oken u osobních a užitkových automobil je n kolik. Nejrozší en jší jsou mechanismy s ozubeným a pákovým p evodem, mechanismy s kladkovým p evodem a lankem, a mechanismus s lánkovou vzp rou. 3.3.1. Mechanismus s ozubeným a pákovým p evodem Na obr. 3.3.1.1. vidíme mechanismus, který pat í mezi nejstarší provedení a v dnešní dob se tém nepoužívá. Na h ídeli elektromotorku je šnekové kolo, které p ímo zabírá do ozubeného segmentu. Úhlový, kývavý pohyb je p evád n pákovým mechanismem p ímo na vodící kolejni ku skla. Obr. 3.3.1.1. Mechanismus s ozubeným a pákovým p evodem [10] 1 elektromotor 2 lišta skla 4 pákový mechanismus 3.3.2. Mechanismus s kladkovým p evodem a lankem Na obr. 3.3.2.1. vidíme mechanismus, u kterého pohání elektromotorek s p evodem hnací vále ek lankového mechanismu. P ímo arého vratného pohybu lanka v jeho ur ité délce, který je využit k pohybu skla okna, dosáhneme odvíjením a navíjením lanka na vále ek. Kolejni ka skla je vedena unáše em. 19

Obr. 3.3.2.1. Mechanismus s kladkovým p evodem a lankem [10] 1 elektromotor 2 lišta skla 3 pákový mechanismus 5 lanko 3.3.3. Mechanismus s lánkovou vzp rou Poslední systém, tzv. mechanismus s lánkovou vzp rou (obr.3.3.3.1), tvo í ohebná lánková ty, která je schopná p enášet síly tahu i tlaku. Je ovládána elektromotorkem s p evodem, jehož pastorek zapadá do ozubeného h ebene konce ty e. Tento mechanismus se ale používá z ídka. Obr. 3.3.3.1. Mechanismus s lánkovou vzp rou [10] 1 elektromotor 2 lišta skla 3 pákový mechanismus 6 lánková vzp ra 20

4 Ventilátor 4.1. V trací systém v automobilu Ventilátor je základním prvkem v tracího systému v automobilu. Úkolem v tracího systému v automobilu (obr. 4.1.1.) je zajistit cirkulaci vzduchu v kabin, tzn. p ívod erstvého vzduchu a odvod vzduchu nežádoucího. Dále tento systém slouží k odstran ní nadm rné vlhkosti nebo odvodu r zných škodlivých plyn a pach, které se do kabiny dostanou z vn jšího prost edí. Vým na vzduchu mezi kabinou a vn jším prost edím by m la být uskute n na bez vzniku pr vanu a v trací systém by m l zamezit vniku r zných ne istot, prach a pyl do kabiny vozidla. P ívod vzduchu dovnit kabiny m že být p irozený nebo ho zajiš uje ventilátor. P irozený p ívod vzduchu vzniká na základ pohybu automobilu. Pokud není rychlost automobilu posta ující k cirkulaci vzduchu v kabin, je nutno využít ventilátor. Obr. 4.1.1. V trací systém v automobilu s klimatizací 1 vzduchový filtr 2 klapka pro vnit ní ob h vzduchu 3 ventilátor 4 vým ník tepla 5 regula ní klapka 6 klapka pro rozvod vzduchu 7 vyúst ní ( elní sklo) 8 vyúst ní (hlava idi e) 9 vyúst ní (nohy posádky) 10 potrubí pro rozvod vzduchu 11 chladící kapalina 12 ovládací panel 13 výparník (klimatizace) 21

V trací systém v automobilu slouží hlavn k pohodlí cestujících. Veškerý vzduch, který vstupuje do kabiny automobilu z okolního prost edí nebo cirkuluje ve vnit ním okruhu, prochází p es prachový filtr, dále pokra uje p es vým ník tepla, kde se v p ípad zapnutého vytáp ní oh eje a nakonec prochází systémem rozvodu vzduchu na požadované místo v kabin. Rozvod vzduchu (obr. 4.1.2.) je realizován systémem potrubí s klapkami a vyústkami. Posádka automobilu si m že na kontrolním panelu detailn ji nastavit intenzitu a místa v kabin, kam chce vzduch p ivád t. P i výb ru místa se nemusí jednat pouze o p ívod vzduchu k nohám, hrudi a podobn, ale také nap íklad navolení proud ní horkého vzduchu na elní sklo za ú elem jeho odmlžení nebo odmražení. Dodate n si cestující mohou nastavit i konkrétní vyúst ní. Obr. 4.1.2. Rozvod vzduchu v kabin automobilu 4.2. Motor ventilátoru Motor ventilátoru pracuje podobn jako motor st ra e a motor stahování oken na principu stejnosm rného komutátorového motoru. Napájení motoru je znázorn no na obr. 4.2.1. Napájecí proud je p iveden p es cívky na kartá e motoru, které doléhají na komutátor a motor roztá í. Statorové pouzdro je tvo eno dv ma magnetovými plechy, které obklopují vinutí rotoru. H ídel rotoru je uložena do kluzného ložiskového pouzdra. Toto pouzdro je 22

p ipevn no na kovové pouzdro motoru. Na rotoru ventilátoru je 12 vinutí, která jsou upevn na na komutátor. Obr. 4.2.1. - Schéma zapojení ventilátoru Velikost proudu, který te e do motoru ventilátoru je dána p epína em. P epína má ty i rychlosti. Pokud je spína v poloze 1, proud prochází p es sérii t í p ed adných odpor. Pokud je spína v poloze 2, prochází proud p es sérii dvou p ed adných odpor a v poloze 3 již jen p es jeden odpor. Dále prochází tepelnou pojistkou až na kontakty ventilátoru. Pokud je spína v poloze 4, proud prochází p ímo na kontakty motoru. Ventilátor je chrán n proudovou 23

pojistkou. Na obr. 4.2.2. je znázorn no t leso s uloženými p ed adnými odpory a tepelnou pojistkou. Obr. 4.2.2. T leso s uloženými p ed adnými odpory a tepelnou pojistkou 1 p ed adné odpory pro spínací stupn 1,2 a 3 2 tepelná pojistka 24

5 Startér motoru v automobilu 5.1. Problematika spušt ní automobilu Jednou z nevýhod spalovacích motor je, že pot ebují vn jší mechanickou energii k tomu, aby byly uvedeny do chodu. Pro spušt ní motoru je zapot ebí splnit ur ité podmínky s ohledem na tlak a teplotu ve válcích, p ípravu palivové sm si atd. Toho však není možno dosáhnout, pokud je motor v klidu. Motor musí být rozto en na takovou rychlost otá ení, p i které probíhá spalovací proces tak, aby sta il mechanickým výkonem nejen p ekonávat všechny odpory motoru, ale sou asn ho i urychlovat. Spoušt cí za ízení musí být schopno p ekonat všechny síly p sobící proti otá ení motoru a sou asn musí umožnit jeho rozto ení na ur itou minimální rychlost. 5.2. Motor startéru Startér (obr. 5.2.1.), esky také spoušt, je celkem jednoduchý sériový motor. Stejn jako u motoru st ra e, motoru stahování okna a ventilátoru, se jedná o komutátorový motor. Z mechanického hlediska jsou však na tento motor kladeny vysoké, asto i protich dné požadavky. V klidu musí být pastorek bezpe n zajišt n mimo záb r s ozubeným v ncem setrva níku. P i zasouvání do záb ru musí být zajišt no, aby se zasunutí poda ilo i tehdy, p ijde-li zub pastorku proti zubu v nce. Dokud pastorek není v dostate ném záb ru, nesmí být kroutící moment spoušt e tak velký, aby došlo k poškození zub. V plném záb ru musí být mechanismus schopen p enést celý to ivý moment, p itom však musí být chrán n p ed zatížením p i zp tném zážehu. Pastorek musí z stat v záb ru, dokud idi spojení nezruší nebo dokud motor spolehliv nepracuje. Je-li ozubení v záb ru a rozb hne-li se motor, musí se spojení ozubení s motorem spoušt e samo inn uvolnit. P estane-li idi p sobit na ovládací ústrojí, musí se spoušt cí obvod rozpojit, pastorek se musí vrátit do klidové polohy a co nejd íve zastavit, aby spoušt byl p ipraven pro další použití. Nejmenší p ípustný výkon spoušt e je ur en nejnižší rychlostí otá ení a momentem nutným k to ení motoru touto rychlostí p i nejnižší p edpokládané teplot. Nejnižší p edpokládanou teplotou je teplota, p i níž dojde ve válci k zapalování palivové sm si. U osobních automobil je tato nejnižší teplota 28 C. V tomto p ípad musí být moment spoušt e p i roztá ení a záb ru vždy vyšší než moment odporu motoru. Je známo, že moment záb rového momentu je až dvojnásobný oproti momentu p i roztá ení. Dalším 25

požadavkem na tento motor je dlouhá životnost spoušt e. Pro osobní automobily se minimální doba života udává až 45 tis. spušt ní. Obr. 5.2.1. Startér s elektromagnetickým vysouváním pastorku 1 - pouzdro statoru 2 - pólový nástavec 3 - statorové vinutí 4 - rotor (kotva) 5 - vinutí rotoru 6 - komutátor 7 - h ídel rotoru 8 - držák kartá 9 - kartá 10 - p ítla ná pružina 11 - komutátorové víko 12 - b emenové víko 13 - zasouvací páka 14 - zasouvací objímka 15 - zasouvací pouzdro (unaše ) 16 - zasouvací pružina 17 - brzdová p íruba m stku 18 - volnob žka 19 - pastorek 20 - jádro elektromagnetu 21 - svorník 22 - vratná pružina 23 - vtahovací vinutí 24 - p idržovací vinutí 25 - kontaktní m stek 26 - pružina kontaktního m stku 27 - svorník s kontaktem Pouzdro statoru je vyrobeno z bezešvé ocelové trubky, na kterou jsou zevnit p ipevn ny šrouby pólové nástavce z magneticky m kkého materiálu. Na pólových nástavcích je upevn no statorové vinutí. Dnes se používá výhradn ty pólové zapojení (obr. 5.2.2). Na každém 26

pólovém nástavci je navinuto n kolik závit plochého m d ného vodi e (tvo í vinutí) zna ného pr ezu a to z d vodu velkého tekoucího proudu. Na konce vinutí jsou p ipojeny kartá e. Obr. 5.2.2. ty pólový stator startéru [10] Rotor je složen z plech z k emíkové oceli. Ty jsou od sebe vzájemn odizolovány (obvykle lakem) z d vodu omezení vzniku ví ivých proud. V rotoru jsou vyryty drážky, v kterých je uloženo vinutí. Konce vinutí jsou p ipojeny k lamelám komutátoru. H ídel rotoru je uložen v samomazných ložiskách, která jsou umíst na ve víkách. Na h ídeli je uložen komutátor. Lamely komutátoru jsou vyrobeny z m di a vzájemn odizolovány mikanitem nebo plastem. Na lamely jsou p ipojeny vinutí jednotlivých cívek a na jejich plošky doléhají kartá e, kterými se p ivádí p es komutátor na rotor proud. Na komutátoru jsou obvykle ty i kartá e (obr. 5.2.3.), které jsou vzájemn posunuty o 90. Používají se výhradn grafitové kartá e, do nich je ješt p idán m d ný nebo bronzový prášek z d vodu zvýšení elektrické a tepelné vodivosti. Tím se však zna n zvyšuje t ení mezi kartá i a lamelami. Obr. 5.2.3. Zapojení kartá motoru startéru [10] 27

5.3. Druhy startér Startéry rozd lujeme z konstruk ního hlediska podle toho, jak se zasunuje pastorek do záb hu s ozubeným v ncem na setrva níku. Dnes se nej ast ji používá typ startéru s výsuvným pastorkem (obr. 5.3.1.1.), v menší mí e pak startér s výsuvnou kotvou (obr.5.3.2.1). Existuje také typ startéru se systémem Bendix, ten se však používá zcela výjime n. 5.3.1. Startér s výsuvným pastorkem Pomocí dvouramenné páky se nejprve zasune pastorek do záb ru a teprve pak se zapne proud. Pro vytvo ení zasouvací síly se používá elektromagnet s posuvným jádrem. S jádrem je spojen svorník, na jehož jeden konec p sobí zasouvací páka, na druhém konci je umíst n kontaktní m stek. Kontaktní m stek bývá na svorníku uložen posuvn a je odpružen pružinou, což zaru uje konstantní tlak mezi m stkem a kontakty. Obr. 5.3.1.1. Startér s výsuvnou kotvou [10] 1 pastorek 2 ozubený v nec 3 volnob žka 4 zasouvací páka 5 zasouvací pružina 6 zasouvací pouzdro 7 zasouvací objímka 8 h ídel startéru 9 svorník 10 jádro elektromagnetu 11 vratná pružina 12 vtahovací vinutí 13 p idržovací vinutí 14 kontaktní m stek 15 svorník s kontaktem 16 rotor (kotva) 28

Po sepnutí spína e startéru zasouvací relé p enese pohyb na zasouvací páku ( 4 ), která se bude pootá et ve smyslu chodu hodinových ru i ek. Spodní konec zasouvací páky bude posunovat prost ednictvím zasouvací pružiny (5) zasouvacím pouzdrem ( 6 ) a tedy i volnob žkou (3) a pastorkem (1) sm rem k ozubenému v nci ( 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 za átku do mezer mezi zuby ozubeného v nce a h ídel startéru (8 ) se otá í, je pastorek vtažen do plného záb ru vlivem šroubových drážek, aniž je zasouvací pouzdro posunováno zasouvací pákou. Aby se usnadnilo zasunutí pastorku, jsou na elní ploše jeho zuby i zuby ozubeného v nce sraženy. Zasouvací elektromagnet má dv vinutí, vtahovací a p idržovací, jejichž magnetická pole se s ítají. Po sepnutí spína e startéru proud z akumulátoru prochází ob ma vinutími a vtahuje jádro do elektromagnetu. V okamžiku, kdy se sepnou kontakty, je p ivedeno do startéru plné palubní nap tí a startér se rozto í. Pon vadž pro udržení pastorku v zasunuté poloze sta í menší síla, p emostí kontakty sou asn vtahovací vinutí a vy adí ho z innosti. V p ípad, že zuby pastorku narazí na zuby ozubeného v nce, posuv pastorku se zastaví. Zasouvací páka se však bude pootá et dále a bude stla ovat zasouvací pružinu. Po ur ité dob spojí kontaktní m stek kontakty, rotor se za ne otá et a v okamžiku, kdy se zuby pastorku octnou proti zubovým mezerám na ozubeném v nci, zasune pružina pastorek do záb ru. V okamžiku, kdy se rozpojí spína startéru, je p erušen p ívod proudu, magnetické pole tvo ené ob ma vinutími zanikne a vratná pružina za ne pootá et zasouvací pákou proti smyslu pohybu hodinových ru i ek. Volnob žka zabrání p enosu otá ivého pohybu z motoru na startér. Volnob žka s pastorkem se bude pohybovat sm rem do výchozí polohy. Aby se po návratu pastorku do výchozí polohy kotva startéru co nejrychleji zastavila, je volnob žka opat ena brzdovou p írubou. Sou asn se vrátí do základní polohy i kontaktní m stek, kontakty se rozpojí, a p ívod proudu do startéru se tak p eruší. 5.3.2. Startér s výsuvnou kotvou U startér s výsuvnou kotvou (obr. 5.3.2.1) je zasouvání pastorku ešeno tak, že se pastorek m že otá et kolem h ídele spoušt e, se kterým je spojen volnob žnou spojkou, ale v axiálním sm ru není oproti kotv pohyblivý. Zasouvání pastorku do ozubení setrva níku se d je spolu s axiálním pohybem celé kotvy 29

Obr. 5.3.2.1. Startér s výsuvnou kotvou [12] Startér má mimo hlavní sériové vinutí (V1) ješt dv budicí vinutí pomocná a to sériové vinutí (V2) a paralelní (V3). Spoušt ní je dvoustup ové. V prvním stupni, po sepnutí tla ítka T, vtáhne elektromagnet ( 2 ) své jádro a spínací m stek (10 ) spojí kontakt Kl. Sepnutí kontaktu K2 brání páka (9), držená západkou (6 ). Kontakt K1 p ipojí ob pomocná vinutí V2 a V3. Slabé magnetické pole vtahuje kotvu ( 3), která se pomalu otá í, do statoru ( 4 ). Pastorek (1) se jemn zasune do ozubení setrva níku. Jakmile se pastorek tém zasune, uvolní kroužek (5) západku ( 6 ) a spojí se i kontakt K2. Nastává druhá fáze spoušt ní. Kontakt K2 p ipojí hlavní budicí vinutí (V1) a spoušt vyvíjí plný záb rový moment. Typickým znakem t chto spoušt je dlouhý komutátor. Musí být o celou délku posunu kotvy delší než by byl u oby ejného elektromotoru. P es výhodné pracovní vlastnosti není soustava s posuvnou kotvou tak rozší ená. Její hlavní nevýhodou je velká hmotnost posuvné ásti. Stojí-li v z na svahu a tíha rotoru p sobí proti pohybu pastorku do záb ru, m že dojít k potížím p i zasouvání do ozubení, a naopak je nutné zajistit, aby p i provozních ot esech a zrychleních nedocházelo k úder m pastorku do to ícího se setrva níku. 5.3.3. Startér se systémem Bendix K zasunutí pastorku do záb ru u startér systému Bendix (obr. 5.3.3.1) se využívá setrva nosti samotného pastorku. Pastorek (1) má na vnit ním pr m ru plochý nebo 30

lichob žníkový závit a v rozmezí dvou doraz je lehce pohyblivý po šroubovém závitu pouzdra ( 2 ) pohán ného spoušt cím motorem pomocí unáše e ( 3), který tlumí nárazy. P i zapojení proudu do spoušt cího motoru se neurychlí pastorek, pohyblivý voln na šroubovici tak rychle, jako rotor spoušt e, a pohybuje se po závitu pouzdra sm rem do záb ru s ozubeným v ncem setrva níku. P ijde-li zub do mezery, pohybuje se pastorek po šroubu ve sm ru osy až na doraz a spoušt za ne otá et motorem. Dosedne-li zub na zub, nem že se pastorek pohybovat ve sm ru osy a je stržen šroubovicí ze zubu do mezery. Protože v okamžiku, v n mž se pastorek posune do plného záb ru na doraz, otá í se rotor spoušt e již zna nou rychlostí, snižuje se náraz pružinou nebo lamelovou spojkou. Obr. 5.3.3.1. Systém Bendix [12] Jakmile se spoušt ný motor rozeb hne a pastorek se otá í rychleji než rotor spoušt e, vyšroubuje se ze záb ru s v ncem a setrva ností dob hne až na klidový doraz pouzdra. Kdysi to byl v bec nejrozší en jší základní typ, vyráb ný v mnoha konstruk ních obm nách a velmi dlouho se udržel, protože byl jednoduchý a finan n nenáro ný. V jednoduchém provedení m l n kolik nevýhodných vlastností, jako samovolné vybíhání ze záb ru p i p echodných zrychleních motoru, v tší poškozování zub, možnost zp í ení p i dosedu zubu na zub, poruchovost tlumicích pružin apod. V propracovan jších provedeních ztrácel svou hlavní výhodu tj. jednoduchost, a proto se postupn nahrazoval konstrukcemi s posuvným pastorkem. 31

32

6 Ztráty, poruchy a chyby 6.1. Ztráty ve stejnosm rných motorech P ipojíme-li jakýkoliv motorek ke zdroji elektrické energie, po ne vykonávat n jakou práci. U elektrických motor v automobilu se jedná o rota ní pohyb rotoru, na kterém m žeme pomocí vhodných p ístroj zm it výstupní výkon stroje. Výstupní výkon je nižší než vstupní p íkon. Rozdíl t chto dvou hodnot se dá ozna it jako suma ztrát v konkrétním elektrickém stroji. Ztráty jsou negativním elektrotechnickým projevem ím v tší máme na stroji ztráty, tím je nižší výsledná ú innost. Zde by mohl být i jistý sm r inovace motorku zam ený na snížení ztrát a tím zvýšení jeho ú innosti. U popisovaných motor se jedná o stejnosm rné stroje buzené permanentními magnety na statoru, z ehož nám vyplývá, že majoritní ztráty vznikají v rotoru (obr. 6.1.1). Blíže se dají tyto rotorové ztráty d lit na ztráty v m di a ztráty v železe. Ztráty v m di vznikají v rotorovém m d ném vinutí a jsou zp sobené vlastním odporem m di. P i pr chodu pracovního proudu tímto vinutím vzniká teplo a to se vychlazuje do rotorových plech. Možnost, jak snížit odpor vinutí, je volba jiného materiálu pro výrobu samotného vinutí. Lze použít st íbrné vodi e. Je však naprosto jasné, že cena st íbrného vinutí by byla astronomická v porovnání se stávajícím m d ným vinutím. Obr. 6.1.1. Rotor s vinutím motoru 33