Indítómotor laboratóriumi tesztmérése

Minden indítómotor-gyártósor végén, minden indítómotor-felújító üzemben megtaláljuk azokat a tesztpadokat, amelyek kimérik az indítómotor jelleggörbéit. Vajon milyen mennyiségeket mérünk? Vajon miért pont olyan alakú az a grafikon? Erre keressük a választ az alábbi cikkben. Ezáltal jobban megismerjük működését és a különböző paraméterek jelentőségét.

Bevezetés

A tudomány és technika legújabb vívmányai, mint az indítógenerátorra épülő mikrohibrid start-stop rendszere, vagy az integrált indítógenerátor-csillapító rendszer (ISAD = Integrated Starter Alternator Damper), vagy éppen az indítómotort „nélkülöző” közvetlen befecskendezésű motorok indítása olyan megoldásokat kínálnak, amelyekből már hiányzik a klasszikus értelemben vett indítómotor. Az átlag (megfizethető és szélesebb körben elterjedt) személygépkocsik egyszerűségébe ezek még kevésbé törtek be. Mindegyikben ott találjuk a jól bevált és megbízható indítómotorokat. Ezekből sok típus ismert, leírásuk megtalálható a szakirodalomban [1], [2]. A működési jellegéből adódóan a soros gerjesztésű egyenáramú motor alkalmazása terjedt el a legjobban, de ma már állandó mágneses gerjesztésű indítómotorokat is gyártanak és alkalmaznak.

1. ábra: a mágnesporos fék és vezérlőberendezése

Laboratóriumi tesztberendezés

A piacon nem túl bőséges a kínálat, de azért szép számmal lehet találni olyan cégeket, amelyek indítómotor-tesztpadokat kínálnak. A lényeg, hogy terhelőnyomatékot tudjon biztosítani a kívánt tartományban és mérni lehessen a szükséges adatokat. A mi laboratóriumunkban a Lucas Nülle cég SE 2662 mágnesporos fékje állt rendelkezésre.

Az indítómotort kis átalakítás után a mágnesporos fék tengelyére kapcsoltuk. A mágnesporos féket vezérlő berendezés méri a tengely nyomatékát és fordulatszámát. Lehetőséget kínál arra is, hogy ezeket a jeleket oszcilloszkópra vezetve, figyeljük a bekapcsolási tranzienseket.

2. ábra: az indítómotor nyomatékának (1 V/Nm) és fordulatszámának (1 V/1000 min-1) változása a tesztmérés során

A 2. ábrán látható, hogy az oszcilloszkópos mérés időalapja 2 másodperc. Az akkumulátorfeszültséget kb. 5 s után kapcsoltam a motorra, a motor tengelye felpörgött kb. 5200 1/min-os fordulatszámra és 2 s-os üresjárás után kezdtem terhelni a tengelyt és kb. 9 s után ért el egy 4 Nm-es nyomatékot. Közben a fordulatszám folyamatosan csökkent egészen 1200 1/min-ig. Ekkor megszüntettem a terhelést, és a motor tengelye újból az üresjárási fordulatszámra gyorsult fel. A terhelési szakasz közepén egy furcsa tranziens látható, amit nem sikerült kiküszöbölnöm, és többszöri mérés során kiderült, hogy ez a vezérelt fékberendezésből ered. Az így elvégzett mérés az indítómotor tengelyének mechanikai jellemzőit mérte. A nyomaték M=0,15…4 Nm tartományban, míg a fordulatszám n=5200…1200 1/min tartományban változott. A kettő szorzata a tengely teljesítményével – az indítómotor „kimenetével” – arányos, pontosabban:

(1)

Arra is kíváncsi voltam, hogy miként alakulnak a villamos mennyiségek az indítómotor „bemenetén”. Ehhez mértem az akkumulátor feszültségét és áramát, amint a 3. ábrán látható. Az akkumulátor saruit közvetlenül az oszcilloszkóp bemenetére csatlakoztattam. Az áram méréséhez egy lakatfogót használtam, amelynek mérési tartománya 0 és 1000 A között van.

3. ábra: az indítómotor (és egyben akkumulátor) feszültségének és áramának (1 mV/A) változása a tesztmérés során

A 3. ábrán látható, hogy bekapcsolás előtt az akkumulátor feszültsége közel 12,8 V értékű, tehát egy teljesen jól feltöltött akkumulátort használtam. A bekapcsolás pillanatában az áram értéke ugrásszerűen megnőtt és egy 250…300 A-es lökés után beállt egy kb. 38 A-es üresjárási értékre. Ez a nagy áramlökés az akkumulátorra is hatott, és az üresjárásban valamivel több mint 12 V-on stabilizálódott az értéke. A terhelő nyomaték növekedésével az áram is arányosan növekedett egészen 180 A-ig, míg az akkumulátor feszültsége folyamatosan csökkent 10,5 V-ig. A terhelés megszűnte után az áram visszacsökkent az üresjárási értékre, kb. 38 A, míg a feszültség visszanőtt 11,9 V-ra. A bementi oldalról vizsgálva az indítómotort információt kapunk a felvett villamos teljesítményről:

(2)

Tehát az indítómotorról begyűjtöttem minden adatot, ami külső méréssel megszerezhető, úgy a bemeneti, mint a kimeneti oldalt tekintve. Az indítómotor a felvett villamos teljesítményt mechanikai teljesítménnyé alakítja, amit a tengelyén adja le. A kettő közötti különbség az indítómotor vesztesége, illetve a kettő hányadosa az indítómotor hatásfoka, amely a (3) képlettel számolható ki.

(3)

Az a cél, hogy minél kisebb legyen a veszteség, és minél nagyobb legyen a hatásfok. Veszteség mindig lesz (tekercsek ellenállása, örvényáramok a vastestben, csapágyak súrlódása, ventiláció stb.), amely hővé alakulva disszipálódik a környezetben, így a tengelyen leadott teljesítmény mindig kisebb lesz, mint a felvett villamos teljesítmény. Tehát elvárható, hogy a hatásfok kisebb legyen, mint 100%. Amennyiben ez a feltétel nem teljesül, akkor valószínűleg valami hiba csúszott a mérésbe vagy a számolásba, de semmiképpen se örüljünk annak a gondolatnak, hogy egy örökmozgót teszteltünk le!

4. ábra: indítómotor jelleggörbéi. A pontokkal jelölt göbék a jobb oldali tengelyhez igazodnak

Jelleggörbék

Az eddigi mérések az idő függvényében történtek. Ha fellapozzuk a szakirodalmat, akkor megállapíthatjuk, hogy az indítómotor jelleggörbéi nem időfüggvények, hanem az áram függvényei. Vagyis olyan derékszögű koordináta-rendszerben ábrázolják a grafikonokat, amelynek vízszintes (x) tengelyén az áramot, függőleges (y) tengelyén a következő mennyiségeket ábrázolják: feszültség (U), nyomaték (M), fordulatszám (n), tengelyteljesítmény (Ptengely), esetleg hatásfok (η).

Ezen mért és számolt mennyiségek időfüggvényét egy táblázatba tudjuk foglalni.

Az oszcilloszkópról az adatokat szemmel is leolvashatjuk, de ma már a korszerű oszcilloszkópok a mérés eredményeit digitálisan is tárolják, illetve a számítógép számára egy soros vonalon (pl. USB kábelen) keresztül megküldik. Így igen nagy mennyiségű adat áll rendelkezésünkre a jelleggörbék megrajzolásához (a mi esetünkben 25 mérési eredmény minden másodpercben). Ez a 2. és 3. ábrán bemutatott 20 s mérésre vonatkozóan 500 adatot jelent ábránként. Ebben a sorozatban benne van a bekapcsolás előtti állapot, a bekapcsolási tranziens, az üresjárás, a fokozatos terhelés, majd újból az üresjárás. Ahhoz, hogy a jelleggörbéket megrajzoljuk, számunkra csak terheléses szakasz szükséges. Tehát csak a fokozatos terheléshez tartozó adatokat kell figyelembe vennünk. Másrészt a 9 s-os terhelési szakaszhoz (9 s·25 mérés/s =) 225 mérési eredmény tartozna, minden mérési eredmény tartalmazná az időt, áramot, feszültséget, nyomatékot, fordulatszámot, vagyis 5 adatot, tehát összesen (225 mérés·5 adat/mérés =) 1125 mért adatot kellene kezelni. Erre alkalmas számítógépen futtatható programok (szoftverek) léteznek, de hogy ne töltsünk oldalakat ezen adatok dokumentálására, az 1. táblázatban csak a másodpercenként mért adatokat és az ezekből számolt értékeket jelenítettem meg. Az így kapott grafikon a 4. ábrán látható.

A terhelést egészen addig végeztem, ameddig az akkumulátor feszültsége 10,5 V értékre csökkent, ami 1,75 V cellafeszültséget jelent. Tovább nem terheltem az akkumulátort, nehogy tönkremenjen [3]. A hidegindítási vizsgálat során az akkumulátor feszültségével 9 V-ig is lemennek [4], ami már cellánkénti 1,5 V-os értéknek felel meg. Sőt az indítómotorteszt alkalmával odáig is elmennek, hogy az indítómotor fordulatszáma lecsökken 0-ra, vagyis a tengely áll. Ez azt jelenti, hogy már csak a motor, az akkumulátor és a vezetékek saját belső ellenállása az, ami korlátot szab az áramnak, ami több száz amperes értéket jelent. Ilyen terhelésre az akkumulátor feszültsége akár 6 V-ra is lecsökkenhet, amint az 5. ábrán látható. Én nem vállaltam be ezt az állapotot.

Összehasonlítva a 4. és az 5. ábrákat megállapíthatjuk, hogy a laboratóriumban elvégzett mérésből kapott eredmények megfelelnek a szakirodalomban bemutatott elméleti jelleggörbéknek. Ha figyelembe vesszük, hogy az elmélet szerint a legnagyobb tengelyteljesítménynek megfelelő áram kétszerese lesz a legnagyobb áram, akkor esetünkben ez kb. 300 A-nek felelne meg, és ha az akkumulátorfeszültség ugyanilyen mértékben csökkenne, akkor sem esne a feszültsége 9 V alá.

5. ábra: indítómotor-jelleggörbék a [2] szakirodalom szerint. Power P = tengelyteljesítmény; Engine speed n = fordulatszám; Torque M = nyomaték; Voltage U = feszültség; Current I = áram

Az általam végzett mérés és adatfeldolgozás során információt kaptam a motor hatásfokára vonatkozóan is, aminek grafikonja nem található meg az 5. ábrán. A rövid idejű üzemelés, illetve az indítónyomaték fontossága miatt valószínűleg ez a paraméter nem jelentős, de érdekes megfigyelni, hogy a hatásfokának legnagyobb értéke kb. 45% – csak!

Léteznek olyan adatkezelő és -feldolgozó szoftverek, amelyeknek a segítségével a mért adatokra egy matematikai függvényt lehet illeszteni és ezáltal kiterjeszteni – extrapolálni – lehet az eredményeket. Ehhez azt kell feltételezni, hogy a folyamat ugyanolyan törvényszerűség szerint folytatódna, mint az eddigi mérés során, illetve jártasnak kell lenni a matematikai függvények sokaságában. Ha ismerjük, hogy az indítómotor milyen villamos gép, annak felírjuk alap- és áramköri összefüggéseit, akkor megkapjuk, hogy milyen matematikai függvényt kell illeszteni a mért adatokra. Mivel ez a történet igen messze vezetne és a cikk terjedelme is korlátozott, ezért itt befejezem elméleti fejtegetéseimet. Ha valakinek kedve támad, hogy megismerje a soros gerjesztésű egyenáramú motor áramköri modelljét, a jelleggörbéket leíró matematikai összefüggéseket, netalántán ennek számítógépes szimulációját, akkor figyeljék az Autótechnika szerkesztőség gondozásában megjelenő „A jövő járműve” című kiadvány 2010/1–2. számát, amelyben benne lesz egy erről szóló cikkem.

A munka az NKTH BAROSS_EM07-EM_ITN3_07-2008-0039 pályázat keretében készült.

Szakirodalom
1. Bakos István: Járművillamosság, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1979.
2. Huszti Tibor: A gépjármű villamos hálózata és az akkumulátorok, Autoverso Oktatási Bt., Budapest, 1996.
3. Horst Bauer: Alternators and starter motors, Robert Bosch GmbH, Stuttgart, 2003.
4. BOSCH: Batterien, Robert Bosch GmbH, Stuttgart, 1992.