Как сделать резонанс на двигателе
Обновлено: 01.07.2024
Тема находится в архиве. Это значит, что в нее нельзя ответить.
В каждом двигателе при плавном увеличении оборотов от ХХ на каких-то оборотах прослушивается резонанс, который проявляется в повышении шумности двигателя. В двигателе 1,4 л моей Toyota этот резонанс наблюдается при примерно 4000 об/мин. На четвёртой передаче это соответствует скорости 110 км/час и шумность возрастает весьма заметно. На пятой передаче скорость повыше и звук мотора маскировался другими шумами. После пробега 10000 км и замены масла шумность на пятой в резонансе заметно возросла и стала утомлять. Сталкивался ли кто-нибудь с таким вопросом и является ли это неисправностью? Интересно, при каких оборотах и скоростях имеется резонанс в двигателе Toyota 1,6 л. Toy97.
Шаговым двигателям свойственен нежелательный эффект, называемый резонансом. Эффект проявляется в виде внезапного падения момента на некоторых скоростях. Это может привести к пропуску шагов и потере синхронности. Эффект проявляется в том случае, если частота шагов совпадает с собственной резонансной частотой ротора двигателя.
Когда двигатель совершает шаг, ротор не сразу устанавливается в новую позицию, а совершает затухающие колебания. Дело в том, что систему ротор – магнитное поле – статор можно рассматривать как пружинный маятник, частота колебаний которого зависит от момента инерции ротора (плюс нагрузки) и величины магнитного поля. Ввиду сложной конфигурации магнитного поля, резонансная частота ротора зависит от амплитуды колебаний. При уменьшении амплитуды частота растет, приближаясь к малоамплитудной частоте, которая более просто вычисляется количественно. Эта частота зависит от угла шага и от отношения момента удержания к моменту инерции ротора. Больший момент удержания и меньший момент инерции приводят к увеличению резонансной частоты.
Резонансная частота вычисляется по формуле:
где F0 – резонансная частота,
N – число полных шагов на оборот,
TH – момент удержания для используемого способа управления и тока фаз,
JR – момент инерции ротора,
JL – момент инерции нагрузки.
Необходимо заметить, что резонансную частоту определяет момент инерции собственно ротора двигателя плюс момент инерции нагрузки, подключенной к валу двигателя. Поэтому резонансная частота ротора ненагруженного двигателя, которая иногда приводится среди параметров, имеет маленькую практическую ценность, так как любая нагрузка, подсоединенная к двигателю, изменит эту частоту.
На практике эффект резонанса приводит к трудностям при работе на частоте, близкой к резонансной. Момент на частоте резонанса равен нулю и без принятия специальных мер шаговый двигатель не может при разгоне пройти резонансную частоту. В любом случае, явление резонанса способно существенно ухудшить точностные характеристики привода.
В системах с низким демпфированием существует опасность потери шагов или повышения шума, когда двигатель работает вблизи резонансной частоты. В некоторых случаях проблемы могут возникать и на гармониках частоты основного резонанса.
Когда используется не микрошаговый режим, основной причиной появления колебаний является прерывистое вращение ротора. При осуществлении шага ротору толчком сообщается некоторая энергия. Этот толчок возбуждает колебания. Энергия, которая сообщается ротору в полушаговом режиме, составляет около 30% от энергии полного шага. Поэтому в полушаговом режиме амплитуда колебаний существенно меньше. В микрошаговом режиме с шагом 1/32 основного при каждом микрошаге сообщается всего около 0.1% от энергии полного шага. Поэтому в микрошаговом режиме явление резонанса практически незаметно.
Для борьбы с резонансом можно использовать различные методы. Например, применение эластичных материалов при выполнении механических муфт связи с нагрузкой. Эластичный материал способствует поглощению энергии в резонансной системе, что приводит к затуханию паразитных колебаний. Другим способом является применение вязкого трения. Выпускаются специальные демпферы, где внутри полого цилиндра, заполненного вяДля борьбы с резонансом можно использовать различные методы. Например, применение эластичных материалов при выполнении механических муфт связи с нагрузкой. Эластичный материал способствует поглощению энергии в резонансной системе, что приводит к затуханию паразитных колебаний. Другим способом является применение вязкого трения. Выпускаются специальные демпферы, где внутри полого цилиндра, заполненного вязкой кремнийорганической смазкой, может вращаться металлический диск. При вращении этой системы с ускорением диск испытывает вязкое трение, что эффективно демпфирует систему.
Существуют электрические методы борьбы с резонансом. Колеблющийся ротор приводит к возникновению в обмотках статора ЭДС. Если закоротить обмотки, которые на данном шаге не используются, это приведет к демпфированию резонанса.
И, наконец, существуют методы борьбы с резонансом на уровне алгоритма работы драйвера. Например, можно использовать тот факт, что при работе с двумя включенными фазами резонансная частота примерно на 20% выше, чем с одной включенной фазой. Если резонансная частота точно известна, то ее можно проходить, меняя режим работы.
Если это возможно, при старте и остановке нужно использовать частоты выше резонансной. Увеличение момента инерции системы ротор-нагрузка уменьшает резонансную частоту.
Самой эффективной мерой для борьбы с резонансом является применение микрошагового режима.
Каждый шаговый двигатель имеет точку резонанса, и иногда вибрация двигателя может повлиять на производительность двигателя и срок службы двигателя. Важно знать возможные решения для устранения вибрации двигателя и явлений, её вызывающих.
Шаговые двигатели имеют дискретные положения, в которые может перемещаться ротор. Из-за инерции ротора, когда шаговый двигатель делает шаг, он слегка отклоняется от своей цели и колеблется, прежде чем достигнет целевой точки. Когда двигатель движется непрерывно, колебания ротора будут происходить с определенной частотой. Как только частота совпадет с собственной частотой двигателя, колебания станут резонансными и вызовут шум. Когда резонанс перекрывает магнитное поле между статором и ротором, двигатель, скорее всего, потеряет синхронизацию. Резонансная частота двигателя может быть моделирована следующим уравнением:
Где K - жесткость крутящего момента, а J - инерция. Регулируя этот параметр, мы можем уменьшить вибрацию двигателя. Ниже приводится краткое описание методов снижения вибрации и того, как они снижают резонанс.
Существует множество способов избежать резонанса: просто изменить скорость работы или применить микрошаг. Следующий список представляет собой обзор различных способов уменьшения резонанса.
Параметры работы шагового двигателя:
— Используйте другую скорость работы
— Используйте микрошаг
— Изменение тока (в сторону уменьшения)
— Применить механический демпфер
— Изменить инерцию нагрузки (например: применить планетарный редуктор)
— Изменение индуктивности двигателя
— Изменение инерции ротора
— Изменение воздушного зазора двигателя
— R-обмотка, Т-соединение
Более подробные объяснения каждого метода можно найти далее:
Электрические Настройки:
1. Избегайте коммутации на резонансных частотах
Резонанс обычно возникает при определенной скорости работы двигателя. Когда скорость работы будет соответствовать резонансной скорости, возникнет вибрация, в результате чего будет снижена производительность двигателя. Самым простым способом избежать резонанса может быть простое изменение скорости работы, чтобы двигатель не достиг своей резонансной точки. Также, выбирайте шаговые двигатели хорошего качества, резонансная частота может возникнуть даже в некачественных подшипниках ротора.
2. Микрошаг уменьшает колебания
Катушки в шаговом двигателе в режиме полного шага запитываются поочередно, поэтому ротор двигателя будет иметь тенденцию отклоняться от своего положения из-за резкого прыжка магнитного потока на соседнюю пару катушек. Микрошаг может более плавно перемещать поток между катушками статора за счет уменьшения энергии возбуждения катушек и постепенной передаче потока с одной пары на вторую. Это приводит к уменьшению вибрации и шума, а резонанс будет устранен.
3. Уменьшение тока для уменьшения "жесткости" крутящего момента (dt/dθ)
Двигатель будет выдавать меньший крутящий момент при меньшем входном токе. В результате для перемещения ротора будет производится (драйвером) меньше энергии (т. е. меньше отношение dt/dθ, жесткость крутящего момента). Многие низкоскоростные режимы будут работать более плавно.
Но уменьшение тока приведет к уменьшению магнитного потока и выходного крутящего момента. Поэтому данный метод применим при использовании привода с хорошим запасом по моменту.
4. Настройка параметров затухания тока драйвера
Часто быстрое затухание тока уменьшает вибрацию и резонансы. Когда драйвер переключает направление тока, ток будет затухать переходным образом, а остаточный ток будет мешать току, установленному в другом направлении. Медленное затухание тока вызовет большую пульсацию крутящего момента, следовательно, возникнет больше вибрации.
Быстрое затухание тока может устранить помехи между двумя сигналами тока, посылаемыми драйвером двигателя, и уменьшить вибрацию во время работы двигателя.
Рисунок 1. Текущий сигнал от драйвера двигателя
5. Увеличение индуктивности приведет к смещению гармоник вниз по частоте
Когда двигатель работает, резонанс будет индуцировать переменный ток в обмотке двигателя, и переменный ток будет мешать постоянному току, проходящему через обмотку. За счет увеличения индуктивности обмотка двигателя сможет противодействовать резонансу или снизить частоту резонанса.
6. Реализация R-обмотки с включенными двумя фазами
Рисунок 2: диаграмма R-обмотки
Для гибридных шаговых двигателей статор имеет две фазы. И катушки намотки расположены на расстоянии 90 ° друг от друга. Для традиционной обмотки шагового двигателя фазовые углы для каждого шага увеличиваются на 45°: 0°, 45° 90°, 135°, 180°, 225°, 270°, 315°. Когда две фазы находятся на расстоянии 45° друг от друга, фазы A и B включены. Когда две фазы находятся на расстоянии 90° друг от друга, включается только одна фаза. Поскольку распределение тока в режиме включения одной фазы и в режиме включения двух фаз различно, время установления этих двух режимов различно. Резонанс, скорее всего, возникнет из-за неравномерного времени включения обмоток на каждом шаге.
R-обмотки могут устранить положение включения 1 фазы, установив новый фазовый угол на: 22.5°, 67.5°, 112.5°, 157.5°, 202.5°, 247.5°, 292.5°, 337.5°. При постоянном включении двух фаз драйвер не будет подавать 100% ток только в одну фазу. Включение обеих фаз может сделать время установления для каждого шага одинаковым, в результате чего уменьшается резонанс.
Рисунок 3.Схема намотки R-образной обмотки
R-обмотка была изобретена Тедом Лином. Двигатель с R-обмоткой имеет две катушки на полюс, и каждая катушка имеет разные витки. Эти два набора проводов намотаны последовательно друг с другом, но конец первой катушки соединен с концом второй катушки. Такая конструкция позволяет сдвигать фазу двигателя на 22,5 градуса, что приводит к снижению шума и вибрации двигателя.
7. Реализация T-соединения
Рисунок 4. Настройка намотки Т-образного соединения
Т-образное соединение также приводит к тому, что постоянно включены 2 фазы. Результат T-соединения аналогичен R-обмотке: включение обеих фаз может снизить вибрацию. Кроме того, уровень индуктивности Т-образного соединения находится между последовательным и параллельным соединением. Таким образом, Т-образное соединение может обеспечить уровень производительности между последовательным соединением и параллельным соединением: более высокий крутящий момент при низкой скорости по сравнению с параллельным соединением и более высокий крутящий момент при высокой скорости по сравнению с последовательным соединением.
8. Увеличение количества фаз
Двигатель с большим количеством фаз будет иметь меньший угол шага, аналогичный микрошаговому режиму и может уменьшить энергию возбуждения для вращения ротора. По мере уменьшения энергии возбуждения резонансы будут устраняться.
2-фазный двигатель имеет 8 магнитных полюсов, в то время как 5-фазный двигатель имеет 10 полюсов. 5 - фазный двигатель имеет 2 полюса на фазу, поэтому ротор будет перемещаться на 1/10 шага зуба статора, чтобы перейти на следующую фазу. В результате 5-фазный двигатель имеет 500 шагов на оборот и 0,72° на шаг. Более высокое разрешение вращения требует меньшей энергии возбуждения для вращения ротора, следовательно, меньшего превышения скорости ротора.
Если будет реализован микрошаг, 5-фазный двигатель сможет работать с еще более высоким разрешением, а вибрация будет в значительной степени снижена.
Механическое демпфирование:
1. Установка механического демпфера
Рисунок 5. Механический демпфер NEMA 23.
Механический демпфер на шаговом двигателе может добавить дополнительную инерцию на валу, а также, помочь поглотить вибрацию и обеспечить стабильный эффект демпфирования. Фланцевое крепление также может поглощать вибрацию.
2. Регулировка инерции ротора
Резонанс двигателя может быть определен соотношением , где K-жесткость крутящего момента, а J-инерция. Диапазон резонанса может изменяться из-за демпфирующего эффекта инерции нагрузки. Регулируя инерцию ротора путем изменения материалов, размеров (например, большей длины ротора) или конструкции (например, конструкция полого вала “автомобильное колесо”, показанная на рисунке 6), мы можем сдвинуть точку резонанса, чтобы уменьшить вибрацию.
Рисунок 6. Дизайн ротора “Автомобильное колесо”.
3. Регулировка воздушного зазора для увеличения или уменьшения жесткости крутящего момента
Воздушный зазор между ротором и зубом статора связан с величиной крутящего момента, который может генерировать двигатель. Изменяя расстояние воздушного зазора, мы можем регулировать жесткость двигателя по крутящему моменту. В результате мы можем сдвинуть точку резонанса, чтобы избежать вибрации.
4. Изменение инерции нагрузки
Инерция - это сопротивление объекта ускорению или замедлению. Если двигатель под нагрузкой, аналогичную механическому демпферу, инерция ротора будет намного больше, а колебания существенно уменьшатся.
Резонанс – это вибрация одной детали, которая находится в спокойствии или имеет свою амплитуду движения. На обычную работу этой детали начинает действовать внешняя сила, в нашем случае это двигатель. Так вот, резонанс двигателя может быть незаметным для водителя, но спустя время вибрация может усиливаться, таким образом нарушая его работу. К тому же колебания очень сильно влияют на комфортность езды.
Для начала стоит разобраться, почему возникает резонанс двигателя, а уже потом лечить проблему, так сказать, симптоматично. Вот самые главные проблемы, из-за которых возникает вибрация.
Основные причины возникновения проблемы
Как ни странно, двигатель иногда сам является проблемой. Например, оппозитные двигатели подвержены такой проблеме, особенно если число цилиндров не сбалансировано. Если оппозитный двигатель обладает 6 или 12 цилиндрами, то резонанса не будет, если количество другое, то приготовьтесь посещать СТО.
Оппозитный двигатель / Источник: Subaru
Коленвал также может быть причиной вибрации, особенно если прошла замена этой детали. Если возникла такая проблема, то стоит произвести балансировку.
Очень часто возникает вибрация, после того как проходит капитальный ремонт силового агрегата. Это значит, что новые детали в двигателе не сбалансированы, приготовьтесь снова посетить СТО, но только выберите уже другую мастерскую.
Также в этом выпуске
Преимущества и недостатки оппозитного двигателя
Что такое закрытый блок двигателя
Частой проблемой резонанса может быть выхлопная система. Каждый двигатель имеет свой вибрационный резонанс. Узнав резонанс двигателя, вы можете понять, какой сегмент выхлопной системы неисправен. Частые причины вибраций:
- При перегорании деталей внутри катализатора изменяется центр тяжести, возникает вибрация.
- С глушителем возникает такая же проблема, как с катализатором, перегородки перегорают и начинают вибрировать. Резинки глушителя выполняют функцию уменьшения вибрации, когда они стираются, может возникнуть резонанс.
Побочные проблемы двигателя
Если вы уверены в исправности выхлопной системы, то стоит обратить внимание на подушки двигателя. Но загвоздка в том, что нужно полностью снять силовой агрегат, чтобы увидеть проблему. Диагностировать эту проблему помогут только специальные приборы, так что без СТО не обойтись. Основные поломки:
Нижняя подушка, которая держит двигатель и коробку передач, может прогнуться, таким образом вызывая трения и вибрацию.
Такая же проблема с верхней подушкой. Если обе подушки оборвались, то резонанс двигателя будет слышен даже на холостых оборотах.
Кроме вышесказанного, проблему может создавать кузов, особенно если машина побывала в ДТП, поскольку геометрия кузова нарушается и возникает резонанс. Плохо закрывающиеся двери тоже вызывают вибрацию.
Читайте также: