Регистрация Войти
Вопрос

Почему автомобильные стартеры потребляют так много тока?

I understand that most car starter motors' power is rated between 0.5kw to 1.5kw.
Doesn't that mean that they are supposed to draw 40-120 amps?
(500 w / 12 volts etc.. )?
Yet when they start, they draw hundreads of amps for the split second they run.
Why does that happen? Are the motors "overclocked" during that period?
Авто и транспорт

Перевод вопроса с Mechanics Stack Exchange
Лицензия: CC BY-SA (2.5–4.0)
Оригинальный вопрос: https://mechanics.stackexchange.com/questions/47237/why-do-car-starter-motors-draw-so-much-current
1
+ Читать

37 Комментариев

  1. Поскольку у нас нет потенциометра для регулировки напряжения или скорости вращения, двигатель потребляет столько ампер, сколько может.

  1. 3 года и 9 месяцев спустя. Быстрый и простой ответ:
    Пусковой ток — это максимальный мгновенный входной ток, потребляемый электрическим устройством при первом включении.
    Когда вы включаете любой электрический двигатель, который находится в статичном (неподвижном) состоянии, он потребляет пиковый ток, чтобы начать движение. Чем больше механическое сопротивление (в данном случае двигатель должен сдвинуться с места), тем больше пиковый ток. Затем ток снижается до номинального значения, пока вы не отпустите ключ зажигания.

  1. Представьте, что вы пытаетесь завести двухколёсный мотоцикл с двигателем объёмом около 200 куб. см. Предположим, что для того, чтобы провернуть его против силы сжатия, требуется около половины лошадиной силы, то есть эта половина лошадиной силы должна поступать от аккумулятора на 12 В, что соответствует примерно 30–35 амперам.
    Аналогичным образом, чтобы завести дизельный двигатель с пусковым двигателем на 1,5 кВт / 2 л. с., вам нужно подать 125–150 ампер. Вышеуказанные значения могут варьироваться в зависимости от состояния двигателя, температуры окружающей среды и многих других факторов.
    Работая в таких тяжёлых условиях, иногда перегреваясь, двигатели теряют часть своей изоляции, из-за чего могут потреблять большой ток и в то же время выдавать меньший крутящий момент, что приводит к отказу двигателя и быстрой разрядке аккумулятора. В таких случаях меняют катушки возбуждения или якорь, а иногда и весь двигатель.

  1. Типичный стартер — это асинхронный двигатель, который может создавать высокий крутящий момент при запуске. Он состоит из катушки статора и катушки ротора. Катушка статора состоит из множества витков медного провода, закреплённых внутри корпуса двигателя. Катушка ротора состоит из множества витков медного провода, закреплённых на валу ротора. При включении стартера автомобильный аккумулятор на 12 вольт (В) подаёт ток на стартер. В этот момент сопротивление (R) двигателя равно сопротивлению медного провода, из которого состоят обмотки статора и ротора, и поэтому оно низкое (менее 0,05 Ом). Поэтому начальный пусковой ток (I) высокий (более 240 ампер; по закону Ома I = V/R = 12/0,05). Это пиковый пусковой ток, который длится всего долю секунды. Когда ротор стартера начинает вращаться, электрические поля статора и ротора взаимодействуют, создавая «обратную ЭДС» — внутреннее напряжение, противодействующее входному напряжению от аккумулятора. Движению стартера будет препятствовать механическая сила, необходимая для запуска двигателя. Стартерные двигатели подбираются в соответствии с двигателями, которые они должны вращать, так что им нужно будет вращать двигатель всего несколько секунд. Потребляемый стартером ток в течение этих нескольких секунд снизится примерно до половины пикового тока, упомянутого выше.


  1. Хороший ответ, Пол. Добро пожаловать в раздел «Техническое обслуживание и ремонт автомобилей». Это явление известно под несколькими названиями: пусковой ток, ток включения, ток при заблокированном роторе... и именно поэтому от стартера к аккумулятору идёт толстый провод.
  1. Кроме того, в стартере нет ничего, что ограничивало бы его номинальную мощность. Если вы заглушите двигатель (выжав сцепление и зажав тормоза) и включите стартер, он попытается выдать мощность, возможно, в два или три раза превышающую номинальную, но, конечно, ненадолго.
  1. Хорошие аккумуляторы должны терять не более 25 % своего номинального напряжения при запуске двигателя. Аккумулятора с напряжением 6 В может быть недостаточно для запуска двигателя.

  1. Рассмотрим следующую модель электродвигателя постоянного тока




    • Va = 12 В в автомобиле

    • Ra = сопротивление в омах обмоток, кабелей, аккумулятора и т. д.

    • La = индуктивность (в первом приближении считаем её равной нулю)

    • Ia = ток , проходящий через двигатель .

    • Vc = электромагнитное напряжение, возникающее в двигателе (пропорционально скорости вращения wa)



    Номинальная мощность двигателя обычно определяется как доступная выходная мощность (≈Vc*ia) при определённом сочетании скорости и крутящего момента. При нормальной непрерывной работе входная мощность (=Va*ia) будет немного выше выходной мощности.



    Но запуск — это не «обычная непрерывная работа».



    В первом приближении можно считать, что индуктивность равна нулю. Сила тока, потребляемого двигателем постоянного тока, зависит от трёх факторов: напряжения питания Va, сопротивления обмоток Ra и «обратной ЭДС» Vc, которая, в свою очередь, зависит от скорости вращения двигателя. Мощность, подаваемая на обратную ЭДС (= Vc * ia), в основном поступает на нагрузку, в то время как мощность, подаваемая на сопротивление обмоток ( = iaiaRa), расходуется на нагрев обмоток.



    Из-за инерции как в двигателе, так и в нагрузке начальная скорость вращения равна нулю, поэтому изначально ток в двигателе ограничен только сопротивлением обмотки. Двигатель потребляет гораздо больше тока, чем обычно, и вся поступающая в него энергия расходуется на нагрев.



    Постепенно по мере того, как нагрузка и двигатель набирают обороты, Vc увеличивается, а V_Ra уменьшается, следовательно, уменьшается и Ia (= (Va-Vc)/Ra), и двигатель переходит в нормальный режим непрерывной работы. Если инженеры всё сделали правильно, то двигатель должен достичь безопасной рабочей скорости до того, как перегреется.



    В случае с автомобилем, будем надеяться, двигатель заведётся, а стартер отключится.

  1. Во время запуска стартер потребляет так много энергии, что напряжение несколько снижается (из-за внутреннего сопротивления аккумулятора). Таким образом, номинальная мощность P = U I стартера соответствует току I, который выше, чем при расчёте с использованием U = 12 В (например, если напряжение падает до 6 В, то для получения той же мощности ток должен быть в два раза выше). Также обратите внимание, что мощность, соответствующая потере напряжения при том же токе, приводит к нагреву аккумулятора...

  1. Все электродвигатели потребляют больше тока при запуске по сравнению с рабочим режимом. Посмотрите, например, на этикетку вашего холодильника (или на эту): максимальный ток, указанный на этикетке, в 2–3 раза превышает значение, которое можно получить, разделив мощность на напряжение.



    Причина этого кроется в свойствах электродвигателей. Приблизительно у таких двигателей крутящий момент пропорционален силе тока, а скорость — напряжению. Когда двигатель запускается, для запуска ему требуется гораздо больший крутящий момент, чем для поддержания его работы в стабильном состоянии. Следовательно, требуется больший ток.



    Кстати, во многих автомобилях установлены ещё более мощные стартеры (например, в Land Cruiser установлен стартер мощностью 2,5 кВт). Это более 200 А в стабильном режиме. Умножьте это значение на 2 или 3, чтобы получить пусковой ток, и вы получите около 500 А, которые должен обеспечивать аккумулятор.
  1. @DavidRicherby Или, возможно, высокий крутящий момент, прилагаемый к двигателю, снижает его сопротивление, предотвращая противодействие, и обеспечивает путь с низким сопротивлением для большого тока?
  1. @DavidRicherby Что ж, двигателю тоже не «нужно» создавать крутящий момент, он просто вынужден вращаться с определённой скоростью под действием подаваемого на него напряжения, и единственный способ развить эту скорость при наличии трения и инерции — создать достаточный крутящий момент. Возможно, я реагирую на формулировку вашего комментария, потому что не понимаю его сути.

  1. Характерной особенностью электродвигателей является то, что они создают максимальный крутящий момент в неподвижном состоянии. При этом начальный ток может быть очень высоким: от 400 до 600 А для автомобилей, а для промышленных стартеров он может превышать 1000 А.



    Как только они начинают вращаться, потребность в токе снижается. Помните, что передаточное число шестерни/маховика составляет 10 к 1 или больше, поэтому, когда двигатель вращается со скоростью 500 об/мин, стартер работает на скорости 5000 об/мин...

  1. Чтобы привести в движение вращающийся узел — кривошип, поршни (или роторы) и т. д. — требуется МНОГО энергии. Для сравнения: попробуйте провернуть двигатель с помощью лома, закреплённого на кривошипе. Это не так просто (хотя отчасти это связано со сжатием).



    Все детали вращающегося узла — коленчатый вал, шатуны, поршни, клапаны, распределительные валы, цепь ГРМ — представляют собой очень, очень тяжёлый кусок металла, который должен приводиться в движение довольно маленьким электродвигателем (стартером), чтобы автомобиль завелся. Более того, они должны начать двигаться довольно быстро, чтобы начался цикл сгорания топлива. Для этого требуется много энергии.



    Вы можете рассчитать значения, используя закон Ома (V = I * R) и определение мощности (P = I^2 * R). Важным фактором здесь является сопротивление, которое в данном контексте огромно.



    Итак, краткий ответ: металлические детали тяжёлые, и для их перемещения требуется много энергии. Это одна из причин, по которой такие материалы, как лёгкие сплавы и композиты, так важны для высокоэффективных конструкций: уменьшая вес движущихся частей, мы снижаем энергозатраты на их перемещение. Вся эта дополнительная энергия идёт на выход, делая ваш автомобиль / мотоцикл / реактивный ранец / космический корабль быстрее.



    Обновить



    Более подробную информацию можно найти в комментариях.


  1. @DmitryGrigoryev В вашем ответе говорится: «Когда двигатель запускается, для его работы требуется гораздо больший крутящий момент, чем в стационарном режиме. Следовательно, требуется больший ток». Это подразумевает, что потребность в крутящем моменте каким-то образом приводит к большому току. Это не так: большой ток приводит к большому крутящему моменту, который, в свою очередь, заставляет двигатель вращаться и генерировать противо-ЭДС, которая уменьшает ток по мере вращения двигателя.
  1. @DmitryGrigoryev Именно это и означает фраза «потреблять ток». Конечно, провод не высасывает ток из аккумулятора: он обеспечивает путь с низким сопротивлением. В любом случае, похоже, вы отвечаете на формулировку моего комментария, а не на его содержание.
  1. @DavidRicherby Тогда вы путаете причину и следствие в законе Ома. Катушка не «потребляет» ток, она просто не может сопротивляться току, который создаёт напряжение.
  1. Вы путаете причину и следствие. Двигатель потребляет большой ток не потому, что ему «нужно» развивать высокий крутящий момент. Скорее, стационарный двигатель — это просто катушка из провода с низким сопротивлением. Он потребляет большой ток из-за закона Ома, и этот большой ток создаёт сильное магнитное поле, которое, в свою очередь, генерирует высокий крутящий момент.
  1. @AndreiGrigore Я понимаю. Я просто добавил последний абзац на случай, если кому-то интересно, для чего нужны эти большие аккумуляторы на 600 А.
  1. Я полностью согласен! Спасибо, что прояснили ситуацию! Я знаю, что для некоторых больших двигателей требуются более мощные стартеры. Я использовал эти оценки, потому что примерно у 75 % автомобилей здесь двигатели объёмом до 2000 куб. см, а стартеры выдают мощность 1,5–2 кВт.
  1. сомнительно, что мы должны оставлять совершенно неверные, но интуитивно правдоподобные ответы
  1. Знаете, я бы удалил свой ответ, но обсуждение в комментариях настолько познавательное, что я просто не могу заставить себя удалить и их.
  1. @DmitryGrigoryev действительно, он определяется только для мгновенных значений. Я начинаю лучше понимать исходный вопрос, который, как я теперь понимаю, звучит так: «Почему пусковой/пиковый ток электродвигателя значительно превышает номинальное (постоянное) значение?» С такой формулировкой этот вопрос может быть более уместен на сайте electronics.stackexchange.com.
  1. @Quentin Определение мощности перестаёт работать, если используются максимальные/мгновенные значения силы тока и средние/номинальные значения мощности, о чём, как мне кажется, и идёт речь в вопросе.
  1. Какая связь ? Определение мощности p = v*i применимо к любому электрическому компоненту (в том числе к автомобильному стартеру). Это не закон Ома (v = r*i). Последний применим только к проводникам с постоянным сопротивлением. Стартер не является проводником с постоянным сопротивлением (зависимость напряжения от силы тока нелинейна).
  1. @Квентин, и вопрос в том, почему эта закономерность не распространяется на автомобильные стартеры.
  1. @DmitryGrigoryev при (примерно) постоянном напряжении источника (автомобильного аккумулятора) большая мощность означает больший ток (P=u*i). Таким образом, требуется большая механическая мощность => требуется большая электрическая мощность => требуется большой ток (если используется низковольтный источник постоянного тока, например автомобильный аккумулятор).
  1. На мой взгляд, этот ответ не совсем соответствует сути вопроса. Если для запуска двигателя требуется большая мощность, значит, стартеру нужно много ватт, а не дополнительных ампер.
  1. Электрическая часть вашего поста неверна. «Механическое сопротивление» сильно отличается от электрического. Электрическое сопротивление стартера, безусловно, ниже, чем вы утверждаете. Кроме того, электродвигатель не подчиняется закону Ома (и даже если бы подчинялся, для получения высокого тока потребовалось бы низкое сопротивление). Сопротивление в электродвигателе — это чистые потери (тепло), поэтому производители стараются свести его к минимуму.
  1. Я учился в месте под названием «Автомобильный технический институт». В 1974 году преподаватели говорили нам, что стартер в хорошем состоянии не должен потреблять ток более 60 ампер. Они говорили, что если это так, то его нужно заменить. Сейчас у нас компьютеризированные автомобили, так что, думаю, многое изменилось в лучшую и худшую сторону.
  1. Я задал этот вопрос около 8 месяцев назад... неужели он до сих пор кого-то волнует??
  1. Я голосую за то, чтобы закрыть этот вопрос как не относящийся к теме, потому что он больше подходит для сайта electronics.stackexchange.com, так как касается потребляемого тока электродвигателей в целом.
  1. После нескольких комментариев я понял ваш вопрос так: «Почему пусковой ток электродвигателя значительно превышает номинальное (постоянное) значение?» Могу сказать, что это справедливо для любого электродвигателя (насколько мне известно). В такой формулировке этот вопрос больше подходит для сайта electronics.stackexchange.com.
  1. На ум приходит слово overdriven, но я и сам не совсем уверен.
  1. Я знаю... поэтому я использовал кавычки. Я просто не смог придумать более подходящий термин (я не носитель английского языка), поэтому провёл аналогию с центральным процессором компьютера.
  1. Термин «разгон» не имеет никакого отношения к двигателю постоянного тока. «Разгон» означает переменный сигнал с фиксированной частотой.
  1. @Leliel — судя по вашему профилю, вы не тратили время на изучение электроники. Всё, что вам нужно сделать, — это упомянуть «автомобиль» или что-то, связанное с автомобилями, и они перенесут ваш вопрос сюда, независимо от того, может ли он быть перенесён туда или нет. На данный момент этот вопрос получил довольно много ответов. С моей точки зрения, этот вопрос актуален, потому что он касается технического обслуживания транспортных средств в целом. Я уверен, что другие чувствуют то же самое.
Вы уже ответили на этот вопрос