起动机的组成、结构和工作原理

09-02

起动机由直流电动机、传动机构和操纵机构三部分组成，如图4-2所示。

直流电动机的作用是将蓄电池输入的电能转换为机械能，产生电磁转矩。

传动机构：由单向离合器与驱动齿轮、拨叉等组成。其作用是在起动发动机时使驱动齿轮与非轮齿圈相啮合，将起动机的转矩传递

给发动机曲轴；在发动机起动后又能使驱动齿轮与飞轮自动脱离，在它们脱离过程中，发动机飞轮反拖驱动齿轮时，单向离合器使其形成空转，避免了飞轮带动起动机轴旋转。

操纵机构：主要是指起动机的电磁开关，用来接通或断开电动机与蓄电池之间的电路。

直流电动机

功用：将蓄电池输入的电能转换为机械能，产生电磁转矩

结构:由电枢（转子）、磁极（定子）、换向器和电刷等主要部件构成。

（1）电枢

直流电动机的转动部分称为电枢，又称转子。转子由外圆带槽的硅钢片叠成的铁心、电枢绕组线圈、电枢轴和换向器组成。如图4-3所示。

为了获得足够的转矩，通过电枢绕组的电流较大（汽油机为200～600 A；柴油机可达1000 A），因此，电枢绕组采用较粗的矩形裸铜漆包线绕制为成型绕组。

（2）磁极

磁极由固定在机壳内的磁极铁心和磁场绕组线圈组成。如图4-4所示。

磁极一般是4个，两对磁极相对交错安装在电机的壳体内，定子与转子铁心形成的磁通回路见图4-5所示，低碳钢板制成的机壳也是

磁路的一部分。

4个励磁线圈有的是相互串联后再与电枢绕组串联（称为串联式），有的则是两两相串后再并联，再与电枢绕组串联（称混联式），如图4-6bc所示。

起动机内部线路连接如图4-6a所示。励磁绕组一端接在外壳的绝缘接线柱上，另一端与两个非搭铁电刷相连接。

当起动开关接通时，电动机的电路为蓄电池正极→接线柱2→励磁绕组3→电刷6→换向器和电枢绕组5→搭铁电刷4→搭铁→蓄电池负极。

（3）电刷与电刷架

如图4-7所示，电刷架一般为框式结构，其中正极电刷架绝缘地固定在端盖上，负极电刷架与端盖直接相连并搭铁。电刷置于电刷架中，电刷有铜粉与石墨粉压制而成，呈棕黑色。电刷架上有较强弹性的盘形弹簧。

（4）换向器

作用：向旋转的电枢绕组注入电流。

它由许多截面呈燕尾形的铜片围合而成，如图4-8所示。铜片之间由云母绝缘。云母绝缘层应比换向器铜片外表面凹下0.8mm左右，以免铜片磨损时，云母片很快突出。电枢绕组各线圈的端头均焊接在换向器的铜片上。

起动机的工作原理:

（1）电磁转矩的产生

它是根据载流导体在磁场中受到电磁力作用而发生运动的原理工作的。如图4-9a所示，为一台最简单的两极直流电动机模型。根据

左手定则判定a b、c d两边均受到电磁力F的作用，由此产生逆时针旋转方向的电磁转矩Ｍ使电枢转动。其换向方法如图4-9b所示。实际的电枢上有很多线圈，换向器铜片也有相应的对数。

（2）直流电动机转矩自动调节原理

电枢在电磁转矩Ｍ作用下转动，但由于绕组在转动时同时也切割磁力线而产生感应电动势，根据右手定则判定其方向与电枢电流Is方向相反，故称反电动势Ef。反电动势Ef与磁极的磁通φ和电枢的转速n成正比：

Ef= Ceφn

式中Ce——电机结构常数。

由此可推出电枢回路的电压平衡方程式，即：U = Ef IsRs

式中Rs——电枢回路电阻。

其中包括电枢绕组电阻和电刷和换向器的接触电阻。

直流电动机在刚刚接通直流电源的瞬间，电枢转速、反电动势均为0，此时，电枢绕组中的电流最大，即Ism==U/Rs，将产生最大的电磁转矩，即Mmax，若此时的电磁转矩M大于电动机阻力转矩Mz，电枢就开始加速运转起来。随着转速n的上升，Ef增大，Is下降，M也就随着下降。当M下降至于Mz相等时，电枢就以此转速运转。如果直流电动机在工作过程中负载发生变化，就会出现以下情况：

负载增大时，M＜Mz→n↓→Ef↓→Is↑→M↑→M＝Mz，达到新的稳定；

负载减小时，M＞Mz→n↑→Ef↑→Is↓→M↓→M＝Mz，达到新的稳定。

由此可见，当负载变化时，电动机能通过转速、电流和转矩的自动变化来满足负载的需要，使之能在新的转速下稳定工作。因此，直流电动机有自动调节转矩功能。

工作特性：

（1）工作特性曲线：起动机的转矩、转速、功率与电流的关系称之为起动机的特性曲线。

串励直流电动机的特点是起动转矩大，机械特性软（电枢转速随其负载增大而降低，随其负载的减小而上升）。

转矩特性：在磁路未饱和的情况下，串励直流电动机的转矩Ｍ与电枢电流的平方I2S成正比。直流电动机的转矩特性如图4-10所示。

在发动机起动瞬间，发动机的内部阻力矩很大，起动机处于完全制动状态下，由于转速为电枢电流达到最大值（称为制动电流），电动机产生最大转矩（称为制动转矩），足以克服发动机的阻力矩使发动机起动。这就是汽车起动机采用串励式电动机的主要原因之一。

转速特性（机械特性）：串励直流电动机转速ｎ与电枢电流Is的关系式为：

串励电动机在磁极未饱和时，由于Φ不为常数，当Is增加时，

即电枢转矩增大，由于Φ与Is(Rs+Rj)也随之增加，因此，电枢转速n随Is(M)的增大下降较快，故具有较软的机械特性，如图4-11所示。

即直流串励电动机具有在轻载时，电枢电流小，转速高；在重载时，电枢电流大，转速低的软机械特性，能保证发动机即安全又可靠地起动，这是汽车起动机采用串励式电动机的又一主要原因。

功率特性：

串励式电动机的功率P可用下式表示:

P = Mn / 9550

式中：M——电枢轴上的力矩（Nm）；

n——电枢转速（r/min）。

由式可以看出，在完全制动（n=0）和空转（M=0）两种情况下，起动机的功率都等于0。因为起动机工作时间很短，可以允许在最大功率下工作，所以把起动机的最大输出功率称为起动机的额定功率。其特性曲线如图4-12a所示。

直流串励式电动机的转矩、转速、功率特性完全可以表述起动机的工作特性。如图4-12b所示为三大特性曲线在同一坐标系的情况，由该图可以看出：

1）完全制动时，相当于起动机刚接通的瞬间，n=0，电枢电流最大（即制动电流Imax），转矩也达到最大值（称为制动转矩），但输出功率为0。

2）起动机空转时电流最小（称为空载电流I0），转速达到最大值（称为空载转速）输出功率也为0。

3）在电流接近制动电流的一半时，起动机功率最大。将其最大功率作为额定功率。

(2)影响起动机功率的主要因素

（1）蓄电池容量的影响:蓄电池容量越小，其内阻越大，放电时产生的电压降越大，因而供给起动机的电压降低，使起动机输出的功率减小。

（2）环境温度影响:当温度降低时，由于蓄电池电解液密度增大，内阻增大，会使蓄电池容量和端电压急剧下降，起动机功率将会显著下降。

（3）接触电阻和导线电阻:电刷与换向器接触不良、电刷压簧弹力下降、电刷过短以及导线与蓄电池接线柱接触不良，都会使工作线路电阻增加；导线过长以及导线横截面积过小也会造成较大的电压降，由于起动机工作电流特别大，这些都会使起动机功率减小。

传动机构

传动机构指使起动机的驱动齿轮和发动机飞轮齿环啮合传动及分离的机构。

作用：起动时，使起动机的驱动齿轮与发动机的飞轮齿环啮合，将电动机产生的转矩传递给飞轮；

起动后，自动切断动力传递，防止电动机被发动机带动超速运转而遭到损坏。

组成：传动机构由驱动齿轮、单向离合器、拨叉、啮合弹簧等组成，安装在转子轴的花键部分。

种类：滚柱式单向离合器、摩擦片式单向离合器、弹簧式单向离合器。

滚柱式单向离合器

滚柱式单向离合器外形如图4-14所示，其结构如图4-15所示，传动套筒8内具有花键槽，与电枢轴上的外花键相配合。起动小齿轮1套在电枢轴的光滑部分上。在传动套筒的另一端，活络地套着缓冲弹簧压向右方，并有卡簧防止脱出。移动衬套由传动叉拨动。起动小齿轮与离合器外壳刚性连接，十字块与传动套筒刚性连接。装配后，十字块与外壳形成四个楔形空间，滚柱分别安装在四个楔形空间内，且在压帽弹簧张力的作用下，处在楔形空间的窄端。

起动机的工作过程是：

起动发动机时，在电磁力的作用下，传动拨叉使移动衬套沿电枢轴轴向移动，从而压缩缓冲弹簧。在弹簧张力的作用下，离合器总成与起动小齿轮沿电枢轴轴向移动，实现起动小齿轮与发动机飞轮的啮合。与此同时，控制装置接通起动机主电路，起动机输出强大的电磁转矩。转矩由传动套筒传至十字块，十字块与电枢轴一同转动。此时，由于飞轮齿圈瞬间制动，就使滚柱在摩擦力的作用下，滚入楔形槽的窄端而卡死。于是起动小齿轮和传动套成为一体，带动飞轮起动发动机。如图4-16所示。

起动发动机后，由于飞轮齿环带动驱动齿轮高速旋转且比电枢轴