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第3章起动系统苍溪职中邓通 本章主要内容 起动机的组成和作用起动机的结构和工作原理起动机的传动机构和电磁操纵机构起动系统的电路实例起动机的实验与检修 1 电磁基本定律 左手定则 通电导体在磁场中受到力的作用 其受力方向可以用左手法则判定 I 电流方向 f 电磁力方向 B 磁感应强度 右手定则 导体在磁场中做切割磁力线的运动 则在导体的两端将产生感应电动势 其方向可用右手法则判定 直流电机的工作原理 其中 固定部分有磁铁 这里称作主磁极 固定部分还有电刷 转动部分有环形铁心和绕在环形铁心上的绕组 电枢 线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上 此铜片称为换向片 换向片之间互相绝缘 由换向片构成的整体称为换向器 换向器固定在转轴上 换向片与转轴之间亦互相绝缘 在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2 当电枢旋转时 电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通 给两个电刷加上直流电源 如上图 a 所示 则有直流电流从电刷A流入 经过线圈abcd 从电刷B流出 根据电磁力定律 载流导体ab和cd收到电磁力的作用 其方向可由左手定则判定 两段导体受到的力形成了一个转矩 使得转子逆时针转动 当电枢转了180 后 导体cd转到N极下 导体ab转到S极下时 如上图 b 所示的位置由于直流电源供给的电流方向不变 仍从电刷A流入 经导体cd ab后 从电刷B流出 这时导体cd受力方向变为从右向左 导体ab受力方向是从左向右 产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向 它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动 因此 电枢一经转动 由于换向器配合电刷对电流的换向作用 直流电流交替地由导体ab和cd流入 使线圈边只要处于N极下 其中通过电流的方向总是由电刷A流入的方向 而在S极下时 总是从电刷B流出的方向 这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向 从而形成一种方向不变的转矩 使电动机能连续地旋转 这就是直流电动机的工作原理 这就是直流电动机的工作原理 外加的电源是直流的 但由于电刷和换向片的作用 在线圈中流过的电流是交流的 其产生的转矩的方向却是不变的 转矩的方向是逆时针方向 企图使电枢逆时针方向转动 如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩 例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩 电枢就能按逆时针方向旋转起来 实用中的直流电动机转子上的绕组也不是由一个线圈构成 同样是由多个线圈连接而成 以减少电动机电磁转矩的波动 绕组形式同发电机 将直流电动机的工作原理归结如下 将直流电源通过电刷接通电枢绕组 使电枢导体有电流流过 电机内部有磁场存在 载流的转子 即电枢 导体将受到电磁力f的作用 左手定则 所有导体产生的电磁力作用于转子 使转子以n 转 分 旋转 以便拖动机械负载 一 起动系的基本组成 图2 1起动系基本组成1蓄电池2起动机3起动继电器4点火开关5电流表 起动系主要由 起动电源 蓄电池 起动机 起动机控制电路组成 3 1起动系统的组成和作用 起动机的作用是将蓄电池的电能转变成电磁转矩 驱动发动机 使发动机起动工作 3 2起动机的结构与工作原理 3 2 1起动机的组成起动机一般由直流电动机 传动机构和电磁操纵机构三部分组成 起动机的组成 直流电动机用于将蓄电池输入的电能转换为驱动发动机转动的机械动力 电磁转矩 传动机构用于将电动机的动力 电磁转矩 传递给发动机飞轮 并在发动机起动后自动断开发动机向起动机的逆向动力传递 电磁开关控制起动机驱动齿轮与发动机飞轮的啮合与分离以及电动机电路的通断 3 2 2直流电动机的结构和工作原理 1 直流电动机的结构汽车用起动电动机一般为串励式直流电动机 主要由电枢 转子 换向器 磁极 定子 以及机壳等部件组成 1 电枢总成作用 通入电流后 在磁极磁场的作用下产生电磁转矩 组成 铁心 电枢绕组 电枢轴瓦换向器 铜片 云母片 1 电枢与换向器 电枢由电枢轴 电枢铁心和电枢绕组等组成铁心由外圆带槽的硅钢片叠制而成 通过内圆花键槽固定在电枢轴上 电枢绕组嵌装在铁心的槽内 流经电枢绕组的电流很大 一般为200 600A 故电枢绕组采用较粗的矩形裸铜线绕制 并用绝缘纸隔开 各绕组的端子与换向器铜片焊接 使各电枢绕组形成串联 换向器 在直流电动机中 换向器起逆变作用 因此换向器是直流电机的关键部件之一 换向器由许多具有鸽尾形的换向片排成一个圆筒 其间用云母片绝缘 两端再用两个V形环夹紧而构成 每个电枢线圈首端和尾端的引线 分别焊入相应换向片的升高片内 换向器由铜片和云母片叠压而成 压装在电枢轴的一端 云母片使铜片间 铜片与轴之间均绝缘 1 电枢与换向器 2 磁极 磁极由固定在机壳上的铁心和缠绕在铁心上的磁场绕组组成 磁极的作用是建立磁场 一般多为4个磁极 功率超过7 35kW的起动机也有用6个磁极的 磁极 磁极铁心靠近转子一端的扩大的部分称为极靴 它的作用是使气隙磁阻减小 改善主磁极磁场分布 并使励磁绕组容易固定 主磁极上装有励磁绕组 整个主磁极用螺杆固定在机座上 主磁极的个数一定是偶数 励磁绕组的连接必须使得相邻主磁极的极性按N S极交替出现 磁路就是磁极磁通经过的路径 两极电机的磁路 磁通经过磁极 电枢铁心 定子磁轭 磁路 有几个磁极就有几个磁路从N极出来的磁通分两路经过外路的气隙和电枢铁心 各向一个S极 励磁电流所产生的磁通及其磁路 当电机励磁线圈接线正确并通入励磁电流时 就在电机的各个磁极上交替出现N和S极 以一对磁极来看 磁通由一个主磁极 N极 出来 经过空气隙和电枢齿 便分左右两路经过电枢轭 再经过电枢齿和空气隙 进入相邻的S极 然后从定子磁轭回到N极而自成闭路 当电枢旋转时 电枢绕组就切割主磁通产生感应电势 若电枢绕组中有电流通过时 则主磁通与载流导体相互作用产生转矩 磁场绕组与电枢绕组串联 用矩形裸铜线绕制 不管采用哪一种连接方式 4个或6个磁场绕组所产生的磁极应该是相互交错的 直流电机的励磁方式 直流电机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电 产生励磁磁通势而建立主磁场的问题 根据励磁方式的不同 直流电机可分为下列几种类型 有他励 并励 串励 复励和永磁等形式 他励电动机 他励电动机的励磁绕组和电枢绕组分别由两个电源供电 他励电动机由于采用单独的励磁电源 设备较复杂 但这种电动机调速范围很宽 多用于主机拖动中 并励电动机 并励电动机的励磁绕组是和电枢绕组并联后由同一个直流电源供电 这时电源提供的电流I等于电枢电流Ia和励磁电流If之和 即I Ia If 适用于恒压工作场合 串励电动机 串励电动机的励磁绕组与电枢绕组串联之后接直流电源 串励电动机励磁绕组的特点是其励磁电流If就是电枢电流Ia 这个电流一般比较大 所以励磁绕组导线粗 匝数少 它的电阻也较小 复励电动机这种直流电动机的主磁极上装有两个励磁绕组 一个与电枢绕组串联 另一个与电枢绕组并联 所以复励电动机的特性兼有串励电动机和并励电动机的特点 所以也被广泛应用 电刷与电刷架 其作用是将电流引入电动机 电刷一般用铜粉和石墨粉压制而成 以减小电阻同时增加耐磨性 电刷装在电刷架中 借弹簧压力紧压在换向器上 电动机内装有四个电刷架 其中两个电刷架与机壳直接相连而搭铁 称为搭铁电刷架 二 传动机构 起动机的传动机构又称啮合机构或啮合器 其主要组成部分是单向离合器 1 单向离合器作用 是起动时将电枢的电磁转矩传递给发动机飞轮 而在发动机起动后 就立即打滑 以防止发动机飞轮带动起动机电枢高速旋转而造成飞散事故 即具有单向传递动力的作用 起动机单向离合器分类 滚柱式 摩擦片式 扭簧式 棘轮式等几种型式 1 滚柱式单向离合器 1 驱动齿轮2 外壳3 十字块4 滚柱5 压帽与弹簧6 垫圈7 护盖8 花键套筒9 弹簧座l0 缓冲弹簧11 移动衬套12 卡簧 驱动齿轮与外壳 驱动飞轮齿圈十字块与花键套筒 电枢轴驱动滚柱与弹簧 实现单向动力传递移动衬套由拨叉操纵使驱动齿轮和十字块左右移动 滚柱式单向离合器工作原理 a 发动机起动时b 发动机起动后l 驱动齿轮2 外壳3 十字块4 滚柱5 飞轮齿圈 a 起动时驱动齿轮与齿圈啮合 驱动外壳 滚柱相对十字块顺时针转动 滚柱进入十字块楔形槽的窄端十字块与外壳楔成一体b 起动后齿圈驱动齿轮 外壳 滚柱相对十字块逆时针转动 滚柱式单向离合器工作原理 a 起动时传递电磁转矩b 起动后打滑1十字块2弹簧及活柱3楔形槽4单向离合器外壳5驱动齿轮6飞轮7活柱8滚柱 2 摩擦片式单向离合器 1 驱动齿轮与外接合鼓2 螺母3 弹性圈4 压环5 调整垫圈6 被动摩擦片7 12 卡环8 主动摩擦片9 内接合鼓10 花键套筒11 移动衬套13 缓冲弹簧14 挡圈 驱动齿轮 外接合鼓 从动摩擦片同步运转花键套筒 内接合鼓 主动摩擦片同步运转电枢轴与花键套筒左螺旋花键联接移动衬套由拨叉操纵 2 摩擦片式单向离合器 1 驱动齿轮与外接合鼓2 螺母3 弹性圈4 压环5 调整垫圈6 被动摩擦片7 12 卡环8 主动摩擦片9 内接合鼓10 花键套筒11 移动衬套13 缓冲弹簧14 挡圈 a 起动时内接合鼓 花键套筒相对旋转而左移 从而使主 被动摩擦片压紧而传递动力b 起动后内接合鼓 花键套筒相对旋转而右移 从而使主 被动摩擦片松开而中断动力 驱动齿轮和离合器的外接合鼓制成一体 内接合鼓靠三线螺旋花键套装在花键套筒的左端 花键套筒则通过内螺旋花键套装在电枢轴的花键部分 主动摩擦片的内圆有4个凸起 嵌入内接合鼓外圆的4个直槽中 从动摩擦片的外圆有4个凸起 嵌入外接合鼓内圆的4个直槽中 内接合鼓可沿花键套筒左右移动 3 扭簧式单向离合器 三 起动机电磁操纵机构电磁开关 电磁开关的作用 是控制起动机驱动齿轮与飞轮的啮合与分离 以及电动机电路的通断 起动机电磁开关的组成 1 驱动齿轮2 回位弹簧3 拨叉4 活动铁心5 保持线圈6 吸拉线圈7 电磁开关接线柱8 起动开关9 铁心套筒10 接触盘11 12 接线柱13 蓄电池14 电动机 起动机电磁开关的工作原理 1 接通起动开关后 吸拉线圈和保持线圈通电 在电磁力的共同作用下 使活动铁心克服弹簧力右移 活动铁心带动拨叉移动 将驱动齿轮推向飞轮 当驱动齿轮与飞轮啮合时 接触盘也被活动铁心推至与触点接触位置 使起动机通电运转 接触盘接通触点后 吸拉线圈被短路 活动铁心靠保持线圈的电磁力保持其啮合位置 起动发动机时 接通起动开关 吸拉线圈和保持线圈的电路被接通 其电流通路为 蓄电池正极 接线柱11 电流表 启动开关 接线柱7 吸拉线圈保持线圈 接线柱12 搭铁 蓄电池负极 主开关接通后 吸拉线圈被短路 电磁开关的工作位置靠保持线圈的吸力来维持 同时蓄电池经过主开关给电动机的励磁绕组和电枢绕组提供大的启动电流 使电枢轴产生足够的电磁力矩 带动曲轴旋转而起动发动机 其电流通路为 蓄电池正极 主接线柱11 接触盘 主接线柱12 电动机 搭铁 蓄电池负极蓄电池正极 主接线柱11 接线柱7 保持线圈 搭铁 蓄电池负极 起动机电磁开关的工作原理 2 发动机起动后 断开起动开关 由于吸引线圈产生了与保持线圈相反方向的磁通 两线圈电磁力相互抵消 活动铁心在弹簧力的作用下回位 使驱动齿轮退出啮合状态 接触盘同时回位 切断起动机电路 起动机便停止工作 2 减速机构 减速起动机在电枢和驱动齿轮之间设有减速机构 速比一般为2 4 在起动机电机轴与驱动齿轮之间装有减速器的起动机称为减速起动机 减速起动机可以解决直流电动机转速高与汽车发动机要求起动转矩大的矛盾 减速起动机减速机构有 1 外啮合式 2 内啮合式 3 行星齿轮啮合式 1 外啮合式减速机构 特点 传动中心距较大 受起动机结构限制 减速比不能太大 用于小功率起动机 2 内啮合式减速机构 特点 传动中心距较小 有较大减速比 用于大功率起动机 3 行星齿轮啮合式减速机构 特点 结构紧凑 传动比大 效率高 输出轴与电枢轴同心 同旋向 电枢轴无径向载荷 可使整机尺寸减小 3 4 1减速起动机 按齿轮的啮合方式不同 可分为外啮合式减速器 内啮合式减速器和行星齿轮减速器三种行星齿轮减速器 两轴中心线重合 有利于起动机的安装 因扭力负载平均分布在几个行星齿轮上 故可采用塑料内齿圈和粉末冶金的行星齿轮 既减轻了起动机重量又抑制了噪声 应用较广泛 3 4 2永磁起动机 用永磁材料制成起动机的磁极 以取代原有的磁场绕组和磁极铁心的起动机称为永磁起动机 具有起动机的体积和质量小 机械特性和换向性能得到改善 使换向火花造成的高频干扰减小 起动机的工作可靠性提高 永磁材料随着使用时间的加长 会产生退磁现象 仅限于小功率起动机应用 在永磁起动机电枢轴与驱动齿轮之间加装减速器 就产生了永磁减速起动机 3 4 2永磁起动机 1 驱动齿轮2 滚柱式单向离合器3 传动叉4 回位弹簧5 起动开关6 电磁开关7 磁极8 蓄电池9 电枢 3 5汽车起动系统电路实例分析 3 5 1解放CA1091汽车起动系统电路CA1091汽车使用QD151 QD1518 QD124A或QD124H等型号电磁啮合式起动机 CA1091K2型柴油车则使用QD25型减速式起动机 解放CA1091汽车起动系统电路工作过程 当点火开关接至起动档 档 时 起动继电器线圈通电使电磁开关电路接通 起动机运转 发动机起动后 松开点火开关 钥匙自动返回点火档 档 起动机停止运转 发动机起动后 点火开关没能及时返回 档 复合继电器进行启动保护 起动机便自动停止工作 3 5 2桑塔纳轿车起动系统电路 上海桑塔纳轿车采用QD1225型永磁起动机 其主要工作过程是 点火开关接通电源 由红 黑色导线从点火开关上 50 接线柱送至中央线路板B8接点 再接通中央线路板C18接点 接至起动机 50 接线柱 3 5 3上海别克汽车起动系统电路 装备了起动防盗系统当用钥匙将点火开关调到起动 START 位置时 位于点火锁芯总成的遥控接收器传感器将产生模拟电压信号 该信号送入BCM 该模拟电压信号对各车辆为一个特定值 其值随车辆的不同而不同 当起动发动机时 BCM将会比较预设定储存的模拟电压信号与从传感器来的信号 若两个信号一致 BCM就会通过2级串行数据线发送燃油起动口令给PCM PCM启动起动继电器 从而允许将燃油输送到发动机 3 5 3上海别克汽车起动系统电路 启动保护 选档杆只有在P N位置时方能启动 2 直流电动机的工作原理 由于换向器的作用 在N极和S极间的导体电流方向保持不变 电磁力形成的转矩方向保持不变 使电枢始终按同一方向转动 由于一个线圈所产生的转矩不够大 且转速不稳定 因此电动机的电枢上绕有多组线圈 换向器的片数也随线圈的增加而相应增加 电动机转矩为M CmIs 式中Cm 电机常数与电机的结构有关 IS 电枢电流 磁极磁通 起动机转速与电枢电流的关系 当直流电动机接入电源时 产生的电磁转矩使电枢旋转 而电枢旋转时其绕组切割磁力线产生感应电动势 称为反电动势Ef 其大小为Ef Cm n电压平衡方程式为U Ef IsRS IsRL由上式可得 由起动机转速与电枢电流的关系式可知 当电动机轴上的阻力矩增大时 电枢转速就会降低 电枢电流增大 电磁转矩也随之增大 直到电动机产生的电磁转矩与阻力矩达到新的