汽車起動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)發(fā)展分析與探討

魏 玉

(三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 三門峽 472000)

0 引言

汽車作為機(jī)械工程發(fā)展的一個(gè)重要里程碑，在人們的日常出行中是廣泛的代步工具，隨著電子控制技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)的日臻成熟，汽車中可安裝各種電子設(shè)備及電氣裝置，近年來由于人們對(duì)汽車安全性、環(huán)保性及舒適性要求的不斷提高，研發(fā)混合式及電動(dòng)式汽車是未來發(fā)展的重要趨勢。然而在現(xiàn)代化汽車中起動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)則是其核心組成，現(xiàn)給予詳細(xì)介紹。

1 汽車起動(dòng)用電動(dòng)機(jī)——起動(dòng)機(jī)

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在達(dá)到一定轉(zhuǎn)速并自行運(yùn)轉(zhuǎn)之前需要克服各類阻力，但發(fā)動(dòng)機(jī)自身不能克服這些阻力，所以需要電動(dòng)機(jī)的協(xié)助。在達(dá)到著火點(diǎn)等條件之后，發(fā)動(dòng)機(jī)開始運(yùn)作并保持一定轉(zhuǎn)速。較早的發(fā)動(dòng)機(jī)是依靠人力實(shí)現(xiàn)曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)的，如今汽車已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了電起動(dòng)，實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)變的是美國人查理凱特琳，1911年查理將自己發(fā)明的電氣設(shè)備安裝在GM汽車制造商所生產(chǎn)的pontiac汽車上并成功實(shí)現(xiàn)電氣起動(dòng)，隨后電啟動(dòng)被廣泛運(yùn)用于汽車工業(yè)，并由此開啟汽車發(fā)展的新時(shí)代。

電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能是起動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)功能，在蓄電池強(qiáng)大電能的支持下，起動(dòng)機(jī)通過圓形齒輪帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)并達(dá)到機(jī)車自行運(yùn)轉(zhuǎn)所需的轉(zhuǎn)速。齒輪型定向離合器、控制按鈕與直流電動(dòng)機(jī)是機(jī)車起動(dòng)機(jī)的三大組成部分。

1.1 直流電動(dòng)機(jī)

電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，一般運(yùn)用串勵(lì)型直流電動(dòng)機(jī)，尤其是適用于某些大功率機(jī)車發(fā)動(dòng)機(jī)，因?yàn)樗梢愿玫剡m應(yīng)負(fù)荷的變化。電動(dòng)機(jī)的并勵(lì)型磁場線圈在電壓恒定的條件下，磁密度隨著激磁電流的改變而產(chǎn)生的變化很小，這便實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。但在負(fù)荷變強(qiáng)之時(shí)，串勵(lì)磁場線圈可能會(huì)增強(qiáng)電動(dòng)機(jī)之前所保持的磁通，進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩變大、轉(zhuǎn)速減小。換句話說，轉(zhuǎn)速變低轉(zhuǎn)矩會(huì)變大，轉(zhuǎn)速提升轉(zhuǎn)矩變小。這種機(jī)械特點(diǎn)非常適用于轎車發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)動(dòng)，同時(shí)還能保證電動(dòng)機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。

1.2 單向離合器

離合器實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的適時(shí)分離，小齒輪與轉(zhuǎn)輪只在初期嚙合，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速并可繼續(xù)自行轉(zhuǎn)動(dòng)后，它們便分離。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速小于飛輪轉(zhuǎn)速之時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)可以自行切斷它們之間的關(guān)聯(lián)，這時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩便不再反傳給起動(dòng)機(jī)，從而保證了電樞在超速運(yùn)行的情況下不會(huì)受損。

1.3 控制開關(guān)

控制裝置包括開關(guān)盒與控制組兩部分，開關(guān)盒主要實(shí)現(xiàn)蓄電池與電機(jī)電控按鈕的接通與斷開，開關(guān)盒里面配有動(dòng)、靜觸點(diǎn)，并由原來的機(jī)械操控變成現(xiàn)在的電磁控制，同時(shí)對(duì)電路進(jìn)行保護(hù)。電起動(dòng)經(jīng)典結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 機(jī)車起動(dòng)機(jī)輕型化

上世紀(jì)中期，起動(dòng)機(jī)輸入電壓大幅提升，由6V變?yōu)?2V，這便意味著通電電流的變小，由此完成了起動(dòng)機(jī)的輕型化轉(zhuǎn)變。上世紀(jì)60年代又實(shí)現(xiàn)了軸承構(gòu)架的變革，構(gòu)架原料的改變大大降低了起動(dòng)機(jī)的重量。當(dāng)時(shí)的構(gòu)架基本采用價(jià)格相對(duì)較高的鋁材料來制造，這是因?yàn)?(1)模型鑄造技術(shù)的提升;(2)變形測量技術(shù)的提升;(3)應(yīng)力測量技術(shù)水準(zhǔn)的提升;(4)后續(xù)工作中切割加工速度提升等。起動(dòng)機(jī)不斷變輕變形進(jìn)程可如圖2所示。

1970年后，針對(duì)寒冷區(qū)域機(jī)車自起動(dòng)和追求更輕型的目標(biāo)要求，安裝在電動(dòng)機(jī)和小齒輪兩者之間的減速設(shè)備——行星齒輪減速型機(jī)車起動(dòng)機(jī)出現(xiàn)，尤以小轎車中最為常見，如圖3所示。1980年以后，永磁勵(lì)磁起動(dòng)機(jī)出現(xiàn)，并電動(dòng)機(jī)機(jī)身進(jìn)行改進(jìn)，當(dāng)時(shí)鐵氧體永磁材料電動(dòng)機(jī)風(fēng)靡一時(shí)。但為了起動(dòng)機(jī)更加時(shí)尚先進(jìn)，同時(shí)為做到上面所說的串復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的軟性，必須要對(duì)起動(dòng)機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改裝，因此設(shè)計(jì)出配置軸型磁場構(gòu)架，如圖4所示。

在磁極輔助區(qū)域，電流產(chǎn)生磁場的電樞反應(yīng)變強(qiáng)，所以大電流區(qū)的轉(zhuǎn)矩也隨之增大，同時(shí)小電流區(qū)隨著轉(zhuǎn)速的增加增磁作用開始減弱，平均磁通量降低，電機(jī)開始高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)［1］。此外，在負(fù)荷變大電流增強(qiáng)的時(shí)候，因?yàn)殡姌蟹磻?yīng)中磁場會(huì)減弱磁體的能量并可致使其消磁，所以這就需要抗消磁能力強(qiáng)硬且磁能聚集量大的永磁性材料，比如稀土材料。自此之后，結(jié)構(gòu)上基本沒有大的變動(dòng)，但實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)動(dòng)比、小電機(jī)長度、直徑以及磁體的高性能等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)起動(dòng)機(jī)不斷變小變強(qiáng)的追求一直是未來的發(fā)展趨勢。

3 交流發(fā)電機(jī)

起初，在轎車中安裝發(fā)電機(jī)是為了給電池充電并獲取較大的輸出電流。20世紀(jì)初，Dynamo直流型發(fā)電機(jī)出現(xiàn)并盛行半個(gè)世紀(jì)之久，直到1960年之后，全球發(fā)達(dá)國家的轎車擁有量大幅提高，機(jī)車在城市中低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間較長，同時(shí)機(jī)車起動(dòng)次數(shù)增加，因此導(dǎo)致蓄電池常常蓄不足電量，所以對(duì)直流型發(fā)電機(jī)提出更高要求，要求其不僅能輸出更大功率，還要縮短蓄電池充滿電所需時(shí)長。這一情況增加了電機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)安裝的難度，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)體積與重量增加了。同時(shí)，汽車產(chǎn)業(yè)在不斷向前發(fā)展的進(jìn)程中，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的可變動(dòng)范圍的要求也越來越大。在發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，發(fā)電機(jī)換向比較困難且換向器和電刷之間會(huì)產(chǎn)生大量的火花，還可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)難以正常運(yùn)行。所以，為適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)車的發(fā)展需求，交流型發(fā)電機(jī)開始登上舞臺(tái)，直流型發(fā)電機(jī)逐漸退出市場。交流型發(fā)電機(jī)比直流型發(fā)電機(jī)有更多更好的變現(xiàn)，不僅能保持體積小巧、重量輕盈、比功率大、使用年限長，同時(shí)還有良好的低速充電性能，因此被廣泛應(yīng)用。

近幾十年來，汽車產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，交流型發(fā)電機(jī)也隨之不斷改進(jìn)與變革。比如:最初的觸點(diǎn)與晶體管式的電壓調(diào)控裝置比較大，難以和發(fā)電機(jī)配套工作，但是集成電路電壓調(diào)控裝置出現(xiàn)后便改變了這一狀況，因?yàn)樗懈〉捏w積以及更加優(yōu)秀的功能。再有，6管硅整流型發(fā)電機(jī)到8管硅整流型發(fā)電機(jī)的演變等等。

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，車身空調(diào)、燃料系統(tǒng)電子化、廢氣凈化以及電動(dòng)構(gòu)造的增加，汽車的耗電量也隨之增加，所以輸出的電流以及發(fā)電機(jī)發(fā)熱量也在不斷增加。所以，對(duì)調(diào)壓裝置及二極管半導(dǎo)體等工作的溫度環(huán)境提出了更高的要求，如何快速有效地冷卻發(fā)電機(jī)開始為人研究。研究期間，先后出現(xiàn)了將風(fēng)扇安裝在皮帶輪一側(cè)的外扇型冷卻裝置以及將風(fēng)扇安裝在轉(zhuǎn)子兩側(cè)的內(nèi)扇型冷卻裝置，其中內(nèi)扇型冷卻裝置在1980年后開始流行。因?yàn)槠л喛梢栽谳^高的轉(zhuǎn)速下工作，同時(shí)可提供更大的轉(zhuǎn)動(dòng)比，所以冷卻效率得以提升。

從機(jī)械方面講，交流發(fā)電機(jī)屬于發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造的范疇，其效率提升可直接減少燃料費(fèi)用的支出。通常情況下，交流型發(fā)電機(jī)的效率提高30個(gè)百分點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃料損耗可降低1個(gè)百分點(diǎn)。所以，體積更小、性能更加卓越的雙內(nèi)風(fēng)扇雙風(fēng)管道的交流型發(fā)電機(jī)迅速崛起。

如今，水冷式交流型發(fā)電機(jī)問世，它對(duì)定子線圈和二極管等部件的冷卻有更加明顯的作用，同時(shí)它不借助冷卻風(fēng)就能大幅降低因轉(zhuǎn)子運(yùn)作而產(chǎn)生的噪音。不僅如此，它還能有效緩解燃料成本增加與用電量增大的問題，所以它頻現(xiàn)于高級(jí)轎車之中。

4 組合式起動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)裝置

如今汽車行業(yè)比較喜歡把交流型發(fā)電機(jī)和起動(dòng)機(jī)組裝成一個(gè)整體。比如美國德爾福Enetgen系統(tǒng)，一般在發(fā)電機(jī)安置區(qū)裝有組合起動(dòng)裝置，同時(shí)能輸出約5KW的功率，其研發(fā)的“停止-起動(dòng)”裝置在汽車行進(jìn)過程中遇到紅燈時(shí)會(huì)斷開離合器，發(fā)動(dòng)機(jī)也會(huì)自行熄火，這能有效減少機(jī)車低速行駛過程中的燃料損耗及廢氣排放。當(dāng)信號(hào)燈變?yōu)榫G色時(shí)，只要輕踩油門，發(fā)動(dòng)機(jī)又會(huì)被迅速喚醒。不僅如此，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作時(shí)，發(fā)電機(jī)仍能支持空調(diào)工作并保證車內(nèi)舒適度。

俄羅斯西方科技大學(xué)在和JMEPOH的科研合作中，對(duì)伏爾加汽車制造廠制造的伐斯型汽車完成了“起動(dòng)-發(fā)電一體化”設(shè)備的研發(fā)，即CRY研發(fā)［2］。CRY是汽車電源機(jī)組，主要包括變換器和無換向器電機(jī)兩部分，整套還包括電力電容器和保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的調(diào)控元件，CRY可與電源電壓變換器同時(shí)工作。CRY在電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)兩種工作環(huán)境下，可產(chǎn)生12V與42V的車載兩級(jí)電壓［3］。

電機(jī)安放于傳動(dòng)箱和圓筒體之間的特定區(qū)域內(nèi)。為了有效冷卻電機(jī)中的定子，在電機(jī)內(nèi)設(shè)置冷卻液流轉(zhuǎn)專用的冷卻溝，而電機(jī)轉(zhuǎn)子作為發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪被直接安放于曲軸一端。以上設(shè)備可完成大功率的雙向傳遞工作，同時(shí)保證低速工作時(shí)曲軸扭轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，減少曲軸振動(dòng)與噪音。因?yàn)殡x合器溫度較高，同時(shí)油泄露、磨損以及含塵比例等對(duì)其提出了更高要求，所以不能用帶有換向器的電機(jī)工作。如果運(yùn)用非同步電機(jī)，則需要克服轉(zhuǎn)子在狹小空間內(nèi)散熱的難題，因此在帶整流橋永磁同步電機(jī)研發(fā)的基礎(chǔ)上研制出“起動(dòng)-發(fā)電一體化”設(shè)備。但由于配高橋頑力磁鋼永磁體電機(jī)制造費(fèi)用較高，所以采用可逆向、無觸點(diǎn)、可同步的感應(yīng)子型電動(dòng)機(jī)，因?yàn)樗霓D(zhuǎn)子軸無繞組、帶齒輪，同時(shí)損耗最低。而定子內(nèi)部則安置了同心線圈型多相繞組，構(gòu)架及制造流程簡單，同時(shí)其端部沒有交叉還能保證電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。

5 小結(jié)

如今，汽車電氣構(gòu)造的變革不僅影響汽車的發(fā)展進(jìn)程，還要依托電子科技、材料加工技術(shù)以及電腦解析技能等優(yōu)勢，若沒有這些科學(xué)技術(shù)作為基礎(chǔ)，汽車部件制造產(chǎn)業(yè)不會(huì)有很大發(fā)展。利用這些新技術(shù)可以加強(qiáng)交流型發(fā)電機(jī)與起動(dòng)機(jī)等汽車部件的創(chuàng)新、變革與完善，大力發(fā)展汽車工業(yè)，促進(jìn)汽車工業(yè)的現(xiàn)代化進(jìn)程發(fā)展。

［1］鄧隱北.鄧彬.汽車起動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的技術(shù)進(jìn)展［C］.中國會(huì)議論文，2005

［2］鄭乃金.汽車排放控制技術(shù)發(fā)展趨勢［J］.汽車技術(shù)，1996，(3):21～24

［3］王文林.汽車起動(dòng)機(jī)及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展［J］.機(jī)電工程，2004，(8):32～35