起停起動機(jī)電刷結(jié)構(gòu)的研究

陳金玉

（錦州漢拿電機(jī)有限公司，遼寧 錦州 121013）

起停起動機(jī)電刷結(jié)構(gòu)的研究

陳金玉

（錦州漢拿電機(jī)有限公司，遼寧 錦州 121013）

論述汽車用永磁起動機(jī)使用四電刷與六電刷的區(qū)別，從電機(jī)電路的角度來分析永磁起動機(jī)采用六電刷的作用與意義。

起動機(jī)；起停系統(tǒng)；電刷；電樞

起動機(jī)是傳統(tǒng)汽車的必要部件，為了改善人們生活環(huán)境，起停系統(tǒng)已被應(yīng)用到汽車當(dāng)中。一般使用起停系統(tǒng)的汽車，能減少4 %～8 %的燃料消耗，這樣也可以減少對環(huán)境的污染。起停系統(tǒng)仍需要起動機(jī)，當(dāng)駕駛員在某些時(shí)候（如等紅燈或堵車）需要隨時(shí)開起或關(guān)閉發(fā)動機(jī)時(shí)，傳統(tǒng)電機(jī)就不能滿足起停系統(tǒng)的需求。因此，一種高壽命的起停電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，且這種起停電機(jī)大多采用六電刷結(jié)構(gòu)。

1 概述

起動機(jī)是將蓄電池的化學(xué)能轉(zhuǎn)為機(jī)械能，用起動齒輪帶動發(fā)動機(jī)的飛輪齒圈，并拖動發(fā)動機(jī)進(jìn)行起動［1］。起停起動機(jī)與傳統(tǒng)起動機(jī)在功能上的區(qū)別很小，主要是由于起停起動機(jī)需要頻繁起動，因此對其的使用壽命要求更高，傳統(tǒng)起動機(jī)的壽命要求3.5萬次以上，而起停起動機(jī)的壽命要求為25萬次以上。決定起動機(jī)耐久性的因素有以下3點(diǎn)：①電刷的耐磨能力；②電機(jī)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；③旋轉(zhuǎn)部件的耐磨損能力，尤其是軸承。提高電機(jī)耐久性的方法也有3點(diǎn)：①使用六電刷結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用雙層電刷，接觸力優(yōu)化，電刷與換向器的配合優(yōu)化（包含材料、電位角的選擇等）；②保證電機(jī)本身的穩(wěn)定性，提高部件的加工精度和同軸度；③采用耐磨能力更高的滾針軸承。

2 四電刷結(jié)構(gòu)與六電刷結(jié)構(gòu)的不同之處

本文主要以6個(gè)永磁體磁鋼再配置4個(gè)電刷和6個(gè)電刷的不同之處進(jìn)行論述。

2.1 四電刷結(jié)構(gòu)

四電刷結(jié)構(gòu)：電樞槽數(shù)Z為29槽，電樞導(dǎo)線外徑D為Φ2.0 mm，銅線長度L為130 mm，電樞的繞線方式采用波繞法，極對數(shù)p為3（NS極各3個(gè)，6片磁鋼），2對電刷（正負(fù)極各2個(gè)，共4個(gè)電刷）。

單根導(dǎo)線電阻R0=ρL/S=0.724 mΩ。

公式中，銅線電阻率ρ=0.0175 mΩ·mm；銅線的橫截面積S =π（D/2）2。

電樞采用波繞方式，根據(jù)波繞電樞的繞線方式，節(jié)距y=Z/2p±ε=29/6+ε=5［2］。圖1為起動機(jī)電刷與換向器匹配示意圖（四電刷角度之一）。圖2為波繞電樞電路連接圖（四電刷），且與圖1相對應(yīng)。圖3為起動機(jī)電樞電路連接圖（四電刷角度之一），與圖1相對應(yīng)，并聯(lián)支路一有10根導(dǎo)線，總電阻R1=10R0，并聯(lián)支路二有9根導(dǎo)線，總電阻R2=9R0，此時(shí)電樞的工作電阻R=R1×R2/（R1+R2）=3.43 mΩ。

圖1 起動機(jī)電刷與換向器匹配平面示意圖（四電刷角度之一）

圖2 波繞電樞電路連接圖（四電刷）

圖3 起動機(jī)電樞電路連接示意圖（四電刷角度之一）

當(dāng)電樞轉(zhuǎn)過一定角度后，整個(gè)電路會發(fā)生變化。圖4為電刷與換向器示意圖（四電刷角度之二），圖5為起動機(jī)電樞電路連接示意圖（四電刷角度之二）。與圖4相對應(yīng)，并聯(lián)支路一有10根導(dǎo)線，總電阻R3=10R0，并聯(lián)支路二有10根導(dǎo)線，總電阻R4=10R0，此時(shí)電樞的工作電阻R=R3×R4/（R3+R4）=3.62 mΩ。

圖4 電刷與換向器匹配示意圖（四電刷角度之二）

圖5 起動機(jī)電樞電路連接示意圖（四電刷角度之二）

采用ANSOFT軟件對四電刷起動機(jī)性能進(jìn)行分析，得出電流曲線見圖6。電機(jī)主要以10串并10串形式存在，但是在運(yùn)轉(zhuǎn)到一定角度時(shí)會出現(xiàn)10串并9串，即是圖6中尖點(diǎn)部位，并且電流波動范圍較大，在455～500 A之間。

圖6 起動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程電流曲線（四電刷）

采用ANSOFT軟件對四電刷起動機(jī)性能進(jìn)行分析，得出扭矩曲線，見圖7。扭矩在1.28～1.6 Nm波動，由于電阻的變化，在電阻變小時(shí)出現(xiàn)高扭矩點(diǎn)。

圖7 起動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程扭矩曲線（四電刷）

2.2 六電刷結(jié)構(gòu)

六電刷結(jié)構(gòu)：在四電刷基礎(chǔ)上增加1對電刷（一正一負(fù)），使得起動機(jī)電刷為3對（3正、3負(fù)，6個(gè)電刷）。圖8為電刷與換向器匹配示意圖，圖9為電刷波繞電樞電路連接圖，圖10為起動機(jī)電樞電路連接示意圖。無論如何調(diào)整角度，并聯(lián)支路一和二都只有9根導(dǎo)線導(dǎo)通，比四電刷要少1根導(dǎo)線，電樞工作電阻為3.26 mΩ，小于四電刷電阻。

圖8 電刷與換向器匹配示意圖（六電刷）

圖9 電刷波繞電樞電路連接圖（六電刷）

圖10 起動機(jī)電樞電路連接示意圖（六電刷）

采用ANSOFT軟件對六電刷起動機(jī)性能進(jìn)行分析，得出電流曲線見圖11。電機(jī)一直以9串并9串形式存在，不會像四電刷那樣出現(xiàn)尖點(diǎn)部位。電流在490～500 A波動，波動范圍很小。

圖11 起動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程電流曲線（六電刷）

采用ANSOFT軟件對六電刷起動機(jī)性能進(jìn)行分析，得出扭矩曲線見圖12。扭矩在1.38～1.52 Nm波動，變化范圍小，且扭矩大于四電刷起動機(jī)扭矩。

圖12 起動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程扭矩曲線（六電刷）

3 總結(jié)

起停系統(tǒng)的應(yīng)用可以使車輛暫停時(shí)，自動停止發(fā)動機(jī)工作，從而減少燃油消耗，減低排放，尤其在那些交通擁擠的大城市運(yùn)用這種技術(shù)對節(jié)能減排有著不錯(cuò)的效果［3］。傳統(tǒng)電機(jī)多采用四電刷，因四電刷結(jié)構(gòu)更加簡單，制造成本低，且可以滿足實(shí)際使用需求；但是起停電機(jī)對于起動機(jī)的壽命要求非常高，需要25萬次以上，因此大多數(shù)客戶采用六電刷結(jié)構(gòu)，國際上的代表客戶有博世、法雷奧等知名企業(yè)。六電刷主要是為了提高電機(jī)的使用壽命，同時(shí)電機(jī)的穩(wěn)定性更好，性能更優(yōu)越，如實(shí)現(xiàn)相同的性能，還可以減少銅線使用率，起到降低電樞成本的作用。

［1］ 胡明義.汽車起動機(jī)結(jié)構(gòu)、原理與檢修［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［2］ 王正茂，閻治安，崔新藝，等.電機(jī)學(xué)［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2000.

［3］ 裴玉妓，紀(jì)天寶. 發(fā)動機(jī)起停技術(shù)研究［J］.汽車工程師，2012（7）：17-19.

（編輯 凌 波）

Research on Vehicle Start- Stop Motor Brush Structure

CHEN Jin-yu
（Jinzhou Halla Electrical Equipment Co., Ltd., Jinzhou 121013，China）

This article mainly discusses differences between 4-brush and 6-brush structed used on vehicle permanent magnet starter, then analyzes the effect and meanings of using 6-brush on starter from the perspective of engine circuit.

starter; start-stop system; brush; armature

U464.337

A

1003-8639（2017）07-0047-03

2016-09-19；

2017-03-10

陳金玉（1980-），男，主要從事起動機(jī)的設(shè)計(jì)與研發(fā)工作。