汽车起动机和发电机的技术进展

The technological progression of automotive starter and generator D1 EN G Y in-bei, 2DEN G bin
( 1. Zheng zho u U niver sity , Zhengzhou 450052, China; 2. U niver sity of Shanghai for Sic & T ech. , Shanghai 200093, China) ABSTRACT: T he constr uct ion featur e and the development of auto mot ive star ter and g enerat or is outlined in this paper . T echno lo gy pr og r ess o f the st arter and t he g enerat or signify advancement of mo der n aut omo bile, the aim t o rea lizing lo w oil consumption, high efficiency , hig h reliability , miniaturiza tio n and lightening etc. KEY WORDS: Star ter ; Gener ator ; Auto mobile; R eview
1. 2 单向离合器
离合器的作用是: 驱动齿轮( 小齿轮) 只在起动 时与飞轮齿圈啮合, 并将电动机的转矩及时传给飞
收稿日期: 2005- 01- 26
轮, 而其余时间保持分离状态。发动机起动后, 当飞 轮转速超过电机转速时, 能自动切断飞轮与转子的 联系, 使发动机的转矩不会反传给起动机, 以避免电 枢超速运转而损坏。 1. 3 控制开关
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微电机 2006 年 第 39 卷 第 1 期( 总第 148 期)
当时, 采用比一般材料费用高的铝, 是因为 模铸技 术的进步; 后工序中切削加工的效率高; 变形测 量仪表的精度高; !应力测定技术水平提高等周边 技术因素所决定的。起动机轻量化的进程如图 2 所 示。
化这一发展方针是持续不变的。
近 30 年来, 随着汽车工业的蓬勃发展, 车用交 流发电机的结构、功能、品种均有很大改进和革新。 例如原来用的触点式的晶体管式电压调节器, 体积 较大, 与发电机只能分离配套使用。而集成电路调压 器的成功研制, 能内置于发电机装成一体, 有利于小 型轻量化。不仅能调压, 还具有发出各种警报信号的 诊断功能。又如早期使用的 6 管硅整流发电机, 为利 用谐波电流增加功率而改用为 8 管发电机。继后, 又 增加 3 只小功率、专为励磁电路提供激磁电流用的 辅助二极管, 发展成 11 管发电机( 如桑塔纳轿车及 丰田微型客车等用的电机) 。
飞轮用无位置传感器无刷直流电动机系统设计 王正平 徐衍亮
动系统, 文章给出了这种电机的结构特点, 对其控制 系统进行了调试, 给出了合理的参数, 并且给出样机 及实验结果。为进一步进行飞轮系统的研究奠定了 基础。
参考文献
[ 1] 徐 衍亮. 空间飞行器用高速飞轮 系统电磁设计 计算研究[ M ] .
北京: 北京航空航天大学出版社, 2003. [ 2 ] 刘 胜 利, 刘 宁 宁. 无 位 置 传 感 器 的 直 流 无 刷 电 机 控 制 器
M L4425 及其应用( 2) [ J] . 电 源技术应 用, 2002, 5( 9 ) : 452456.
作者简 介: 王 正平( 1980- ) , 男, 山东 德州人, 硕 士研究 生, 研究方向是电机与电器。
汽车起动机和发电机的技术进展 邓隐北 邓彬
汽车起动机和发电机的技术进展
邓隐北1, 邓 彬2
( 1. 郑州大学, 郑州 450052; 2. 上海理工大学, 上海 200093)
摘 要: 概述了汽车起动机和发电机的结构特点及发展历程。起动机和发电机的技术进步标志着现代汽车的先进 性, 旨在实现低油耗、高效率、高可靠性和小型轻量化等性能。 关键词: 起动电机; 起动发电机; 汽车; 综述 中图分类号: T M 331 文献标识码: A 文章编号: 1001-6848( 2006) 01-0089-02
最近, 为解决城市客车普遍存在的低速运转导 致蓄电池放电频繁的缺点, 郑州大学研制成 6 相绕 组、串/ 并自动切换的 17 管发电机( 2004 年 9 月已 获国家专利) , 成功解决了零电流转速偏高、蓄电池 使用寿命短等关键问题。
随着汽车用电量需求的增加, 如空调用电、燃料 ( 下转第 93 页)
作者简 介: 邓 隐北( 1937- ) , 男, 教授, 从 事电机 教学及 科研工作。
b) 内扇型 图 6 交流发电机的冷却
交流发电机通常是由发动机驱动的部件, 从机 械上讲也属于发动机的负荷。交流发电机效率提高, 有利于直接燃料费用的降低。一般, 交流发电机效率
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由开关盒和控制机构组成, 开关盒内装有动、静 触点, 用来接通和断开蓄电池通往电机的电路。控制 开关已由过去的机械式改变为电磁操纵式, 并设有 保护电路。图 1 所示为起动机的典型结构。
图 1 标准型起动机的结构
2 汽车起动机轻量化
早在 20 世纪 50 年代后半期, 起动机的输入电 压由 6V 提升到 12V。通电电流减小, 大幅度实现了 轻量化。再到 60 年代, 将托架( 轴承架) 等结构件材 料由铸铁制作改为压( 模) 铸铝制件, 重量显著减轻。
图 3 采用行星齿轮减速的起动机
为了达到上述串复励直流电动机的“软”特性, 设计出图 4 所示配置辅助磁极的磁场结构。在辅助 磁极部位, 电枢内产生的电枢反应( 由流入电枢的电 流产生的磁场) 增强, 因而增加了大电流区的转矩; 另方面, 在转速增加的小电流 区, 这一增磁作用减 小, 电机因平均磁通的减少而进入高速旋转。此外, 当负荷增加, 电流增大时, 由于电枢反应的磁场会削 减磁铁的能量, 导致永磁体的退磁, 这可从材料上选 用抗去磁能力( 矫顽力) 大、磁能积高的钕铁硼等稀 土永磁材料来解决, 此后, 结构上无大的变化。但扩 大传动比、减小电动机直径、缩短总长度; 绝缘材料、 永磁材料的高性能化等, 以实现起动机的小型轻量
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图 4 永磁励磁的磁场结构
3 交流发电机
最初装在汽车上的发电机, 旨在给蓄电池充电, 勿需过大的输出电流。1905 年一种被称为 dynam o 的直流发电机, 形成主流达半个世纪。迄至上世纪 60 年代, 世界发达国家的汽车显著增加, 城市低速 行驶时间较多, 起动次数频繁, 蓄电池经常处于放电 工况, 故要求直流发电机既要提高输出功率, 又要满 足汽车低速时向蓄电池充电。这就势必增加发电机 的体积和重量, 从而导致在发动机上安装困难。此 外, 现代汽车的发展, 要求发动机转速变动范围大, 如果直流发电机在低速能达到充电要求, 那么当发 动机高速时其转速会很高, 致使换向困难, 电刷与换 向器之间的火花很大, 甚至使发电机不能正常工作。 因此, 传统的直流发电机不能适应现代汽车的需要, 而逐渐被交流发电机所取代。交流发电机与直流发 电机比较, 体积小、重量轻、低速充电性好、火花小、 比功率( W/ kg ) 大、使用寿命长, 因而迅速被推广。
1 汽车起动机简介
起动机的基本功能是将蓄电池给予的电能变换 为旋转力的机械能, 并通过飞轮齿圈( 环形齿轮) 达 到发动机起动时所需的转速。汽车起动机实际上是 由直流电动机、带齿轮的单向离合器和控制开关三 部分组成。
1. 1 直流电动机
首先, 作为产生旋转力的电动机, 特别在一些大 功率的汽车发动机上, 多数采用以串励为主的复激 式直流电动机, 可适应变化较大的负荷。电动机中的 并励磁场线圈在电源电压不变时, 其激磁电流变化 小, 磁密变化也较小, 有利于保持电机的转速平稳。 而当负荷增加时, 由于串励磁场线圈可增加电动机 的原有磁通, 产生较大的转矩, 转速下降。也即, 在低 转速下转矩很大, 随着转速的升高, 转矩逐渐减小。 这 一“软”的机械特性很适合汽车发动机的起动要 求, 可保证安全可靠地起动发动机。
wk.baidu.coma) 外扇型
如提高 30% , 燃料的消耗可改善 1% 。近年来, 双内 风扇、双风道式交流发电机崛起, 它依靠转速的提高 和冷却的改善, 使发电机体积显著缩小, 性能不断提 高。
目前, 发电机效率不断改善的水冷式交流发电 机问世, 有效解决了燃料费用上涨、用电需求增大等 问题。该水冷式交流发电机对其发热部件( 定子线 圈、二极管等) , 若利用发动机的冷却水可能更有效。 而且, 与原来比较不需要冷却风, 也能明显降低起因 于转子旋转的风噪音。故在高级轿车上的应用正不 断扩大。
( 上接第 90 页) 系统的电子化、排气的净化处理、电动执行机构的增 多及其用电等, 输出电流增大, 致使交流发电机的发 热量增加。内置的二极管及调压用半导体, 将处于更 苛刻的温度环境下。因此, 如何更有效地冷却发电机 成为重要的课题。致力于冷却的研制一直未曾间断, 其典型实例如图 5 所示。原来是采用装在皮带轮一 侧的外风扇冷却( 外扇型) , 但从 1980 年以后, 比较 流行将小型风扇配置于转子两侧的内扇型。由于皮 带轮传动比的增大, 在更高的转速下, 发电机效率和 冷却效率均同时得到提高。
图 2 起动机轻量化的进程
进入 70 年代后, 基于寒冷地区的自起动以及更 轻量化的目的, 出现了将减速装置内置于电动机与 小齿轮之间的行星齿轮减速式起动机, 图 3 为现在 小轿车中最常用的行星齿轮减速装置。到 80 年代, 开始对电动机部分加以改进, 采用永磁励磁的起动 机问世。当时以铁氧体为永磁材料的一般电动机已 普及, 但应用于起动机时尚须在结构上作改进。
参考文献
[ 1] 西田, 尤已, 高野, 雅美, 自动车电 装品 技术变迁. 日本“电学 志”123 卷 8 号, 2003, 523- 526.
[ 2] 郑仁 , 朱顺泉编. 汽 车电动机、发电机 结构与维修[ M ] . 北京 国防工业出版社, 2002.
[3] 胡明义. 汽车交流发电机结构原理与检修[ M ] . 北京: 北京理工 大学出版社, 2001.
4 结 论
汽车电气部件的改进是建立在材料技术、加工 技术、电子技术以及有效利用计算机分析技术等基 础之上的。没有这些相关技术的进步, 就不能实现汽 车部件的更新发展。这是每个汽车用户所期盼的, 也 是社会的广泛需求。起动机、交流发电机等汽车部件 的不断改进、完善, 将大力促进汽车工业 的蓬勃发 展。