起動機(jī)直接溫控的過熱保護(hù)電路設(shè)計(jì)

查小凈，李 駿，吳東盛

（華東交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，南昌 330013）

0 引言

車輛發(fā)動機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)過渡到工作狀態(tài)，必須借助外力轉(zhuǎn)動發(fā)動機(jī)曲軸，曲軸在外力作用下旋轉(zhuǎn)從而帶動發(fā)動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，輸出動能驅(qū)動車輛行駛。起動機(jī)的作用就是將蓄電池的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過與起動機(jī)相嚙合的發(fā)動機(jī)飛輪，將起動機(jī)轉(zhuǎn)矩傳遞給發(fā)動機(jī)曲軸，為車輛發(fā)動機(jī)的起動提供能量[1]。

起動機(jī)在工作過程中的工作電流很大，容易導(dǎo)致過熱，進(jìn)而可能燒壞電磁開關(guān)線圈和起動電機(jī)線圈，造成車輛故障。目前，出現(xiàn)了一些電流過載的起動機(jī)保護(hù)裝置，以及計(jì)時(shí)計(jì)次的保護(hù)裝置，但沒有對起動機(jī)直接進(jìn)行溫度測量和控制的。因此，本文闡述一種起動機(jī)過熱保護(hù)裝置。當(dāng)起動機(jī)的電磁開關(guān)線圈或起動電機(jī)過熱時(shí)，該裝置均能起作用斷開電磁開關(guān)和起動電機(jī)的電路，對起動機(jī)過熱起到有效保護(hù)的作用。

1 起動機(jī)

1.1 基本結(jié)構(gòu)及工作原理

起動機(jī)通常由三部分組成：直流電動機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)、操縱機(jī)構(gòu)。當(dāng)點(diǎn)火開關(guān)接通，起動機(jī)開始工作，電磁開關(guān)通電產(chǎn)生電磁吸力，一方面接通主流電動機(jī)，另一方面通過操縱機(jī)構(gòu)將電動機(jī)輸出軸上的小齒輪與飛輪齒圈嚙合，電動機(jī)得電后驅(qū)動飛輪旋轉(zhuǎn)，從而起動發(fā)動機(jī)。電動機(jī)輸出軸與小齒輪之間裝有單向器以避免起動后電機(jī)超速旋轉(zhuǎn)[1]。

起動成功后，松開點(diǎn)火開關(guān)，電磁開關(guān)斷電，電動機(jī)停轉(zhuǎn)，小齒輪與飛輪之間脫開嚙合，起動機(jī)結(jié)束工作。若不及時(shí)斷開點(diǎn)火開關(guān)，則將使起動機(jī)過熱并可能導(dǎo)致起動機(jī)燒損。同樣原因，起動時(shí)要求駕駛員單次連續(xù)起動時(shí)間不宜過長，多次起動之間要有一定的間隔時(shí)間。若有過熱保護(hù)裝置，將有效解決這些問題。

1.2 性能要求

起動機(jī)工作時(shí)有如下要求[2]：

1）起動力矩大：起動機(jī)在剛接通時(shí)，發(fā)動機(jī)起動阻力矩最大，因此起動機(jī)只有具有足夠的起動力矩才能正常起動；

2）良好的超越離合性：發(fā)動機(jī)著火后，以很高的轉(zhuǎn)速反拖起動機(jī)，起動機(jī)如果超越離合性差，很容易燒毀損壞；

3）發(fā)動機(jī)工作后，起動機(jī)不能再嚙入飛輪齒圈；

4）齒輪嚙合容易；

5）起動機(jī)工作可靠經(jīng)久耐用。

為了保證具有足夠的起動力矩和功率，起動機(jī)的起動電流很大。如果起動時(shí)間過長，電機(jī)內(nèi)部會產(chǎn)生很高的溫度，破壞電機(jī)絕緣而損壞起動機(jī)。因此起動機(jī)屬于短時(shí)制工作電機(jī)，對于起動機(jī)的使用要求起動時(shí)間不得超過5秒，每次使用時(shí)間間隔不小于10~15秒，連續(xù)使用不得超過3次等，否則易造成起動機(jī)過熱失效。

2 溫控元件的選擇

車輛起動機(jī)的控制裝置包括電磁開關(guān)、起動繼電器和點(diǎn)火起動開關(guān)等部件。其中電磁開關(guān)主要由觸點(diǎn)、保持線圈、吸引線圈等組成，繼電器串接在點(diǎn)火開關(guān)和電磁開關(guān)之間。點(diǎn)火開關(guān)的一端與繼電器連接，另一端接有電源。本文的設(shè)計(jì)思路是在其控制回路中分別串接設(shè)置于電磁開關(guān)內(nèi)的溫控開關(guān)和設(shè)置于起動電機(jī)內(nèi)的溫控開關(guān)，這樣無論是電磁開關(guān)的線圈過熱還是起動電機(jī)過熱，溫控開關(guān)中的一個(gè)將斷開，使繼電器的控制回路斷電，從而使繼電器斷開電磁開關(guān)線圈的電流，進(jìn)而起動電機(jī)也斷電，起到保護(hù)作用。因此溫控元件的選擇成了首先要解決的問題。

考慮到溫控元件要直接測量溫度，要安裝在電磁開關(guān)線圈和起動電機(jī)線圈的附近，空間有限，為了滿足安裝條件這就首先要求溫控元件要有較小的體積且為細(xì)長結(jié)構(gòu)。此外，為了保證保護(hù)電路的效能及經(jīng)濟(jì)型，則要求溫控元件還應(yīng)具有精度高、耐腐蝕、抗氧化、耐腐蝕、可靠耐用、性能穩(wěn)定和價(jià)格低廉等特點(diǎn)。經(jīng)過比較分析后發(fā)現(xiàn)，常閉型熱敏鐵氧體磁性開關(guān)是適合作為溫控元件的。熱敏磁性開關(guān)是雙金屬片及熱敏電阻(NTC)等溫控開關(guān)的更新?lián)Q代產(chǎn)品，具有較兩者更好的使用性能，如表1所示[3]。

表1 溫控開關(guān)主要特性參數(shù)比較

熱敏軟磁鐵氧體材料主要有抗氧化、耐腐蝕、不易老化、性能穩(wěn)定和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)[4]，可制成常閉型、常開型和區(qū)域型幾種工作方式的熱敏開關(guān)。以常閉型熱敏鐵氧體磁性開關(guān)為例，其工作原理是利用磁性隨溫度的變化而發(fā)生改變這一特性來實(shí)現(xiàn)的。隨著溫度的升高達(dá)到居里點(diǎn)附近溫度時(shí)，熱敏軟磁鐵氧體材料的磁導(dǎo)率發(fā)生急劇變化，失去磁性來控制干簧管的開閉，起到斷開電路的作用。

3 保護(hù)電路設(shè)計(jì)

3.1 保護(hù)電路的基本結(jié)構(gòu)

在設(shè)計(jì)起動機(jī)過熱保護(hù)電路時(shí)，考慮既能對起動機(jī)電磁開關(guān)線圈的過熱起到保護(hù)作用，又能對起動電機(jī)的線圈起到過熱保護(hù)作用，必須選用兩個(gè)符合規(guī)格的常閉型熱敏鐵氧體磁性開關(guān)，結(jié)合起動機(jī)的基本組成部件及工作原理，故設(shè)計(jì)的保護(hù)電路如圖1所示。

圖1 起動機(jī)過熱保護(hù)電路的設(shè)計(jì)圖

由圖2可知，保護(hù)電路主要由電源1、點(diǎn)火開關(guān)2、繼電器3、電磁開關(guān)的保持線圈5、吸引線圈6、觸點(diǎn)4、設(shè)置于電磁開關(guān)內(nèi)的常閉型熱敏鐵氧體磁性開關(guān)7、設(shè)置于起動電機(jī)內(nèi)的常閉型熱敏鐵氧體磁性開關(guān)8和起動電機(jī)9組成。其中觸點(diǎn)4、保持線圈5及吸引線圈6為電磁開關(guān)部分。繼電器串接在點(diǎn)火開關(guān)和電磁開關(guān)之間，在控制回路中還分別串接了設(shè)置于電磁開關(guān)內(nèi)的常閉型熱敏鐵氧體磁性開關(guān)7和設(shè)置于起動電機(jī)內(nèi)常閉型熱敏鐵氧體磁性開關(guān)8。

3.2 保護(hù)電路的工作原理

當(dāng)起動機(jī)起動時(shí)，點(diǎn)火開關(guān)2處于閉合狀態(tài)，接通繼電器3的控制回路，使繼電器3將電磁開關(guān)的電路接通，電流分別流經(jīng)保持線圈5和吸引線圈6。流經(jīng)吸引線圈6的電流直接負(fù)極搭鐵后回流到電源1的負(fù)極，流經(jīng)保持線圈5的小電流進(jìn)入起動電機(jī)9使之慢轉(zhuǎn)；同時(shí)，在吸引線圈6和保持線圈5通電產(chǎn)生的磁通方向相同，電磁吸力相互疊加，吸引鐵芯向前移動，將觸點(diǎn)4接通，此時(shí)大電流由電源1直接進(jìn)入起動電機(jī)9使之快轉(zhuǎn)，起動機(jī)得以起動。若在起動操作過程中，因電流過大無論是造成電磁開關(guān)的線圈過熱（5或6）還是起動電機(jī)9過熱，常閉型熱敏鐵氧體磁性開關(guān)（7或8）中的一個(gè)將會斷開，使得繼電器的控制回路斷電。此時(shí)，繼電器3將斷開點(diǎn)火開關(guān)2和電磁開關(guān)線圈（5和6）間的電流，進(jìn)而電磁開關(guān)的觸點(diǎn)（4）也將斷開，電磁開關(guān)線圈和起動電機(jī)均斷電而停止工作，避免因過熱而燒壞?？芍摫Ｗo(hù)電路是通過直接測量起動機(jī)溫度來起到保護(hù)作用。

4 結(jié)束語

綜上所述，該起動機(jī)保護(hù)電路的重點(diǎn)在于：1）采用常閉型熱敏鐵氧體磁性開關(guān)直接測量起動機(jī)溫度來起到過熱保護(hù)作用；2）通過串接兩個(gè)熱敏鐵氧體磁性開關(guān)的繼電器控制回路，實(shí)現(xiàn)同時(shí)防止電磁開關(guān)線圈和起動電機(jī)的過熱。

在應(yīng)用方面，該車輛起動機(jī)過熱保護(hù)電路既可直接添加在直驅(qū)式起動機(jī)（無起動繼電器，多用于微型車、轎車）上，也可對單繼電器控制式起動機(jī)電路（柴油機(jī)、中小型工程機(jī)械）稍加改動而成。參考文獻(xiàn)：

[1] 陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].機(jī)械工業(yè)出版社, 2005:308-315.

[2] 高雪峰.汽車起動機(jī)[J].汽車知識,2003,(5):64-65.

[3] 上海特創(chuàng)磁電科技有限公司[EB/OL].http://www.techuang.com/rmkg02.htm,2008,10-17.

[4] 胡少明,任俊峰,王軍等.熱敏鐵氧體生產(chǎn)及應(yīng)用[J].電子工藝技術(shù),2005,26(6):355-356.