起動機生產與使用中的幾個誤區(qū)

楊忠君，伏廣慧，未 平，譚俊杰

（浙江博宇實業(yè)有限公司，浙江 金華 321200）

起動機是汽車電器部分中十分重要的部件，它是汽車發(fā)動必須依靠的，而又讓人非常頭疼無奈的直流電機。這是因為起動機在電起動發(fā)動機方面，還沒有其它代替手段，所以汽車必須依賴于它。而在汽車維修領域中，起動機故障始終位居 “前三甲”之列。

本文主要就浙江博宇實業(yè)有限公司生產制造的實際與車輛安裝起動機時的一些問題進行討論，從公司的起動機生產、起動機試驗分析、起動機退貨分析、起動機現(xiàn)場裝車等方面，列舉起動機在生產與使用中的幾大誤區(qū)，與讀者共同探討交流。

1 生產中的誤區(qū)

1.1 誤區(qū)1 強調轉子品質，忽視定子品質。

起動機生產中，轉子是其核心部件，轉子的品質很大程度上決定著起動機的使用壽命。無論是絕緣等級還是車加工，耐壓、點焊、動平衡……，轉子生產的工序實質上是沒有關鍵和非關鍵之分的，每一道工序，哪怕就是插紙，都能影響其最終的品質。對工序控制不嚴是轉子經(jīng)常出現(xiàn)問題的原因，這也是起動機生產企業(yè)的一個共識。

目前生產的起動機按定子勵磁方式分類，可分為激磁式與永磁式。對于激磁起動機，工作時，轉子用以形成磁場的電流來源于2個焊接在定子線圈上的正極電刷，如果定子品質不過關，那么會直接導致轉子存在潛在失效故障，進而影響起動機的工作壽命。所以，定子是否存在潛在的故障，比如耐壓、匝間短路等，都會直接影響轉子的使用壽命。我們在對大功率電動機進行試驗時，使用經(jīng)過新工藝制作的定子 （耐壓1 000 V， 漏電電流＜0.15 mA），功率在連續(xù)測試后，下降遠遠小于普通定子，而試驗耐久次數(shù)更是遠遠高于普通定子。由此說明，定子制作的品質也是關系起動機壽命的重要組成部分。并且我們認為，對于定子耐壓的檢驗并非是使用電壓越高越好，因為定子制作完成后，不漏電幾乎是不可能的，只是漏電大小的問題。而絕緣電阻卻是一個可測的硬性指標，比如：定子絕緣電阻要求1 MΩ，使用660 V電壓檢驗，那么漏電允許的漏電電流是0.66 mA。當然在這種能達到絕緣電阻要求的前提下，測試電壓是越高越好。

對于永磁電機，永磁體的品質，特別是退磁時間，是決定起動機壽命的關鍵。因為對永磁電機而言，定子磁場是大于轉子磁場的，待磁瓦退磁到一定值時，起動機無法起動發(fā)動機，而這個退磁所用的時間，也就是起動機規(guī)定的壽命。所以，起動機生產中決不可片面強調轉子品質，而忽視定子品質。

1.2 誤區(qū)2 起動機電刷使用時間短，只對電刷品質懷疑，不做延伸離散分析。

電刷的品質好壞對起動機使用時間的長短是至關重要的，若電刷磨損過快，很容易造成起動機的壽命短暫，所以電刷品質一定要達到起動機的使用壽命要求。若僅僅強調電刷的品質，并以此控制電刷的磨損量，對于起動機的制造來說是遠遠不夠的。因為造成電刷磨損過快的原因，除了電刷品質，還有許多其它因素，比如機械摩擦過大或起動機間隙錯誤造成起動電流大等。下面主要探討對電刷磨損有直接影響的3個方面。

1）換向器刻槽寬度與圓周表面粗糙度 電樞換向器下刻的主要目的是去除絕緣層，否則電刷會跳動。又因為絕緣層比銅更不易磨損，所以刻槽寬度如果小于絕緣槽，使絕緣層有剩余，就會加速電刷磨損，增大火花。下刻時，只要刻槽寬度略大于絕緣槽，能將絕緣層去除干凈，在這種情況下，刻槽寬度越小越好?？痰奶珜挘坏黾訐Q向周期，電流密度的設計值要求也會比較高，因為換向截面積減小了，而且增加了發(fā)熱，這些對起動機的正常工作都是不利的。判定方法：以兩邊露銅為準，如果絕緣層沒有去除或去除得不干凈，這些都是不正確的。

據(jù)我們了解，起動機刻槽機用的銑刀寬度有4種：0.7 mm、0.8 mm、0.9 mm、1.0 mm。使用哪種寬度的銑刀取決于絕緣層的厚度。在刻槽以后，要對換向器表面進行處理，無論是用精車機精車 （車刀為寶石刀，前角10°，轉速達到要求），還是用砂紙打磨，關鍵是要達到粗糙度 （0.8）的要求。一般來講，換向器粗糙度應該達到鏡面效果，用手觸摸，要感覺非常光滑，且感覺不到毛刺的存在。一般此工序完成后，要對換向器進行覆蓋保護處理，即不準在以后的工序中碰觸換向器圓周面，以免由于圓周面粘帶臟污、雜屑對換向不利，甚至造成電刷崩裂。若換向器粗糙度達到要求，那么在起動機工作時就不用電刷去將換向器磨平至工作需要的粗糙度；若換向器粗糙度不達標，電刷磨損實質上是起動機使用初期最為嚴重，待換向器圓周面被電刷磨平后，起動機才達到穩(wěn)定工作環(huán)境，這時早已造成電刷磨損量下降。所以，建議換向器圓周面在經(jīng)打磨或精車工序后可以達到鏡面效果，以降低起動機工作初始電刷為磨平換向器而磨損的量。

為減少起動機工作時對某一電刷過多的磨損，建議0.25P≤1%F。

刷簧的壓力或位置錯誤 （特別是刷簧支柱傾斜，必定造成刷簧與電刷接觸點錯誤），都會造成電刷在刷盒里傾斜或靠單邊，導致起動機工作時，電刷偏磨，起動機工作電流大，甚至引起電刷掉渣炸裂，對起動機的壽命造成直接影響。刷簧的位置能否在電刷的軸線中央，是判定其位置正確與否的依據(jù)。圖1是刷簧位置圖，供參考。

3）電流角 電流角對于起動機的影響是很大的，它不但影響起動機的壽命，而且直接影響起動機的性能。通過電流角的改變，可以直接調節(jié)起動機的轉矩、轉速、電流等參數(shù)。

我們對電流角的理解是：電流角就是起動機完成總裝后，電刷軸線與磁極中心線的距離，通過此距離換算可以得到一個角度。

例如：設轉子換向器外徑為36mm，如圖2所示，電刷中心線與磁極中心線距離為3mm。

令電流角為α，換向器外徑為D，電刷中心線與磁極中心線距離為L， 那么α=（L／πD）×360°， 則圖2中電流角α=［3／（3.14×36）］×360°=9.55°。

注意：這是起動機的提前角，也有人叫電流角，而不是換向角。這是我們總結的一個經(jīng)驗公式，在起動機上很實用。通過改變電刷中心線與磁極中心線的距離，來調整起動機的性能。

起動機工作時，產生的力矩、轉速大小與cosα成正比，按此理論當α=0°時，cosα達到最大值，為1，起動機性能應該最好。但具體起動機的實際情況并非如此，由于換向超前、電抗、氣隙磁場畸變的影響，激磁起動機的最佳性能電流角并非0°，可通過試驗得到正確的電流角度。

電流角的確定非常關鍵，因為電流角不但影響著起動機的性能，而且決定著電刷火花的大小?；鸹ù螅娝⒈囟p嚴重，直接影響電刷壽命，特別是若形成環(huán)火，那起動機的壽命將非常短暫。

我們曾經(jīng)試驗：對某款起動機，未調整電流角時，耐久試驗4000次后，電刷磨損到極限位置。為改進，在起動機后端蓋打孔觀察電刷火花，發(fā)現(xiàn)火花大，為此固定定子，旋轉后蓋，改變電刷中心線與磁極中心線的距離，直至火花達到要求。改進后，起動機在耐久測試臺上試驗8000次后，裝柴油機試驗，確認可以起動柴油機后，進行2000次起動柴油機試驗后，電刷仍未磨損到極限位置。

1.3 誤區(qū)3 點焊是熔化銅線，直接壓粘。

起動機電樞點焊對于帶有換向器的電樞生產而言是制造必不可少的工序，點焊對焊頭形狀、壓力、電流、預熱時間、點焊時間都應有具體而準確的要求?，F(xiàn)在點焊主要是靠焊頭熱量軟化電樞線與換向器升高片，靠壓力將電樞線壓至變形充滿換向器升高片槽，以壓下的升高片封住電樞線。點焊后的檢驗，往往考慮電樞繞組的抗拉強度 （電樞線脫出力），我們認為這是不夠的。因為，點焊過程只是微熔過程，其焊點會隨著時間推移，其熔合點會減弱，而且極易受到腐蝕。因此，對焊點的強度要求不能以理想狀態(tài)來制定其檢驗用標準，比如使用公式：F=mw2r來計算得出電樞線的脫出力，進而以此為標準，來檢驗點焊后電樞線的強度，這是不準確的。

考慮到環(huán)境變化，特別是溫度變化，點焊后電樞線的強度應大于F。電樞的點焊對抗沖擊、抗剪切、抗扭曲的強度一般要求較低，故可用沖擊、剪切和扭曲的試驗方法檢測出其焊接強度，而且操作性好。電樞銅線的熔化溫度是1083℃，所以焊頭的溫度不會將銅線熔化，而只是借助這種熱量，使銅線更易壓入槽內，產生永久塑性變形，填充滿整個換向器槽，并非是將銅線熔化，直接粘結。如果做到粘結，則需加焊料輔助焊接。值得注意的是：點焊過程中氣壓與冷卻水的壓力要穩(wěn)定，否則也會影響點焊品質。對于大功率的電動機，可以考慮使用加焊料的方式焊接，增加其緊固程度。一般來講，點焊還是電阻焊，其熱量可由公式計算得到

式中：Q——產生的熱量，J；I——通電電流，A；R——兩極間的電阻，Ω；t——通電時間，s。

由式 （1）可以推理，只要增加焊接電流與通電時間，就可以達到銅的熔化溫度，將電樞繞組粘結焊牢。但事實并非如此，因為溫度過高，換向器會受到損害。試驗發(fā)現(xiàn)，點焊時，溫度無需達到銅的熔化溫度，換向器銅排就會炸開；如果達到熔化銅線溫度，那換向器銅排早已損壞了。我們認為，點焊完成后，負極點焊頭與升高片之間的銅排是不允許變色的。若變色，說明銅排與換向器填料已有分離的趨勢或已分離，存在潛在甩排的可能。

1.4 誤區(qū)4 絕緣材料對起動機壽命影響不大。

起動機生產中大量使用絕緣材料，比如絕緣紙、絕緣漆、漆包線、絕緣套管等。這些絕緣材料對起動機而言是不可缺少的，并且起動機絕緣材料的損壞可以直接導致起動機損壞。特別是絕緣材料都有耐溫等級要求，起動機在多次起動后內部溫度比較高，而高溫下這些絕緣材料的性能是否穩(wěn)定決定著起動機壽命是否長久。絕緣材料壽命公式如下

式中：H——絕緣材料的壽命，h；e——函數(shù)符號， 近似值為2.7182；t——溫度；A，m——常數(shù)。

絕緣等級耐熱曲線如圖3所示。

由式 （2）與圖3可知，絕緣材料的壽命是隨著溫度的升高呈級數(shù)遞減的，H級絕緣材料溫度每升高12℃，壽命降低50%。而起動機中的絕緣材料失效必定造成短路，故此應盡可能選用耐溫等級符合要求的絕緣材料，以不影響起動機的工作壽命。這里談一點看起來似乎很簡單的一個電樞制造工序——插槽絕緣紙，我們建議插槽絕緣紙在電樞絕緣板的兩端露出2.5～3 mm， 功率＞6 kW的起動機，絕緣紙在電樞尾端建議翻邊，以保證電樞線在扭頭與工作時，電樞線與鐵心齒部完全隔離，以免造成短路搭鐵。另外就是浸漆，浸漆作用很重要，包括絕緣、護線、抗腐蝕等。起動機電樞若浸快干漆不能達到浸漆要求，建議使用雙組份環(huán)氧樹脂代替，其效果遠勝于快干漆。

1.5 誤區(qū)5 起動機耐久試驗發(fā)動機考核不如測試臺。

起動機生產企業(yè)在一款新機大批量生產前，一般會對制造的樣機進行多項試驗，其中耐久試驗是必不可少的一項。起動機耐久試驗的考核最好在發(fā)動機上進行，當然裝車試驗更佳。使用耐久測試臺進行耐久試驗來等同裝車試驗是錯誤的，測試臺是無法完全模擬發(fā)動機的工作過程的，它只能作為一個參考。使用發(fā)動機試驗時，發(fā)動機因活塞做往復運動和活塞壓縮結束時帶給起動機的沖擊力是波動的，起動機在起動發(fā)動機時始終受到這種間歇沖擊力，這樣勢必造成起動機換向惡化，對起動機換向器與電刷考核更為嚴酷。發(fā)動機反拖起動機的轉速與測試臺不同，發(fā)動機起動后轉速變化的加速度不是恒值，是一個變加速過程。而測試臺一般的反拖轉速是設定的 （即恒定），所以，發(fā)動機試驗或裝車試驗對單向器、換向器的考核也更為嚴酷。并且測試臺無法模擬發(fā)動機發(fā)動過程中因振動帶給起動機的沖擊。由此可見，在發(fā)動機上試驗更接近現(xiàn)實的使用條件。

2 使用中的誤區(qū)

2.1 誤區(qū)1 轉子換向器炸排，只追究換向器的品質。

換向器炸排與換向器的品質是有直接聯(lián)系的。但是，未按說明書或者未按正確的操作規(guī)程操作，也是造成換向器炸排的重要原因之一。起動機起動時間過長，休息時間不足，造成起動機內部溫度升得過高、過快。溫度過高使換向器工作環(huán)境惡化，起動后反拖時間過長，使換向器緊固圈失效，銅排軟化，起動機在高溫反拖的情況下很容易造成換向器銅排甩出，如圖4所示，進而造成起動機損壞。

我們認為，這種炸排主要是起動機使用不當造成的。若使用得當，確實為起動機換向器本身品質問題，那么炸排之前，換向器應有單排或多排甩出，而并非是炸排。因為換向器單排跳出后，起動機將無法工作，故此，起動機炸排前已無法工作。如果起動機多次起車，間歇時間短，起動機內部溫度升得過高，相當于起動機的使用環(huán)境驟然變化，而駕駛員因多次起車失敗，起車后為防止車熄火而未及時松開起動鑰匙，造成長時間反拖。環(huán)境的驟變加上人為的錯誤使用，就造成了這種炸排現(xiàn)象。

2.2 誤區(qū)2 完全依賴起動機生產廠，忽略整個起動系統(tǒng)的匹配與對起動機的保養(yǎng)。

1）起動系統(tǒng)的匹配 起動系統(tǒng)并非是單獨由起動機構成，其包括了起動機、發(fā)動機、蓄電池、控制繼電器與連接電線束。所以起動機的選型是一個綜合考慮的問題。對于起動機而言，起動機起動發(fā)動機的起動點設置在起動機測試功率曲線最大功率點的左邊是最好的，因為只有這樣才能保證起動機在低溫下的起車性能。如圖5所示。

起動機設計起動點即使設計在最大功率點的左邊，也必須對另一點認真考慮，那就是起動機的0轉速性能 （制動性能）。我們認為，起動機轉速是起動機輸出轉矩后的一個附加結果，若達到起動轉速，首先要克服發(fā)動機的阻力矩，所以起動機要起車，首先考慮的是轉矩。增大起動機轉矩一般來說有以下幾種方法：改變起動機電磁設計；改變起動機與發(fā)動機的傳動比；增大蓄電池等。所以即使起動機針對某款發(fā)動機的設計完全正確，但若售后市場的修理人員配車型錯誤，那么也未必能正常起車。正常起車除與起動機本身有關外，和與之相關的零部件也關系很大，這就是所說的起動系統(tǒng)匹配問題。

比如：重汽某款車型曾因為蓄電池與發(fā)動機的距離太長 （現(xiàn)已改進），使用電線束過長、過細，造成壓降損失大而起車困難。另外，發(fā)動機飛輪到安裝止口的距離 （參考2.3章節(jié)），驅動齒輪與飛輪齒圈的嚙合、起動機安裝螺栓的擰緊力矩 （40～65 Nm）、發(fā)動機的配重、蓄電池容量等都與起動機的使用與壽命有著直接的關系。故此，起動機的使用是一個綜合問題，并非是單與起動機有關，而是與整個起動系統(tǒng)相關。

2）起動機的保養(yǎng) 有資料顯示，車行駛3000km，起動機就要進行相應的保養(yǎng)，而現(xiàn)在起動機售后市場混亂，根本做不到這一點。比如：前蓋帶有含油軸承的起動機，含油軸承與驅動軸配合間隙很小，在使用過程中要定期對其保養(yǎng)，在含油軸承或單向器輸出軸上涂抹符合要求的潤滑油，以免造成干磨（干磨很容易損傷含油軸承），進而使驅動齒輪與發(fā)動機飛輪間隙變大，不能正常嚙合。起動機要定期清潔，因為如果炭粉落入定子內或填充到換向器槽內，都會影響起動機的工作，甚至引起起動機銅排短路。無論是傳動件、接觸件加油脂，還是清潔定、轉子，更換電刷，都是為增加起動機壽命而必須進行的保養(yǎng)。

2.3 誤區(qū)3 銑齒就是起動機單向器行程或開關問題。

對于起動機銑齒，原因很多。就嚙合過程而言，希望達到驅動齒輪先嚙合后轉動的效果 （強制嚙合），或者是先慢轉后工作 （柔性嚙合）。但對于強制嚙合，起動機是不容易做到的，因為起動機安裝后，驅動齒輪與飛輪的距離限制著我們對電磁開關與單向器行程的改進。

國標JB1506—75中規(guī)定：起動機安裝后，飛輪與驅動齒輪的距離δ＝3～5mm。目前許多書籍與修理資料也提供這個數(shù)據(jù)。不知道這個數(shù)據(jù)是根據(jù)什么得出的，但從實際出發(fā)，只要能保證正常起動，且發(fā)動機在正常運轉中，飛輪齒圈不碰擦驅動齒輪，我們認為δ越小越好。因為δ越小，起動時驅動齒輪對飛輪齒圈的沖擊力就越小，飛輪齒圈被撞擊損壞的可能性就越小，比如捷達轎車起動機安裝后的距離不足1mm。

其次δ越小，在強制嚙合情況下，嚙合彈簧對驅動齒輪的壓力越大，就越容易嚙合成功。例如斯太爾的兩款車型，δ值相差3 mm（由驅動齒輪嚙合痕跡判定），假設一種起動機δ＝1 mm，另一種起動機δ＝4mm，那么后者飛輪齒圈受到的沖擊力將成倍的大于前者。這是因為電磁開關線圈剛通電時，鐵心有一半在線圈外，受到的電磁吸力還較小，隨著鐵心向線圈內移動，電磁吸力越來越大，這樣鐵心的移動過程就是一個加速過程，移動距離越長，鐵心的移動速度越快。而通過撥叉轉為驅動齒輪的移動，則是δ越大，驅動齒輪撞擊飛輪齒圈的速度就越高，沖擊力也就越大，飛輪齒圈磨損就越快。磨損后的飛輪齒圈與驅動齒輪之間的δ更大，這使嚙合彈簧的可壓縮距離減小，壓力降低，銑齒也就不可避免。銑齒一旦發(fā)生，驅動齒輪對飛輪齒圈的破壞極為嚴重，δ值會進一步加大，從而進入惡性循環(huán)。這就是不少車輛使用一段時間后就發(fā)生銑齒故障的原因所在。

就是發(fā)現(xiàn)了這種原因，在更換飛輪齒圈的時候也必須注意，如果更換的齒圈比較薄，實質上就等于增加了δ的值，不長時間仍會出現(xiàn)銑齒的現(xiàn)象。

從上述可知，造成銑齒的原因除與起動機本身品質相關外，驅動齒輪與飛輪齒圈之間的軸向距離δ太大也是原因之一。因此我們建議，只要能保證正常起動，且發(fā)動機在正常運轉中不摩擦驅動齒輪，那么δ的值控制得越小越好。

2.4 誤區(qū)4 低溫時不能起車是起動機功率不足。

在低溫情況下，發(fā)動機起動需要的起動力矩增大，而且增大的量比較大。而低溫環(huán)境下，蓄電池的內阻也變大，所以低溫情況下，起動機起車更為困難。我們在使用或安裝車用蓄電池時，片面注重了蓄電池的容量，而忽視了蓄電池冷起動電流能力對起動機起車的影響。我國目前使用的蓄電池標準一般采用的是20小時放電率，以C20來規(guī)定蓄電池的選型，在設計計算時一般也是用了下面的經(jīng)驗公式

式中：P——起動機的額定功率；U——起動機的額定電壓。

而許多國家早已使用CCA（或ICC）來作為蓄電池選型的重要依據(jù)。CCA，即在規(guī)定的低溫 （0℉也即-18℃）蓄電池最大可以輸出的電流，而BOSCH公司將這一溫度定為-20℃，蓄電池有80%的充電電荷，可以起車，對公交車蓄電池的要求更是達到-32℃。所以我國的蓄電池也應與時俱進，努力與國際接軌。

但現(xiàn)實并非如此，我國110 Ah蓄電池冷起動電流為370～400A，國外具有450A冷起動電流的110Ah蓄電池相當于我們的150～160 Ah的蓄電池。所以仿照外國樣機設計生產制造的起動機使用模擬電源測試沒有問題，試驗完美，但冬天低溫狀況下受到蓄電池的影響，就造成無法起車。但是有些車輛本身在低溫情況下是有預熱裝置的，如電噴車的低溫補償、進氣加熱等，低溫時，有些駕駛員采用人工加熱方式，比如往柴油車循環(huán)水箱中注入熱水、烘烤發(fā)動機等。這樣可以輔助起動機起動車輛，降低對起動機的損害。

以上只是我們在工作與實踐中一些淺薄的認識，不足錯誤之處請讀者指正。

［1］張子忠，王鐵成.微電機結構工藝學［M］.哈爾濱工業(yè)大學出版社，1997.

［2］楊忠君，何建祥.起動機制造基礎理論［Z］.浙江博宇實業(yè)有限公司內部用書，2010.