起动机直接温控的过热保护电路设计

2011-02-09查小净吴东盛

制造业自动化 2011年5期

查小净，李骏，吴东盛

（华东交通大学机电工程学院，南昌 330013）

0 引言

车辆发动机由静止状态过渡到工作状态，必须借助外力转动发动机曲轴，曲轴在外力作用下旋转从而带动发动机正常运转，输出动能驱动车辆行驶。起动机的作用就是将蓄电池的电能转化为机械能，通过与起动机相啮合的发动机飞轮，将起动机转矩传递给发动机曲轴，为车辆发动机的起动提供能量[1]。

起动机在工作过程中的工作电流很大，容易导致过热，进而可能烧坏电磁开关线圈和起动电机线圈，造成车辆故障。目前，出现了一些电流过载的起动机保护装置，以及计时计次的保护装置，但没有对起动机直接进行温度测量和控制的。因此，本文阐述一种起动机过热保护装置。当起动机的电磁开关线圈或起动电机过热时，该装置均能起作用断开电磁开关和起动电机的电路，对起动机过热起到有效保护的作用。

1 起动机

1.1 基本结构及工作原理

起动机通常由三部分组成：直流电动机、传动机构、操纵机构。当点火开关接通，起动机开始工作，电磁开关通电产生电磁吸力，一方面接通主流电动机，另一方面通过操纵机构将电动机输出轴上的小齿轮与飞轮齿圈啮合，电动机得电后驱动飞轮旋转，从而起动发动机。电动机输出轴与小齿轮之间装有单向器以避免起动后电机超速旋转[1]。

起动成功后，松开点火开关，电磁开关断电，电动机停转，小齿轮与飞轮之间脱开啮合，起动机结束工作。若不及时断开点火开关，则将使起动机过热并可能导致起动机烧损。同样原因，起动时要求驾驶员单次连续起动时间不宜过长，多次起动之间要有一定的间隔时间。若有过热保护装置，将有效解决这些问题。

1.2 性能要求

起动机工作时有如下要求[2]：

1）起动力矩大：起动机在刚接通时，发动机起动阻力矩最大，因此起动机只有具有足够的起动力矩才能正常起动；

2）良好的超越离合性：发动机着火后，以很高的转速反拖起动机，起动机如果超越离合性差，很容易烧毁损坏；

3）发动机工作后，起动机不能再啮入飞轮齿圈；

4）齿轮啮合容易；

5）起动机工作可靠经久耐用。

为了保证具有足够的起动力矩和功率，起动机的起动电流很大。如果起动时间过长，电机内部会产生很高的温度，破坏电机绝缘而损坏起动机。因此起动机属于短时制工作电机，对于起动机的使用要求起动时间不得超过5秒，每次使用时间间隔不小于10~15秒，连续使用不得超过3次等，否则易造成起动机过热失效。

2 温控元件的选择

车辆起动机的控制装置包括电磁开关、起动继电器和点火起动开关等部件。其中电磁开关主要由触点、保持线圈、吸引线圈等组成，继电器串接在点火开关和电磁开关之间。点火开关的一端与继电器连接，另一端接有电源。本文的设计思路是在其控制回路中分别串接设置于电磁开关内的温控开关和设置于起动电机内的温控开关，这样无论是电磁开关的线圈过热还是起动电机过热，温控开关中的一个将断开，使继电器的控制回路断电，从而使继电器断开电磁开关线圈的电流，进而起动电机也断电，起到保护作用。因此温控元件的选择成了首先要解决的问题。

考虑到温控元件要直接测量温度，要安装在电磁开关线圈和起动电机线圈的附近，空间有限，为了满足安装条件这就首先要求温控元件要有较小的体积且为细长结构。此外，为了保证保护电路的效能及经济型，则要求温控元件还应具有精度高、耐腐蚀、抗氧化、耐腐蚀、可靠耐用、性能稳定和价格低廉等特点。经过比较分析后发现，常闭型热敏铁氧体磁性开关是适合作为温控元件的。热敏磁性开关是双金属片及热敏电阻(NTC)等温控开关的更新换代产品，具有较两者更好的使用性能，如表1所示[3]。

表1 温控开关主要特性参数比较

热敏软磁铁氧体材料主要有抗氧化、耐腐蚀、不易老化、性能稳定和价格低廉等优点[4]，可制成常闭型、常开型和区域型几种工作方式的热敏开关。以常闭型热敏铁氧体磁性开关为例，其工作原理是利用磁性随温度的变化而发生改变这一特性来实现的。随着温度的升高达到居里点附近温度时，热敏软磁铁氧体材料的磁导率发生急剧变化，失去磁性来控制干簧管的开闭，起到断开电路的作用。

3 保护电路设计

3.1 保护电路的基本结构

在设计起动机过热保护电路时，考虑既能对起动机电磁开关线圈的过热起到保护作用，又能对起动电机的线圈起到过热保护作用，必须选用两个符合规格的常闭型热敏铁氧体磁性开关，结合起动机的基本组成部件及工作原理，故设计的保护电路如图1所示。

图1 起动机过热保护电路的设计图

由图2可知，保护电路主要由电源1、点火开关2、继电器3、电磁开关的保持线圈5、吸引线圈6、触点4、设置于电磁开关内的常闭型热敏铁氧体磁性开关7、设置于起动电机内的常闭型热敏铁氧体磁性开关8和起动电机9组成。其中触点4、保持线圈5及吸引线圈6为电磁开关部分。继电器串接在点火开关和电磁开关之间，在控制回路中还分别串接了设置于电磁开关内的常闭型热敏铁氧体磁性开关7和设置于起动电机内常闭型热敏铁氧体磁性开关8。

3.2 保护电路的工作原理

当起动机起动时，点火开关2处于闭合状态，接通继电器3的控制回路，使继电器3将电磁开关的电路接通，电流分别流经保持线圈5和吸引线圈6。流经吸引线圈6的电流直接负极搭铁后回流到电源1的负极，流经保持线圈5的小电流进入起动电机9使之慢转；同时，在吸引线圈6和保持线圈5通电产生的磁通方向相同，电磁吸力相互叠加，吸引铁芯向前移动，将触点4接通，此时大电流由电源1直接进入起动电机9使之快转，起动机得以起动。若在起动操作过程中，因电流过大无论是造成电磁开关的线圈过热（5或6）还是起动电机9过热，常闭型热敏铁氧体磁性开关（7或8）中的一个将会断开，使得继电器的控制回路断电。此时，继电器3将断开点火开关2和电磁开关线圈（5和6）间的电流，进而电磁开关的触点（4）也将断开，电磁开关线圈和起动电机均断电而停止工作，避免因过热而烧坏。可知，该保护电路是通过直接测量起动机温度来起到保护作用。