起动机生产与使用中的几个误区

杨忠君，伏广慧，未 平，谭俊杰

（浙江博宇实业有限公司，浙江 金华 321200）

起动机是汽车电器部分中十分重要的部件，它是汽车发动必须依靠的，而又让人非常头疼无奈的直流电机。这是因为起动机在电起动发动机方面，还没有其它代替手段，所以汽车必须依赖于它。而在汽车维修领域中，起动机故障始终位居 “前三甲”之列。

本文主要就浙江博宇实业有限公司生产制造的实际与车辆安装起动机时的一些问题进行讨论，从公司的起动机生产、起动机试验分析、起动机退货分析、起动机现场装车等方面，列举起动机在生产与使用中的几大误区，与读者共同探讨交流。

1 生产中的误区

1.1 误区1 强调转子品质，忽视定子品质。

起动机生产中，转子是其核心部件，转子的品质很大程度上决定着起动机的使用寿命。无论是绝缘等级还是车加工，耐压、点焊、动平衡……，转子生产的工序实质上是没有关键和非关键之分的，每一道工序，哪怕就是插纸，都能影响其最终的品质。对工序控制不严是转子经常出现问题的原因，这也是起动机生产企业的一个共识。

目前生产的起动机按定子励磁方式分类，可分为激磁式与永磁式。对于激磁起动机，工作时，转子用以形成磁场的电流来源于2个焊接在定子线圈上的正极电刷，如果定子品质不过关，那么会直接导致转子存在潜在失效故障，进而影响起动机的工作寿命。所以，定子是否存在潜在的故障，比如耐压、匝间短路等，都会直接影响转子的使用寿命。我们在对大功率电动机进行试验时，使用经过新工艺制作的定子 （耐压1 000 V， 漏电电流＜0.15 mA），功率在连续测试后，下降远远小于普通定子，而试验耐久次数更是远远高于普通定子。由此说明，定子制作的品质也是关系起动机寿命的重要组成部分。并且我们认为，对于定子耐压的检验并非是使用电压越高越好，因为定子制作完成后，不漏电几乎是不可能的，只是漏电大小的问题。而绝缘电阻却是一个可测的硬性指标，比如：定子绝缘电阻要求1 MΩ，使用660 V电压检验，那么漏电允许的漏电电流是0.66 mA。当然在这种能达到绝缘电阻要求的前提下，测试电压是越高越好。

对于永磁电机，永磁体的品质，特别是退磁时间，是决定起动机寿命的关键。因为对永磁电机而言，定子磁场是大于转子磁场的，待磁瓦退磁到一定值时，起动机无法起动发动机，而这个退磁所用的时间，也就是起动机规定的寿命。所以，起动机生产中决不可片面强调转子品质，而忽视定子品质。

1.2 误区2 起动机电刷使用时间短，只对电刷品质怀疑，不做延伸离散分析。

电刷的品质好坏对起动机使用时间的长短是至关重要的，若电刷磨损过快，很容易造成起动机的寿命短暂，所以电刷品质一定要达到起动机的使用寿命要求。若仅仅强调电刷的品质，并以此控制电刷的磨损量，对于起动机的制造来说是远远不够的。因为造成电刷磨损过快的原因，除了电刷品质，还有许多其它因素，比如机械摩擦过大或起动机间隙错误造成起动电流大等。下面主要探讨对电刷磨损有直接影响的3个方面。

1）换向器刻槽宽度与圆周表面粗糙度 电枢换向器下刻的主要目的是去除绝缘层，否则电刷会跳动。又因为绝缘层比铜更不易磨损，所以刻槽宽度如果小于绝缘槽，使绝缘层有剩余，就会加速电刷磨损，增大火花。下刻时，只要刻槽宽度略大于绝缘槽，能将绝缘层去除干净，在这种情况下，刻槽宽度越小越好。刻的太宽，不但增加换向周期，电流密度的设计值要求也会比较高，因为换向截面积减小了，而且增加了发热，这些对起动机的正常工作都是不利的。判定方法：以两边露铜为准，如果绝缘层没有去除或去除得不干净，这些都是不正确的。

据我们了解，起动机刻槽机用的铣刀宽度有4种：0.7 mm、0.8 mm、0.9 mm、1.0 mm。使用哪种宽度的铣刀取决于绝缘层的厚度。在刻槽以后，要对换向器表面进行处理，无论是用精车机精车 （车刀为宝石刀，前角10°，转速达到要求），还是用砂纸打磨，关键是要达到粗糙度 （0.8）的要求。一般来讲，换向器粗糙度应该达到镜面效果，用手触摸，要感觉非常光滑，且感觉不到毛刺的存在。一般此工序完成后，要对换向器进行覆盖保护处理，即不准在以后的工序中碰触换向器圆周面，以免由于圆周面粘带脏污、杂屑对换向不利，甚至造成电刷崩裂。若换向器粗糙度达到要求，那么在起动机工作时就不用电刷去将换向器磨平至工作需要的粗糙度；若换向器粗糙度不达标，电刷磨损实质上是起动机使用初期最为严重，待换向器圆周面被电刷磨平后，起动机才达到稳定工作环境，这时早已造成电刷磨损量下降。所以，建议换向器圆周面在经打磨或精车工序后可以达到镜面效果，以降低起动机工作初始电刷为磨平换向器而磨损的量。

为减少起动机工作时对某一电刷过多的磨损，建议0.25P≤1%F。

刷簧的压力或位置错误 （特别是刷簧支柱倾斜，必定造成刷簧与电刷接触点错误），都会造成电刷在刷盒里倾斜或靠单边，导致起动机工作时，电刷偏磨，起动机工作电流大，甚至引起电刷掉渣炸裂，对起动机的寿命造成直接影响。刷簧的位置能否在电刷的轴线中央，是判定其位置正确与否的依据。图1是刷簧位置图，供参考。

3）电流角 电流角对于起动机的影响是很大的，它不但影响起动机的寿命，而且直接影响起动机的性能。通过电流角的改变，可以直接调节起动机的转矩、转速、电流等参数。

我们对电流角的理解是：电流角就是起动机完成总装后，电刷轴线与磁极中心线的距离，通过此距离换算可以得到一个角度。

例如：设转子换向器外径为36mm，如图2所示，电刷中心线与磁极中心线距离为3mm。

令电流角为α，换向器外径为D，电刷中心线与磁极中心线距离为L， 那么α=（L／πD）×360°， 则图2中电流角α=［3／（3.14×36）］×360°=9.55°。

注意：这是起动机的提前角，也有人叫电流角，而不是换向角。这是我们总结的一个经验公式，在起动机上很实用。通过改变电刷中心线与磁极中心线的距离，来调整起动机的性能。

起动机工作时，产生的力矩、转速大小与cosα成正比，按此理论当α=0°时，cosα达到最大值，为1，起动机性能应该最好。但具体起动机的实际情况并非如此，由于换向超前、电抗、气隙磁场畸变的影响，激磁起动机的最佳性能电流角并非0°，可通过试验得到正确的电流角度。

电流角的确定非常关键，因为电流角不但影响着起动机的性能，而且决定着电刷火花的大小。火花大，电刷必定磨损严重，直接影响电刷寿命，特别是若形成环火，那起动机的寿命将非常短暂。

我们曾经试验：对某款起动机，未调整电流角时，耐久试验4000次后，电刷磨损到极限位置。为改进，在起动机后端盖打孔观察电刷火花，发现火花大，为此固定定子，旋转后盖，改变电刷中心线与磁极中心线的距离，直至火花达到要求。改进后，起动机在耐久测试台上试验8000次后，装柴油机试验，确认可以起动柴油机后，进行2000次起动柴油机试验后，电刷仍未磨损到极限位置。

1.3 误区3 点焊是熔化铜线，直接压粘。

起动机电枢点焊对于带有换向器的电枢生产而言是制造必不可少的工序，点焊对焊头形状、压力、电流、预热时间、点焊时间都应有具体而准确的要求。现在点焊主要是靠焊头热量软化电枢线与换向器升高片，靠压力将电枢线压至变形充满换向器升高片槽，以压下的升高片封住电枢线。点焊后的检验，往往考虑电枢绕组的抗拉强度 （电枢线脱出力），我们认为这是不够的。因为，点焊过程只是微熔过程，其焊点会随着时间推移，其熔合点会减弱，而且极易受到腐蚀。因此，对焊点的强度要求不能以理想状态来制定其检验用标准，比如使用公式：F=mw2r来计算得出电枢线的脱出力，进而以此为标准，来检验点焊后电枢线的强度，这是不准确的。

考虑到环境变化，特别是温度变化，点焊后电枢线的强度应大于F。电枢的点焊对抗冲击、抗剪切、抗扭曲的强度一般要求较低，故可用冲击、剪切和扭曲的试验方法检测出其焊接强度，而且操作性好。电枢铜线的熔化温度是1083℃，所以焊头的温度不会将铜线熔化，而只是借助这种热量，使铜线更易压入槽内，产生永久塑性变形，填充满整个换向器槽，并非是将铜线熔化，直接粘结。如果做到粘结，则需加焊料辅助焊接。值得注意的是：点焊过程中气压与冷却水的压力要稳定，否则也会影响点焊品质。对于大功率的电动机，可以考虑使用加焊料的方式焊接，增加其紧固程度。一般来讲，点焊还是电阻焊，其热量可由公式计算得到

式中：Q——产生的热量，J；I——通电电流，A；R——两极间的电阻，Ω；t——通电时间，s。

由式 （1）可以推理，只要增加焊接电流与通电时间，就可以达到铜的熔化温度，将电枢绕组粘结焊牢。但事实并非如此，因为温度过高，换向器会受到损害。试验发现，点焊时，温度无需达到铜的熔化温度，换向器铜排就会炸开；如果达到熔化铜线温度，那换向器铜排早已损坏了。我们认为，点焊完成后，负极点焊头与升高片之间的铜排是不允许变色的。若变色，说明铜排与换向器填料已有分离的趋势或已分离，存在潜在甩排的可能。

1.4 误区4 绝缘材料对起动机寿命影响不大。

起动机生产中大量使用绝缘材料，比如绝缘纸、绝缘漆、漆包线、绝缘套管等。这些绝缘材料对起动机而言是不可缺少的，并且起动机绝缘材料的损坏可以直接导致起动机损坏。特别是绝缘材料都有耐温等级要求，起动机在多次起动后内部温度比较高，而高温下这些绝缘材料的性能是否稳定决定着起动机寿命是否长久。绝缘材料寿命公式如下

式中：H——绝缘材料的寿命，h；e——函数符号， 近似值为2.7182；t——温度；A，m——常数。

绝缘等级耐热曲线如图3所示。

由式 （2）与图3可知，绝缘材料的寿命是随着温度的升高呈级数递减的，H级绝缘材料温度每升高12℃，寿命降低50%。而起动机中的绝缘材料失效必定造成短路，故此应尽可能选用耐温等级符合要求的绝缘材料，以不影响起动机的工作寿命。这里谈一点看起来似乎很简单的一个电枢制造工序——插槽绝缘纸，我们建议插槽绝缘纸在电枢绝缘板的两端露出2.5～3 mm， 功率＞6 kW的起动机，绝缘纸在电枢尾端建议翻边，以保证电枢线在扭头与工作时，电枢线与铁心齿部完全隔离，以免造成短路搭铁。另外就是浸漆，浸漆作用很重要，包括绝缘、护线、抗腐蚀等。起动机电枢若浸快干漆不能达到浸漆要求，建议使用双组份环氧树脂代替，其效果远胜于快干漆。

1.5 误区5 起动机耐久试验发动机考核不如测试台。

起动机生产企业在一款新机大批量生产前，一般会对制造的样机进行多项试验，其中耐久试验是必不可少的一项。起动机耐久试验的考核最好在发动机上进行，当然装车试验更佳。使用耐久测试台进行耐久试验来等同装车试验是错误的，测试台是无法完全模拟发动机的工作过程的，它只能作为一个参考。使用发动机试验时，发动机因活塞做往复运动和活塞压缩结束时带给起动机的冲击力是波动的，起动机在起动发动机时始终受到这种间歇冲击力，这样势必造成起动机换向恶化，对起动机换向器与电刷考核更为严酷。发动机反拖起动机的转速与测试台不同，发动机起动后转速变化的加速度不是恒值，是一个变加速过程。而测试台一般的反拖转速是设定的 （即恒定），所以，发动机试验或装车试验对单向器、换向器的考核也更为严酷。并且测试台无法模拟发动机发动过程中因振动带给起动机的冲击。由此可见，在发动机上试验更接近现实的使用条件。

2 使用中的误区

2.1 误区1 转子换向器炸排，只追究换向器的品质。

换向器炸排与换向器的品质是有直接联系的。但是，未按说明书或者未按正确的操作规程操作，也是造成换向器炸排的重要原因之一。起动机起动时间过长，休息时间不足，造成起动机内部温度升得过高、过快。温度过高使换向器工作环境恶化，起动后反拖时间过长，使换向器紧固圈失效，铜排软化，起动机在高温反拖的情况下很容易造成换向器铜排甩出，如图4所示，进而造成起动机损坏。

我们认为，这种炸排主要是起动机使用不当造成的。若使用得当，确实为起动机换向器本身品质问题，那么炸排之前，换向器应有单排或多排甩出，而并非是炸排。因为换向器单排跳出后，起动机将无法工作，故此，起动机炸排前已无法工作。如果起动机多次起车，间歇时间短，起动机内部温度升得过高，相当于起动机的使用环境骤然变化，而驾驶员因多次起车失败，起车后为防止车熄火而未及时松开起动钥匙，造成长时间反拖。环境的骤变加上人为的错误使用，就造成了这种炸排现象。

2.2 误区2 完全依赖起动机生产厂，忽略整个起动系统的匹配与对起动机的保养。

1）起动系统的匹配 起动系统并非是单独由起动机构成，其包括了起动机、发动机、蓄电池、控制继电器与连接电线束。所以起动机的选型是一个综合考虑的问题。对于起动机而言，起动机起动发动机的起动点设置在起动机测试功率曲线最大功率点的左边是最好的，因为只有这样才能保证起动机在低温下的起车性能。如图5所示。

起动机设计起动点即使设计在最大功率点的左边，也必须对另一点认真考虑，那就是起动机的0转速性能 （制动性能）。我们认为，起动机转速是起动机输出转矩后的一个附加结果，若达到起动转速，首先要克服发动机的阻力矩，所以起动机要起车，首先考虑的是转矩。增大起动机转矩一般来说有以下几种方法：改变起动机电磁设计；改变起动机与发动机的传动比；增大蓄电池等。所以即使起动机针对某款发动机的设计完全正确，但若售后市场的修理人员配车型错误，那么也未必能正常起车。正常起车除与起动机本身有关外，和与之相关的零部件也关系很大，这就是所说的起动系统匹配问题。

比如：重汽某款车型曾因为蓄电池与发动机的距离太长 （现已改进），使用电线束过长、过细，造成压降损失大而起车困难。另外，发动机飞轮到安装止口的距离 （参考2.3章节），驱动齿轮与飞轮齿圈的啮合、起动机安装螺栓的拧紧力矩 （40～65 Nm）、发动机的配重、蓄电池容量等都与起动机的使用与寿命有着直接的关系。故此，起动机的使用是一个综合问题，并非是单与起动机有关，而是与整个起动系统相关。

2）起动机的保养 有资料显示，车行驶3000km，起动机就要进行相应的保养，而现在起动机售后市场混乱，根本做不到这一点。比如：前盖带有含油轴承的起动机，含油轴承与驱动轴配合间隙很小，在使用过程中要定期对其保养，在含油轴承或单向器输出轴上涂抹符合要求的润滑油，以免造成干磨（干磨很容易损伤含油轴承），进而使驱动齿轮与发动机飞轮间隙变大，不能正常啮合。起动机要定期清洁，因为如果炭粉落入定子内或填充到换向器槽内，都会影响起动机的工作，甚至引起起动机铜排短路。无论是传动件、接触件加油脂，还是清洁定、转子，更换电刷，都是为增加起动机寿命而必须进行的保养。

2.3 误区3 铣齿就是起动机单向器行程或开关问题。

对于起动机铣齿，原因很多。就啮合过程而言，希望达到驱动齿轮先啮合后转动的效果 （强制啮合），或者是先慢转后工作 （柔性啮合）。但对于强制啮合，起动机是不容易做到的，因为起动机安装后，驱动齿轮与飞轮的距离限制着我们对电磁开关与单向器行程的改进。

国标JB1506—75中规定：起动机安装后，飞轮与驱动齿轮的距离δ＝3～5mm。目前许多书籍与修理资料也提供这个数据。不知道这个数据是根据什么得出的，但从实际出发，只要能保证正常起动，且发动机在正常运转中，飞轮齿圈不碰擦驱动齿轮，我们认为δ越小越好。因为δ越小，起动时驱动齿轮对飞轮齿圈的冲击力就越小，飞轮齿圈被撞击损坏的可能性就越小，比如捷达轿车起动机安装后的距离不足1mm。

其次δ越小，在强制啮合情况下，啮合弹簧对驱动齿轮的压力越大，就越容易啮合成功。例如斯太尔的两款车型，δ值相差3 mm（由驱动齿轮啮合痕迹判定），假设一种起动机δ＝1 mm，另一种起动机δ＝4mm，那么后者飞轮齿圈受到的冲击力将成倍的大于前者。这是因为电磁开关线圈刚通电时，铁心有一半在线圈外，受到的电磁吸力还较小，随着铁心向线圈内移动，电磁吸力越来越大，这样铁心的移动过程就是一个加速过程，移动距离越长，铁心的移动速度越快。而通过拨叉转为驱动齿轮的移动，则是δ越大，驱动齿轮撞击飞轮齿圈的速度就越高，冲击力也就越大，飞轮齿圈磨损就越快。磨损后的飞轮齿圈与驱动齿轮之间的δ更大，这使啮合弹簧的可压缩距离减小，压力降低，铣齿也就不可避免。铣齿一旦发生，驱动齿轮对飞轮齿圈的破坏极为严重，δ值会进一步加大，从而进入恶性循环。这就是不少车辆使用一段时间后就发生铣齿故障的原因所在。

就是发现了这种原因，在更换飞轮齿圈的时候也必须注意，如果更换的齿圈比较薄，实质上就等于增加了δ的值，不长时间仍会出现铣齿的现象。

从上述可知，造成铣齿的原因除与起动机本身品质相关外，驱动齿轮与飞轮齿圈之间的轴向距离δ太大也是原因之一。因此我们建议，只要能保证正常起动，且发动机在正常运转中不摩擦驱动齿轮，那么δ的值控制得越小越好。

2.4 误区4 低温时不能起车是起动机功率不足。

在低温情况下，发动机起动需要的起动力矩增大，而且增大的量比较大。而低温环境下，蓄电池的内阻也变大，所以低温情况下，起动机起车更为困难。我们在使用或安装车用蓄电池时，片面注重了蓄电池的容量，而忽视了蓄电池冷起动电流能力对起动机起车的影响。我国目前使用的蓄电池标准一般采用的是20小时放电率，以C20来规定蓄电池的选型，在设计计算时一般也是用了下面的经验公式

式中：P——起动机的额定功率；U——起动机的额定电压。

而许多国家早已使用CCA（或ICC）来作为蓄电池选型的重要依据。CCA，即在规定的低温 （0℉也即-18℃）蓄电池最大可以输出的电流，而BOSCH公司将这一温度定为-20℃，蓄电池有80%的充电电荷，可以起车，对公交车蓄电池的要求更是达到-32℃。所以我国的蓄电池也应与时俱进，努力与国际接轨。

但现实并非如此，我国110 Ah蓄电池冷起动电流为370～400A，国外具有450A冷起动电流的110Ah蓄电池相当于我们的150～160 Ah的蓄电池。所以仿照外国样机设计生产制造的起动机使用模拟电源测试没有问题，试验完美，但冬天低温状况下受到蓄电池的影响，就造成无法起车。但是有些车辆本身在低温情况下是有预热装置的，如电喷车的低温补偿、进气加热等，低温时，有些驾驶员采用人工加热方式，比如往柴油车循环水箱中注入热水、烘烤发动机等。这样可以辅助起动机起动车辆，降低对起动机的损害。

以上只是我们在工作与实践中一些浅薄的认识，不足错误之处请读者指正。

［1］张子忠，王铁成.微电机结构工艺学［M］.哈尔滨工业大学出版社，1997.

［2］杨忠君，何建祥.起动机制造基础理论［Z］.浙江博宇实业有限公司内部用书，2010.