汽车起动机-发电机发展分析与探讨

2013-09-01魏玉

邯郸职业技术学院学报 2013年2期

魏玉

(三门峡职业技术学院，河南三门峡 472000)

0 引言

汽车作为机械工程发展的一个重要里程碑，在人们的日常出行中是广泛的代步工具，随着电子控制技术、机电一体化技术的日臻成熟，汽车中可安装各种电子设备及电气装置，近年来由于人们对汽车安全性、环保性及舒适性要求的不断提高，研发混合式及电动式汽车是未来发展的重要趋势。然而在现代化汽车中起动机、电动机则是其核心组成，现给予详细介绍。

1 汽车起动用电动机——起动机

汽车发动机在达到一定转速并自行运转之前需要克服各类阻力，但发动机自身不能克服这些阻力，所以需要电动机的协助。在达到着火点等条件之后，发动机开始运作并保持一定转速。较早的发动机是依靠人力实现曲轴运转的，如今汽车已经实现了电起动，实现这一转变的是美国人查理凯特琳，1911年查理将自己发明的电气设备安装在GM汽车制造商所生产的pontiac汽车上并成功实现电气起动，随后电启动被广泛运用于汽车工业，并由此开启汽车发展的新时代。

电能转化为动能是起动机的基础功能，在蓄电池强大电能的支持下，起动机通过圆形齿轮带动发动机运转并达到机车自行运转所需的转速。齿轮型定向离合器、控制按钮与直流电动机是机车起动机的三大组成部分。

1.1 直流电动机

电动机产生旋转动力，一般运用串励型直流电动机，尤其是适用于某些大功率机车发动机，因为它可以更好地适应负荷的变化。电动机的并励型磁场线圈在电压恒定的条件下，磁密度随着激磁电流的改变而产生的变化很小，这便实现了电机的平稳运行。但在负荷变强之时，串励磁场线圈可能会增强电动机之前所保持的磁通，进而导致转矩变大、转速减小。换句话说，转速变低转矩会变大，转速提升转矩变小。这种机械特点非常适用于轿车发动机的发动，同时还能保证电动机的平稳运行。

1.2 单向离合器

离合器实现了电动机与发动机的适时分离，小齿轮与转轮只在初期啮合，当发动机达到一定转速并可继续自行转动后，它们便分离。当电机转速小于飞轮转速之时，发动机可以自行切断它们之间的关联，这时发动机转矩便不再反传给起动机，从而保证了电枢在超速运行的情况下不会受损。

1.3 控制开关

控制装置包括开关盒与控制组两部分，开关盒主要实现蓄电池与电机电控按钮的接通与断开，开关盒里面配有动、静触点，并由原来的机械操控变成现在的电磁控制，同时对电路进行保护。电起动经典结构如图1所示。

2 机车起动机轻型化

上世纪中期，起动机输入电压大幅提升，由6V变为12V，这便意味着通电电流的变小，由此完成了起动机的轻型化转变。上世纪60年代又实现了轴承构架的变革，构架原料的改变大大降低了起动机的重量。当时的构架基本采用价格相对较高的铝材料来制造，这是因为:(1)模型铸造技术的提升;(2)变形测量技术的提升;(3)应力测量技术水准的提升;(4)后续工作中切割加工速度提升等。起动机不断变轻变形进程可如图2所示。

1970年后，针对寒冷区域机车自起动和追求更轻型的目标要求，安装在电动机和小齿轮两者之间的减速设备——行星齿轮减速型机车起动机出现，尤以小轿车中最为常见，如图3所示。1980年以后，永磁励磁起动机出现，并电动机机身进行改进，当时铁氧体永磁材料电动机风靡一时。但为了起动机更加时尚先进，同时为做到上面所说的串复励直流电动机的软性，必须要对起动机进行结构改装，因此设计出配置轴型磁场构架，如图4所示。

在磁极辅助区域，电流产生磁场的电枢反应变强，所以大电流区的转矩也随之增大，同时小电流区随着转速的增加增磁作用开始减弱，平均磁通量降低，电机开始高速运转状态［1］。此外，在负荷变大电流增强的时候，因为电枢反应中磁场会减弱磁体的能量并可致使其消磁，所以这就需要抗消磁能力强硬且磁能聚集量大的永磁性材料，比如稀土材料。自此之后，结构上基本没有大的变动，但实现大转动比、小电机长度、直径以及磁体的高性能等，进而实现起动机不断变小变强的追求一直是未来的发展趋势。

3 交流发电机

起初，在轿车中安装发电机是为了给电池充电并获取较大的输出电流。20世纪初，Dynamo直流型发电机出现并盛行半个世纪之久，直到1960年之后，全球发达国家的轿车拥有量大幅提高，机车在城市中低速运转时间较长，同时机车起动次数增加，因此导致蓄电池常常蓄不足电量，所以对直流型发电机提出更高要求，要求其不仅能输出更大功率，还要缩短蓄电池充满电所需时长。这一情况增加了电机在发动机内安装的难度，因为发电机体积与重量增加了。同时，汽车产业在不断向前发展的进程中，对发动机转速的可变动范围的要求也越来越大。在发动机高速运转的情况下，发电机换向比较困难且换向器和电刷之间会产生大量的火花，还可能导致发电机难以正常运行。所以，为适应现代机车的发展需求，交流型发电机开始登上舞台，直流型发电机逐渐退出市场。交流型发电机比直流型发电机有更多更好的变现，不仅能保持体积小巧、重量轻盈、比功率大、使用年限长，同时还有良好的低速充电性能，因此被广泛应用。

近几十年来，汽车产业迅猛发展，交流型发电机也随之不断改进与变革。比如:最初的触点与晶体管式的电压调控装置比较大，难以和发电机配套工作，但是集成电路电压调控装置出现后便改变了这一状况，因为它有更小的体积以及更加优秀的功能。再有，6管硅整流型发电机到8管硅整流型发电机的演变等等。

随着汽车产业的不断发展，车身空调、燃料系统电子化、废气净化以及电动构造的增加，汽车的耗电量也随之增加，所以输出的电流以及发电机发热量也在不断增加。所以，对调压装置及二极管半导体等工作的温度环境提出了更高的要求，如何快速有效地冷却发电机开始为人研究。研究期间，先后出现了将风扇安装在皮带轮一侧的外扇型冷却装置以及将风扇安装在转子两侧的内扇型冷却装置，其中内扇型冷却装置在1980年后开始流行。因为皮带轮可以在较高的转速下工作，同时可提供更大的转动比，所以冷却效率得以提升。

从机械方面讲，交流发电机属于发动机构造的范畴，其效率提升可直接减少燃料费用的支出。通常情况下，交流型发电机的效率提高30个百分点，发动机燃料损耗可降低1个百分点。所以，体积更小、性能更加卓越的双内风扇双风管道的交流型发电机迅速崛起。

如今，水冷式交流型发电机问世，它对定子线圈和二极管等部件的冷却有更加明显的作用，同时它不借助冷却风就能大幅降低因转子运作而产生的噪音。不仅如此，它还能有效缓解燃料成本增加与用电量增大的问题，所以它频现于高级轿车之中。

4 组合式起动机/发电机装置

如今汽车行业比较喜欢把交流型发电机和起动机组装成一个整体。比如美国德尔福Enetgen系统，一般在发电机安置区装有组合起动装置，同时能输出约5KW的功率，其研发的“停止-起动”装置在汽车行进过程中遇到红灯时会断开离合器，发动机也会自行熄火，这能有效减少机车低速行驶过程中的燃料损耗及废气排放。当信号灯变为绿色时，只要轻踩油门，发动机又会被迅速唤醒。不仅如此，当发动机停止工作时，发电机仍能支持空调工作并保证车内舒适度。

俄罗斯西方科技大学在和JMEPOH的科研合作中，对伏尔加汽车制造厂制造的伐斯型汽车完成了“起动-发电一体化”设备的研发，即CRY研发［2］。CRY是汽车电源机组，主要包括变换器和无换向器电机两部分，整套还包括电力电容器和保证系统正常运行的调控元件，CRY可与电源电压变换器同时工作。CRY在电动机和发电机两种工作环境下，可产生12V与42V的车载两级电压［3］。

电机安放于传动箱和圆筒体之间的特定区域内。为了有效冷却电机中的定子，在电机内设置冷却液流转专用的冷却沟，而电机转子作为发动机飞轮被直接安放于曲轴一端。以上设备可完成大功率的双向传递工作，同时保证低速工作时曲轴扭转的稳定性，减少曲轴振动与噪音。因为离合器温度较高，同时油泄露、磨损以及含尘比例等对其提出了更高要求，所以不能用带有换向器的电机工作。如果运用非同步电机，则需要克服转子在狭小空间内散热的难题，因此在带整流桥永磁同步电机研发的基础上研制出“起动-发电一体化”设备。但由于配高桥顽力磁钢永磁体电机制造费用较高，所以采用可逆向、无触点、可同步的感应子型电动机，因为它的转子轴无绕组、带齿轮，同时损耗最低。而定子内部则安置了同心线圈型多相绕组，构架及制造流程简单，同时其端部没有交叉还能保证电机的平稳运行。