起動機直接溫控的過熱保護電路設計

查小凈，李 駿，吳東盛

（華東交通大學 機電工程學院，南昌 330013）

0 引言

車輛發動機由靜止狀態過渡到工作狀態，必須借助外力轉動發動機曲軸，曲軸在外力作用下旋轉從而帶動發動機正常運轉，輸出動能驅動車輛行駛。起動機的作用就是將蓄電池的電能轉化為機械能，通過與起動機相嚙合的發動機飛輪，將起動機轉矩傳遞給發動機曲軸，為車輛發動機的起動提供能量[1]。

起動機在工作過程中的工作電流很大，容易導致過熱，進而可能燒壞電磁開關線圈和起動電機線圈，造成車輛故障。目前，出現了一些電流過載的起動機保護裝置，以及計時計次的保護裝置，但沒有對起動機直接進行溫度測量和控制的。因此，本文闡述一種起動機過熱保護裝置。當起動機的電磁開關線圈或起動電機過熱時，該裝置均能起作用斷開電磁開關和起動電機的電路，對起動機過熱起到有效保護的作用。

1 起動機

1.1 基本結構及工作原理

起動機通常由三部分組成：直流電動機、傳動機構、操縱機構。當點火開關接通，起動機開始工作，電磁開關通電產生電磁吸力，一方面接通主流電動機，另一方面通過操縱機構將電動機輸出軸上的小齒輪與飛輪齒圈嚙合，電動機得電后驅動飛輪旋轉，從而起動發動機。電動機輸出軸與小齒輪之間裝有單向器以避免起動后電機超速旋轉[1]。

起動成功后，松開點火開關，電磁開關斷電，電動機停轉，小齒輪與飛輪之間脫開嚙合，起動機結束工作。若不及時斷開點火開關，則將使起動機過熱并可能導致起動機燒損。同樣原因，起動時要求駕駛員單次連續起動時間不宜過長，多次起動之間要有一定的間隔時間。若有過熱保護裝置，將有效解決這些問題。

1.2 性能要求

起動機工作時有如下要求[2]：

1）起動力矩大：起動機在剛接通時，發動機起動阻力矩最大，因此起動機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：發動機著火后，以很高的轉速反拖起動機，起動機如果超越離合性差，很容易燒毀損壞；

3）發動機工作后，起動機不能再嚙入飛輪齒圈；

4）齒輪嚙合容易；

5）起動機工作可靠經久耐用。

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

2 溫控元件的選擇

車輛起動機的控制裝置包括電磁開關、起動繼電器和點火起動開關等部件。其中電磁開關主要由觸點、保持線圈、吸引線圈等組成，繼電器串接在點火開關和電磁開關之間。點火開關的一端與繼電器連接，另一端接有電源。本文的設計思路是在其控制回路中分別串接設置于電磁開關內的溫控開關和設置于起動電機內的溫控開關，這樣無論是電磁開關的線圈過熱還是起動電機過熱，溫控開關中的一個將斷開，使繼電器的控制回路斷電，從而使繼電器斷開電磁開關線圈的電流，進而起動電機也斷電，起到保護作用。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，要安裝在電磁開關線圈和起動電機線圈的附近，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長結構。此外，為了保證保護電路的效能及經濟型，則要求溫控元件還應具有精度高、耐腐蝕、抗氧化、耐腐蝕、可靠耐用、性能穩定和價格低廉等特點。經過比較分析后發現，常閉型熱敏鐵氧體磁性開關是適合作為溫控元件的。熱敏磁性開關是雙金屬片及熱敏電阻(NTC)等溫控開關的更新換代產品，具有較兩者更好的使用性能，如表1所示[3]。

表1 溫控開關主要特性參數比較

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

3 保護電路設計

3.1 保護電路的基本結構

在設計起動機過熱保護電路時，考慮既能對起動機電磁開關線圈的過熱起到保護作用，又能對起動電機的線圈起到過熱保護作用，必須選用兩個符合規格的常閉型熱敏鐵氧體磁性開關，結合起動機的基本組成部件及工作原理，故設計的保護電路如圖1所示。

圖1 起動機過熱保護電路的設計圖

由圖2可知，保護電路主要由電源1、點火開關2、繼電器3、電磁開關的保持線圈5、吸引線圈6、觸點4、設置于電磁開關內的常閉型熱敏鐵氧體磁性開關7、設置于起動電機內的常閉型熱敏鐵氧體磁性開關8和起動電機9組成。其中觸點4、保持線圈5及吸引線圈6為電磁開關部分。繼電器串接在點火開關和電磁開關之間，在控制回路中還分別串接了設置于電磁開關內的常閉型熱敏鐵氧體磁性開關7和設置于起動電機內常閉型熱敏鐵氧體磁性開關8。

3.2 保護電路的工作原理

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

4 結束語

綜上所述，該起動機保護電路的重點在于：1）采用常閉型熱敏鐵氧體磁性開關直接測量起動機溫度來起到過熱保護作用；2）通過串接兩個熱敏鐵氧體磁性開關的繼電器控制回路，實現同時防止電磁開關線圈和起動電機的過熱。

在應用方面，該車輛起動機過熱保護電路既可直接添加在直驅式起動機（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電路（柴油機、中小型工程機械）稍加改動而成。參考文獻：

[1] 陳家瑞.汽車構造[M].機械工業出版社, 2005:308-315.

[2] 高雪峰.汽車起動機[J].汽車知識,2003,(5):64-65.

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

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