起停起動機電刷結構的研究

陳金玉

（錦州漢拿電機有限公司，遼寧 錦州 121013）

起停起動機電刷結構的研究

陳金玉

（錦州漢拿電機有限公司，遼寧 錦州 121013）

論述汽車用永磁起動機使用四電刷與六電刷的區別，從電機電路的角度來分析永磁起動機采用六電刷的作用與意義。

起動機；起停系統；電刷；電樞

起動機是傳統汽車的必要部件，為了改善人們生活環境，起停系統已被應用到汽車當中。一般使用起停系統的汽車，能減少4 %～8 %的燃料消耗，這樣也可以減少對環境的污染。起停系統仍需要起動機，當駕駛員在某些時候（如等紅燈或堵車）需要隨時開起或關閉發動機時，傳統電機就不能滿足起停系統的需求。因此，一種高壽命的起停電機應運而生，且這種起停電機大多采用六電刷結構。

1 概述

起動機是將蓄電池的化學能轉為機械能，用起動齒輪帶動發動機的飛輪齒圈，并拖動發動機進行起動［1］。起停起動機與傳統起動機在功能上的區別很小，主要是由于起停起動機需要頻繁起動，因此對其的使用壽命要求更高，傳統起動機的壽命要求3.5萬次以上，而起停起動機的壽命要求為25萬次以上。決定起動機耐久性的因素有以下3點：①電刷的耐磨能力；②電機的結構穩定性；③旋轉部件的耐磨損能力，尤其是軸承。提高電機耐久性的方法也有3點：①使用六電刷結構，同時采用雙層電刷，接觸力優化，電刷與換向器的配合優化（包含材料、電位角的選擇等）；②保證電機本身的穩定性，提高部件的加工精度和同軸度；③采用耐磨能力更高的滾針軸承。

2 四電刷結構與六電刷結構的不同之處

本文主要以6個永磁體磁鋼再配置4個電刷和6個電刷的不同之處進行論述。

2.1 四電刷結構

四電刷結構：電樞槽數Z為29槽，電樞導線外徑D為Φ2.0 mm，銅線長度L為130 mm，電樞的繞線方式采用波繞法，極對數p為3（NS極各3個，6片磁鋼），2對電刷（正負極各2個，共4個電刷）。

單根導線電阻R0=ρL/S=0.724 mΩ。

公式中，銅線電阻率ρ=0.0175 mΩ·mm；銅線的橫截面積S =π（D/2）2。

電樞采用波繞方式，根據波繞電樞的繞線方式，節距y=Z/2p±ε=29/6+ε=5［2］。圖1為起動機電刷與換向器匹配示意圖（四電刷角度之一）。圖2為波繞電樞電路連接圖（四電刷），且與圖1相對應。圖3為起動機電樞電路連接圖（四電刷角度之一），與圖1相對應，并聯支路一有10根導線，總電阻R1=10R0，并聯支路二有9根導線，總電阻R2=9R0，此時電樞的工作電阻R=R1×R2/（R1+R2）=3.43 mΩ。

圖1 起動機電刷與換向器匹配平面示意圖（四電刷角度之一）

圖2 波繞電樞電路連接圖（四電刷）

圖3 起動機電樞電路連接示意圖（四電刷角度之一）

當電樞轉過一定角度后，整個電路會發生變化。圖4為電刷與換向器示意圖（四電刷角度之二），圖5為起動機電樞電路連接示意圖（四電刷角度之二）。與圖4相對應，并聯支路一有10根導線，總電阻R3=10R0，并聯支路二有10根導線，總電阻R4=10R0，此時電樞的工作電阻R=R3×R4/（R3+R4）=3.62 mΩ。

圖4 電刷與換向器匹配示意圖（四電刷角度之二）

圖5 起動機電樞電路連接示意圖（四電刷角度之二）

采用ANSOFT軟件對四電刷起動機性能進行分析，得出電流曲線見圖6。電機主要以10串并10串形式存在，但是在運轉到一定角度時會出現10串并9串，即是圖6中尖點部位，并且電流波動范圍較大，在455～500 A之間。

圖6 起動機運轉過程電流曲線（四電刷）

采用ANSOFT軟件對四電刷起動機性能進行分析，得出扭矩曲線，見圖7。扭矩在1.28～1.6 Nm波動，由于電阻的變化，在電阻變小時出現高扭矩點。

圖7 起動機運轉過程扭矩曲線（四電刷）

2.2 六電刷結構

六電刷結構：在四電刷基礎上增加1對電刷（一正一負），使得起動機電刷為3對（3正、3負，6個電刷）。圖8為電刷與換向器匹配示意圖，圖9為電刷波繞電樞電路連接圖，圖10為起動機電樞電路連接示意圖。無論如何調整角度，并聯支路一和二都只有9根導線導通，比四電刷要少1根導線，電樞工作電阻為3.26 mΩ，小于四電刷電阻。

圖8 電刷與換向器匹配示意圖（六電刷）

圖9 電刷波繞電樞電路連接圖（六電刷）

圖10 起動機電樞電路連接示意圖（六電刷）

采用ANSOFT軟件對六電刷起動機性能進行分析，得出電流曲線見圖11。電機一直以9串并9串形式存在，不會像四電刷那樣出現尖點部位。電流在490～500 A波動，波動范圍很小。

圖11 起動機運轉過程電流曲線（六電刷）

采用ANSOFT軟件對六電刷起動機性能進行分析，得出扭矩曲線見圖12。扭矩在1.38～1.52 Nm波動，變化范圍小，且扭矩大于四電刷起動機扭矩。

圖12 起動機運轉過程扭矩曲線（六電刷）

3 總結

起停系統的應用可以使車輛暫停時，自動停止發動機工作，從而減少燃油消耗，減低排放，尤其在那些交通擁擠的大城市運用這種技術對節能減排有著不錯的效果［3］。傳統電機多采用四電刷，因四電刷結構更加簡單，制造成本低，且可以滿足實際使用需求；但是起停電機對于起動機的壽命要求非常高，需要25萬次以上，因此大多數客戶采用六電刷結構，國際上的代表客戶有博世、法雷奧等知名企業。六電刷主要是為了提高電機的使用壽命，同時電機的穩定性更好，性能更優越，如實現相同的性能，還可以減少銅線使用率，起到降低電樞成本的作用。

［1］ 胡明義.汽車起動機結構、原理與檢修［M］.北京：機械工業出版社，2007.

［2］ 王正茂，閻治安，崔新藝，等.電機學［M］.西安：西安交通大學出版社，2000.

［3］ 裴玉妓，紀天寶. 發動機起停技術研究［J］.汽車工程師，2012（7）：17-19.

（編輯 凌 波）

Research on Vehicle Start- Stop Motor Brush Structure

CHEN Jin-yu
（Jinzhou Halla Electrical Equipment Co., Ltd., Jinzhou 121013，China）

This article mainly discusses differences between 4-brush and 6-brush structed used on vehicle permanent magnet starter, then analyzes the effect and meanings of using 6-brush on starter from the perspective of engine circuit.

starter; start-stop system; brush; armature

U464.337

A

1003-8639（2017）07-0047-03

2016-09-19；

2017-03-10

陳金玉（1980-），男，主要從事起動機的設計與研發工作。