起停起动机电刷结构的研究

陈金玉

（锦州汉拿电机有限公司，辽宁 锦州 121013）

起停起动机电刷结构的研究

陈金玉

（锦州汉拿电机有限公司，辽宁 锦州 121013）

论述汽车用永磁起动机使用四电刷与六电刷的区别，从电机电路的角度来分析永磁起动机采用六电刷的作用与意义。

起动机；起停系统；电刷；电枢

起动机是传统汽车的必要部件，为了改善人们生活环境，起停系统已被应用到汽车当中。一般使用起停系统的汽车，能减少4 %～8 %的燃料消耗，这样也可以减少对环境的污染。起停系统仍需要起动机，当驾驶员在某些时候（如等红灯或堵车）需要随时开起或关闭发动机时，传统电机就不能满足起停系统的需求。因此，一种高寿命的起停电机应运而生，且这种起停电机大多采用六电刷结构。

1 概述

起动机是将蓄电池的化学能转为机械能，用起动齿轮带动发动机的飞轮齿圈，并拖动发动机进行起动［1］。起停起动机与传统起动机在功能上的区别很小，主要是由于起停起动机需要频繁起动，因此对其的使用寿命要求更高，传统起动机的寿命要求3.5万次以上，而起停起动机的寿命要求为25万次以上。决定起动机耐久性的因素有以下3点：①电刷的耐磨能力；②电机的结构稳定性；③旋转部件的耐磨损能力，尤其是轴承。提高电机耐久性的方法也有3点：①使用六电刷结构，同时采用双层电刷，接触力优化，电刷与换向器的配合优化（包含材料、电位角的选择等）；②保证电机本身的稳定性，提高部件的加工精度和同轴度；③采用耐磨能力更高的滚针轴承。

2 四电刷结构与六电刷结构的不同之处

本文主要以6个永磁体磁钢再配置4个电刷和6个电刷的不同之处进行论述。

2.1 四电刷结构

四电刷结构：电枢槽数Z为29槽，电枢导线外径D为Φ2.0 mm，铜线长度L为130 mm，电枢的绕线方式采用波绕法，极对数p为3（NS极各3个，6片磁钢），2对电刷（正负极各2个，共4个电刷）。

单根导线电阻R0=ρL/S=0.724 mΩ。

公式中，铜线电阻率ρ=0.0175 mΩ·mm；铜线的横截面积S =π（D/2）2。

电枢采用波绕方式，根据波绕电枢的绕线方式，节距y=Z/2p±ε=29/6+ε=5［2］。图1为起动机电刷与换向器匹配示意图（四电刷角度之一）。图2为波绕电枢电路连接图（四电刷），且与图1相对应。图3为起动机电枢电路连接图（四电刷角度之一），与图1相对应，并联支路一有10根导线，总电阻R1=10R0，并联支路二有9根导线，总电阻R2=9R0，此时电枢的工作电阻R=R1×R2/（R1+R2）=3.43 mΩ。

图1 起动机电刷与换向器匹配平面示意图（四电刷角度之一）

图2 波绕电枢电路连接图（四电刷）

图3 起动机电枢电路连接示意图（四电刷角度之一）

当电枢转过一定角度后，整个电路会发生变化。图4为电刷与换向器示意图（四电刷角度之二），图5为起动机电枢电路连接示意图（四电刷角度之二）。与图4相对应，并联支路一有10根导线，总电阻R3=10R0，并联支路二有10根导线，总电阻R4=10R0，此时电枢的工作电阻R=R3×R4/（R3+R4）=3.62 mΩ。

图4 电刷与换向器匹配示意图（四电刷角度之二）

图5 起动机电枢电路连接示意图（四电刷角度之二）

采用ANSOFT软件对四电刷起动机性能进行分析，得出电流曲线见图6。电机主要以10串并10串形式存在，但是在运转到一定角度时会出现10串并9串，即是图6中尖点部位，并且电流波动范围较大，在455～500 A之间。

图6 起动机运转过程电流曲线（四电刷）

采用ANSOFT软件对四电刷起动机性能进行分析，得出扭矩曲线，见图7。扭矩在1.28～1.6 Nm波动，由于电阻的变化，在电阻变小时出现高扭矩点。

图7 起动机运转过程扭矩曲线（四电刷）

2.2 六电刷结构

六电刷结构：在四电刷基础上增加1对电刷（一正一负），使得起动机电刷为3对（3正、3负，6个电刷）。图8为电刷与换向器匹配示意图，图9为电刷波绕电枢电路连接图，图10为起动机电枢电路连接示意图。无论如何调整角度，并联支路一和二都只有9根导线导通，比四电刷要少1根导线，电枢工作电阻为3.26 mΩ，小于四电刷电阻。

图8 电刷与换向器匹配示意图（六电刷）

图9 电刷波绕电枢电路连接图（六电刷）

图10 起动机电枢电路连接示意图（六电刷）

采用ANSOFT软件对六电刷起动机性能进行分析，得出电流曲线见图11。电机一直以9串并9串形式存在，不会像四电刷那样出现尖点部位。电流在490～500 A波动，波动范围很小。

图11 起动机运转过程电流曲线（六电刷）

采用ANSOFT软件对六电刷起动机性能进行分析，得出扭矩曲线见图12。扭矩在1.38～1.52 Nm波动，变化范围小，且扭矩大于四电刷起动机扭矩。

图12 起动机运转过程扭矩曲线（六电刷）

3 总结

起停系统的应用可以使车辆暂停时，自动停止发动机工作，从而减少燃油消耗，减低排放，尤其在那些交通拥挤的大城市运用这种技术对节能减排有着不错的效果［3］。传统电机多采用四电刷，因四电刷结构更加简单，制造成本低，且可以满足实际使用需求；但是起停电机对于起动机的寿命要求非常高，需要25万次以上，因此大多数客户采用六电刷结构，国际上的代表客户有博世、法雷奥等知名企业。六电刷主要是为了提高电机的使用寿命，同时电机的稳定性更好，性能更优越，如实现相同的性能，还可以减少铜线使用率，起到降低电枢成本的作用。

［1］ 胡明义.汽车起动机结构、原理与检修［M］.北京：机械工业出版社，2007.

［2］ 王正茂，阎治安，崔新艺，等.电机学［M］.西安：西安交通大学出版社，2000.

［3］ 裴玉妓，纪天宝. 发动机起停技术研究［J］.汽车工程师，2012（7）：17-19.

（编辑 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

陈金玉（1980-），男，主要从事起动机的设计与研发工作。