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柴油发电机起动机的特性和试验条件 |
摘要：起动机的作用将蓄电池的电能转化为机械能，驱动飞轮旋转实现柴油发电机的起动，它的工作原理涉及到电动机、齿轮、电磁开关、启动继电器等多个部件的协同工作能力。起动机主要性能评价指标有起动转矩、最低起动转速、起动功率、起动极限温度等特性。起动机也称之为启动马达，具有应用广泛，结构简单、操作方便、维修容易、成本低等特点，为以柴油发电机组作为备用电源的工厂和企业，发挥稳定的设备启动效率提供支持。
一、起动机的组成和原理
起动机是柴油发电机启动系统的重要组成部分之一，与启动系统其他部件线路连接如图1所示。它的作用是柴油机起动时，使起动机的驱动齿轮和柴油机飞轮齿环啮合，将电动机的转矩传给飞轮；柴油机起动后，自动切断动力传递，防止电动机被柴油机带动，超速旋转而破坏。
1、电动机
起动机内部的电动机是起动机的核心部件，电动机由电枢、电刷、电磁铁、减速器和端盖等部件组成，其内部剖面图如图2所示。当操作员按下开机按钮后，启动电路被闭合，电磁铁便开始工作。电磁铁的作用是将齿轮传动机构的齿轮和柴油机飞轮连接起来。同时，电磁铁还会将电动机的旋转方向改变90度，使电动机的输出轴可以带动齿轮传动机构的齿轮。
2、电枢磁场
当电动机开始转动时，它的电枢和电刷也会开始旋转。在电刷的作用下，电枢会在磁场作用下旋转。电枢和齿轮传动机构的齿轮相连，因此电枢的旋转会带动齿轮传动机构的齿轮旋转。齿轮传动机构的齿轮会通过万向节传递动力到柴油机的飞轮上。
3、传动机构
除了电动机，起动机中的齿轮传动机构也是非常重要的部分。齿轮传动机构由齿轮、轴和轴承组成。在起动机启动的过程中，齿轮传动机构的齿轮需要承受非常大的转矩，因此齿轮的材质和制造工艺都需要比较高的要求。
4、离合器
在起动机的启动过程中，离合器也发挥了非常重要的作用。离合器的作用是在电动机启动之后将齿轮传动机构和柴油机的飞轮连接起来。离合器的材质和结构都需要满足起动时所需的高扭矩和高耐磨性的要求。
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图1 柴油机启动系统各结构接线图 |
图2 起动机的电动机内部剖面图 |
5、控制装置
（1）结构特点
电磁开关主要由电磁铁机构和电动机开关两部分组成。电磁铁机构由固定铁心、活动铁心、吸引线圈和保持线圈等组成。固定铁心，顾名思义是固定不动的，活动铁心则可以在铜套里做轴向移动。活动铁心前端固定有推杆，推杆前端安装有开关触盘，活动铁心后段用调节螺钉和连接销与拨叉连接。铜套外面安装有复位弹簧，作用是使活动铁心等可移动部件复位。
（2）工作原理
如图3所示，当吸引线圈和保持线圈通电产生的磁通方向相同时，其电磁吸力相互叠加，可以吸引活动铁心向前移动，直到推杆前端的触盘将电动开关触点接通势电动机主电路接通为止。
如图4所示，当吸引线圈和保持线圈通电产生的磁痛方向相反时，其电磁吸力相互抵消，在复位弹簧的作用下，活动铁心等可移动部件自动复位，触盘与触点断开，电动机主电路断开。
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图3 柴油机起动机的吸拉过程示意图 |
图4 柴油机起动机的复位过程示意图 |
二、起动机的特性与曲线图
1、转矩特性
Φ=CιⅠₐ.........................（公式1）
式中，C——常数，C=CmCι；Ⅰₐ——电枢电流。
M=CmΦⅠₐ=CmCιⅠₐ²=CⅠₐ².........................（公式2）
起动机电磁转矩随电枢电流变化的关系称为转矩特性，曲线如图5所示。在磁路未饱和时，由于磁通与电枢电流成正比；磁路饱和后，Φ=常数，电动机转矩为M=CmΦⅠₐ；在起动的瞬间，由于发动机的阻力矩很大，起动机处于完全制动的情况下，n=0，故反电动势E=0。此时电枢电流将达到最大值，称为制动电流，产生最大转矩，称为制动转矩，从而使柴油发动机易于起动。
2、转速特性
起动机具有软的机械特性，即轻载转速高，重载转速低。在磁路来饱和时：
n=｛U-Ⅰₐ（Rs+RL）｝/CmΦ.........................（公式3）
M=CmΦⅠₐ=CmCιⅠₐ²=CⅠₐ²
起动机的转速特性即机械特性曲线如图6所示。可根据不同类型的电动机特点来选用起动机，它们之间曲线对比如图7所示。
（1）串励直流电动机
串励直流电动机在轻载时转速很高，易造成电动机"飞车"事故。因此，对于功率较大的串励直流电动机，不允许在轻载或空载下运行。
（2）永磁式直流电动机
永磁式直流电动机磁极磁通工作时保持不变。并励式直流电动机励磁绕组与电枢绕组联在同一电源上，若外电压不变、励磁电阻不变，则每极磁通也基本不变。故永磁式、并励式电动机转速与转矩之间的关系基本相同。转速将随转矩的增加而近似地按线性规律下降，但下降很小。即它们具有较“硬”的机械特性，适应性能较差。永磁、并励式直流电动机常用于减速型起动机。
（3）串励式直流电动机
串励式直流电动机的励磁绕组与电枢绕组相串联，电枢电流等于励磁绕组电流，并与总电流相等。串励式直流电动机具有起动转矩大，轻载转速高，重载转速低，短时间内能输出最大功率等特点，具有较“软”的机械特性，因此特别适合应用于直接驱动式起动机。
（4）复励式电动机
复励式电动机的磁极上有两组励磁绕组，一组同电枢串联，另一组则同电枢并联。复励式电动机在空载运行的情况下与并励电动机相似，加了负载后，串励绕组的磁场将随负载的增加而加强，运行情况接近串励电动机。因此它的机械特性比并励式软，较串励式硬。复励式直流电动机被一些大功率起动机所采用。
3、起动机功率特性曲线
（1）发动机即将起动时，即起动机刚接入瞬间，此时n=0，电流最大（称为制动电流），转矩也达最大值（称为制动转矩）。
（2）在起动机空转时，电流Ⅰₐ最小（称为空转电流），转速n达最大值（称为空转转速）。
（3）在起动电流接近制动电流的一半时，起动机的功率最大。
由于起动机运转时间很短，允许它以最大功率运转，所以把起动机的最大输出功率称为起动机的额定功率，其功率特性曲线如图8所示。
4、起动机的基本参数与计算公式
起动机的功率P（kW）应根据发动机起动所需功率选取，它取决于发动机的起动阻力矩MQ（N·m）和最低起动转速nQ（r/min），并可由下式计算：
P≥MQnQ/9550
起动机工作时间短暂（仅几秒钟），允许在最大的功率状态下工作。因此，起动机的额定功率一般也就是电动机的最大功率或接近于最大功率。
起动机的电压通常为12V或24V，不同康明斯机型和型号的起动机电压也有所不同。一般来说，电压越高，起动机的输出功率也就越大，但安装起来需要更强的电池支撑。
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图5 柴油机起动机转矩特性曲线 |
图6 柴油机起动机机械特性曲线图 |
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图7 起动机电动机机械特性对比曲线 |
图8 柴油机起动机功率特性曲线图 |
三、起动机的装配和实验
1、起动机的拆装步骤
起动机的装配步骤要按拆卸时相反的顺序进行，注意事项如下。
① 各衬套、电枢轴颈、踺槽等摩擦部位要涂少量润滑脂。各种垫片不要遗漏，并按顺序装配好。
② 外壳与前、后端盖结合时，要找准定位孔后再装配两根长螺栓并拧紧。
③ 在装配电磁开关时，一定要按技术要求装配衔铁。装配衔铁后，要用手拉动，以确定是否装牢。衔铁拉杆与拨叉安装正确无误后，再安装电磁开关并拧紧两个固定螺钉。
④ 带有绝缘套的电刷，要按技术要求安装在绝缘电刷架内。
⑤ 起动机装配完毕后，还应检查和调整起动机齿轮与锁紧螺母的间隙。检查时，将衔铁推到底，这时驱动齿轮与锁紧螺母之间的间隙应该在1.5~2.5mm的范围内，当其间隙
2、起动机的试验条件
起动机装配完毕后，一般应在柴油发电机上进行试验。试验时，要用电量充足的蓄电池，试验合格的起动机应满足下列条件：
① 柴油发电机启动时，起动机的动力应很足，而且无异常杂声；
② 电刷与整流子处应无强烈的火花；
③ 启动时，不允许驱动齿轮出现高速旋转和齿轮撞击飞轮齿圈的金属响声。
3、空载试验
如图9所示，测量起动机的空载电流和空载转速并与标准值比较：
（1）电流值>标准值，n<标准值，表明装配过紧或电枢绕组和励磁绕组内有短路或搭铁现象。
（2）电流值<标准值，n<标准值，表明内部电路有接触不良的地方。
注意：每次空载试验不要超过1分钟，以免起动机过热。
4、起动系统的电压降测试
如图10所示。电压降的测试主要检查起动机主电路的导线连接情况，用数字万用表的直流电压档，按图6所示进行测量，每个地方测量得到的电压值应≤0.2V。如果测得某处电压>0.2V，说明该处的连线有问题。
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图9 柴油机起动机空载试验 |
图10 柴油机起动系统电压降测试 |
总结：
综上所述，起动机的工作原理是利用电动机的转动带动齿轮传动机构，从而带动柴油机开始转动。起动机中的齿轮传动机构和离合器也起着非常重要的作用。这些部件的优质材料和精细的制造工艺都是保证起动机正常工作的重要保证。
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