常规起动机的组成、结构和工作原理

1.2 常规起动机的组成、结构和工作原理
常规起动机一般由直流串励式电动机、传动机构和控制装置（也称电磁开关）三部分组成。如图2－1所示
是其和发动机飞轮的啮合关系，图2－2所示是起动机的组成。由图可以看出，把点火开关旋至起动档时，电动
机产生转矩开始转动，同时电磁开关把传动机构中的小齿轮推出，使其与发动机的飞轮齿圈啮合，这样就把电动
机的转矩通过传动机构传递给飞轮，使发动机起动。

图2-1 起动机和发动机的啮合关系
图2－2 常规起动机的组成
1.2.1 直流串励式电动机
直流电动机的作用是产生力矩。一般均采用直流串励式电动机。“串励”是指电枢绕组与磁场绕组串联。
1.2.1.1 直流电动机的结构 直流电动机由磁极、电枢、换向器和外壳等组成如图2－3所示，

图2-3 直流电动机
(1) 磁极 磁极的作用是产生电枢转动时所需要的磁场，它由固定在机壳上的磁极铁心和磁场绕组组成，
见图2－4。如图2－5所示为励磁绕组的内部电路连接方法，励磁绕组一端接在外壳的绝缘接线柱上，另一端
与两个非搭铁电刷相

图2－4 磁极
图2-5 励磁绕组的接法
a)四个绕组相互串联；b）两个绕组串联后再并联
(2) 电枢 如图2－6所示为电枢总成，由外圆带槽的硅钢片叠成的铁心和电枢绕组组成，磁场绕组和电枢绕组
一般采用矩形断面的裸铜线绕制。

图2-6 电枢总成
换向器装在电枢轴上，它由许多换向片组成。换向片嵌装在轴套上，各换向片之间均用云母绝缘。
(3) 电刷 电刷和换向器配合使用用来连接磁场绕组和电枢绕组的电路，并使电枢轴上的电磁力矩保持固
定方向。
电刷装在端盖上的电刷架中，电刷弹簧使电刷与换向片之间具有适当的压力以保持配合，如图2-7所示。
图2-7 电
刷及电刷架的组合

以四磁极电动机为例，其中两个电刷与机壳绝缘，电流通过这两个电刷进入电枢绕组，另外两个为搭铁电刷，
通过电枢绕组的电流通过这两个电刷搭铁。
(4)机壳
是电动机的磁极和电枢的安装机体，其中一端有四个检查窗口，便于进行电刷和换向器的维护，同时起动机
的电磁开关也安装在机壳上，其上有一绝缘接线端，是电动机电流的引入线。
1.2.1.2 直流电动机的工作原理 直流电动机的基本工作原理是通电的导体在磁场中会受电磁力作用，电
磁力的方向遵循左手定则。

图2-8 直流电动机的原理图
如图2-8所示，两片换向片分别与环状线圈的两端连接，电刷一端与两换向器片相接触,另一端分别接蓄电
池的正极和负极。在环状线圈中电流的方向交替变化，用左手定则判断可知,环状线圈在电磁力矩作用下按顺时
针方向连续转动。这样在电源连续对电动机供电时，其线圈就不停地按同一方向转动。
为了增大输出力矩并使运转均匀，实际的电动机中电枢采用多匝线圈，随线圈匝数的增多换向片的数量也
要增多。
1.2.1.3 直流电动机的工作特性 直流电动机工作时有如下的特点：
• 电动机中电流越大，电动机产生的扭矩越大。
• 电动机的转速越高，电枢线圈中产生的反电动势就越大，电流也随之下降。

起动机在初始起动期间和起动期间各项指标的比较见表2－1。
表2－1
阶段 项目 初始起动期间 正常起动期间

电动机速度 较 低 较 高
电动机电流 较 大 较 小
电动机产生的扭矩 较 大 较 小
电枢中的反向电动势 较 小 较 大
直流串励式电动机的力矩M、转速n和功率P随电枢电流变化的规律，称为直流串励式电动机的特性。图2
－9所示为直流串励式电动机的特性曲线，其中曲线M、n和P分别代表力矩特性、转速特性和功率特性。

图2－9 直流串励式电动机的特性
结合表2－1和图2－9可知，在起动机起动的瞬间，电枢转速为零，电枢电流达到最大值，力矩也相应达到
最大值。使发动机的起动变得很容易。这就是汽车起动机采用串励式电动机的主要原因。
串励式电动机在输出力矩大时，电枢电流也大，电动机转速随电流的增加而急剧下降；反之，在输出力矩较
小时，电动机转速又随电枢电流的减小而很快上升。
串励式电动机具有轻载转速高，重载转速低的特性，对保证起动安全可靠是非常有利的，是汽车上采用串励
式电动机的一个重要原因。
串励式电动机的功率P可用下式表示：
P=Mn/9550
式中：M——电枢轴上的力矩（Nm）；
n——电枢转速（r／min）。
电动机完全制动时，转速和输出功率为零，力矩达到最大值。空载时电流最小，转速最大，输出功率也为零。
当电枢电流接近制动电流一半时，电动机输出功率最大。
1.2.2 传动机构
传动机构的作用是把直流电动机产生转矩传递给飞轮齿圈，再通过飞轮齿圈把转矩传递给发动机的曲轴，使
发动机起动；起动后，飞轮齿圈与驱动齿轮自动打滑脱离。一般由驱动齿轮、单向离合器、拨叉、啮合弹簧等组
成。单向离合器有滚柱式，摩擦片式，弹簧式等几种类型。
其中滚柱式单向离合器是最常用的，下面就以滚柱式单向离合器为例，讨论其结构和工作原理。
1.2.2.1 滚柱式单向离合器的构造如图2－10所示，滚柱式单向离合器的驱动齿轮与外壳制成一体，外壳内
装有十字块和4套滚柱、压帽和弹簧。十字块与花键套筒固连，壳底与外壳相互扣合密封。

图2－10 滚柱式单向离合器
1-驱动齿轮；2-外壳；3-十字块；4-滚柱；5-压帽弹簧；6-垫圈；7-护盖；8-花键套筒；
9-弹簧座；10-啮合弹簧；11-拨环；12-卡簧
花键套筒的外面装有啮合弹簧及衬圈，末端安装着拨环与卡圈。整个离合器总成套装在电动机轴的花键部位
上，可作轴向移动和随轴转动。在外壳与十字块之间，形成4个宽窄不等的楔形槽，槽内分别装有一套滚柱、压
帽及弹簧。滚柱的直径略大于楔形槽窄端，略小于楔形槽的宽端。
1.2.2.2 工作过程 受力分析如图2－11所示，当起动机电枢旋转时，转矩经套筒带动十字块旋转，滚柱
滚人楔形槽窄端，将十字块与外壳卡紧，使十字块与外壳之间能传递力矩，见图2-11a）；发动机起动以后，飞
轮齿圈会带动驱动齿轮旋转，当转速超过电枢转速时，滚柱滚人宽端打滑，这样发动机的力矩就不会传递至起动
机，起到保护起动机的作用。见图2-11b）。

图2－11 滚柱的受力及作用示意图
a．起动时；b.起动后
1.2.3 控制装置
电磁控制装置在起动机上称为电磁开关，它的作用是控制驱动齿轮与飞轮齿圈的啮合与分离,并控制电动机
电路的接通与切断。在现代汽车上，起动机均采用电磁式控制电路，电磁式控制装置是利用电磁开关的电磁力操
纵拨叉，使驱动齿轮与飞轮啮合或分离。
1.2.3.1 电磁控制装置的组成 图2－12所示为其结构图。电磁开关主要由吸引线圈、保持线圈、回位
弹簧、可动铁心，接触片等组成。其中，端子C接点火开关，通过点火开关再接电源；端子30直接接电源。

图2－12 电磁开关结构图
1.2.3.2 基本工作过程 电磁开关的工作过程要结合电路进行分析，此处不对其进行单独的分析。主要
的工作过程见起动系统控制电路中图2－14。当起动电路接通后，保持线圈的电流经起动机接线柱50进入，经
线圈后直接搭铁，吸引线圈的电流也经起动机接线柱50进入，但通过线圈后未直接搭铁，而是进入电动机的励
磁线圈和电枢后再搭铁。两线圈通电后产生较强的电磁力，克服回位弹簧弹力使活动铁心移动，一方面通过拨叉
带动驱动齿轮移向飞轮齿圈并与之啮合，另一方面推动接触片移向接线柱50和C的触点，在驱动齿轮与飞轮齿
圈进入啮合后，接触片将两个主触点接通，使电动机通电运转。在驱动齿轮进入啮合之前，由于经过吸引线圈的
电流经过了电动机，所以电动机在这个电流的作用下会产生缓慢旋转，以便于驱动齿轮与飞轮齿圈进入啮合。在
两个主接线柱触点接通之后，蓄电池的电流直接通过主触点和接触片进入电动机，使电动机进入正常运转，此时
通过吸引线圈的电路被短路，因此，吸引线圈中无电流通过，主触点接通的位置靠保持线圈来保持。发动机起动
后，切断起动电路，保持线圈断电，在弹簧的作用下，活动铁心回位，切断了电动机的电路，同时也使驱动齿轮
与飞轮齿圈脱离啮合。
表2－2 起动机的分组代号

型号中关于设计序号和变型代号的规定与其他电气产品中的有关规定相同。
分组代
号
1 2 3 4 5 6 7 8 9

功率等级（KW） ～0.736 >（1～2） ╳0.736 >（2～3） ╳0.736 >（3～4） ╳0.736 >（4～5） ╳0.736 >（5～7） ╳0.736 >（7～10） ╳0.736 >（10～15） ╳0.736 >15╳
0.736