汽车起动器及其转矩增加功能

汽车上的起动器用于发动引擎。最早的起动器大概在1910年开发完成，并成功取代了手动起动。此后，起动器经历了多次升级，包括啮合方式、齿轮减速、6V变12V、减小体积和重量，以及可靠性和性能的提高^{［14，16］}。

最初，人们采用串励电机，这种电机起动转矩高、空载转速高，这些特性非常适合起动引擎^［17］。

永磁起动电机用永磁体取代了励磁绕组，提高了电机的性能。取消转子绕组降低了损耗，永磁体磁密高，因此和串励电机相比，可以提高输出并减小体积。然而，永磁电机起动转矩小、空载转速低，这对发动机不利，并且永磁电机比串励电机成本高。

带辅助磁极的永磁起动电机保留了一般永磁电机的优点，同时也具有串励电机高起动转矩和高空载转速的优点^［17］。其中的永磁体和铁心都有助于建立磁通，因此永磁体的用量比普通永磁起动电机少。

起动电机和其他电机的主要区别是有一个磁控开关，用来控制转子轴上的小齿轮和发动机曲轴上的飞轮齿圈的啮合，这种电机一般采用绕组励磁。当磁场建立且电动机转动时，磁控开关动作，在惯性离合机构的辅助下，小齿轮和环形齿轮啮合。起动结束后，磁控开关复位，电动机失磁，小齿轮被发动机带动而超速，进而导致小齿轮退出啮合状态，回到内缩位置。惯性离合机构末端装有弹簧，用于辅助小齿轮复位。啮合阶段，电机电枢加速使小齿轮在惯性力的作用下进入啮合状态，同时也压缩弹簧。

具有行星齿轮的高速小体积起动电机中，转速和转矩的传递是通过齿轮机构完成的。

汽车中，起动电机一般紧邻变速箱，因此希望其直径和轴向长度都尽可能小。为此，有些设计采用空心飞轮，将小齿轮和飞轮齿圈都放在飞轮内腔。

一般情况下，发动机由一个经齿轮耦合的起动电机起动。当起动电机带动发动机转速上升至150～200r/min时，燃油开始注入并点燃，之后起动器的作用消失，发动机依靠自身动力升速至怠速。这种起动方式用油多，并且其中大部分由于燃烧不充分而被浪费，进而造成起动过程中尾气排放严重，排出气体中主要是碳氢化合物。另外，由于齿轮的存在，导致起动提前时间长，噪声大。但是，这种起动方式可以提供高达150N·m的起动转矩。(www.xing528.com)

另一种起动发动机的方式是由起动器将发动机带至约600～800r/min的怠速，然后开始注入燃油并点燃。这种方式的优点是起动速度快且平稳，缺点是高速时燃烧稳定性差。另外，这种方式下，起动电机耗电多，并且在1～1.5s内消耗如此高的电能对蓄电池危害很大。

以上两种起动方式的比较如图4-10所示。

图4-10 传统起动器和ISA起动发动机过程

第三种起动方式是采用两个起动电机，其中一个将发动机转速带至400r/min，然后退出，另一个电机则将发动机转速进一步带至600～800r/min，此时燃油开始注入并点燃，起动电机自动退出。其中第一个起动电机，由于要克服很大的惯性和活塞摩擦力，一般功率较大，而第二台电机仅仅是提高转速，功率要求不高。使用两台起动电机可以使发动机可靠高效地冷起动。然而，热起动时第一台电机并无必要，第二台电机可以独立起动发动机。这种起动方式由于使用两台电机，所以主要的问题是体积和成本。

还有一种和上面类似的起动方式，起动过程中由发电机来完成第二台起动电机的功能。由于发电机一般通过传动带和曲轴耦合，所以起动时能够提供的转矩较小，此时发电机主要起辅助增加起动转矩的功能。如果采用链条或齿轮耦合，由于没有带式输送带导致的转差问题，所以可以提供大些的转矩。这种起动方式，不需要第二台起动电机，并且在用传动带耦合时噪声很小。