影响马达用起动开关的动态特性因素浅析
影响马达用起动开关的动态特性因素浅析
一、
背景介绍
随着现代汽车对马达提出了体积小、重量轻、性能可靠、功率大、寿命长的要求，汽车马达电磁开关的设计与制造有了很大的发展。电磁开关是马达的关键部件，其设计好坏直接影响起动的可靠性。它作用体现在两方面：一是接通蓄电池与马达的主电路，使得电流流入直流电机的电枢，让电机旋转起来。二让电流经过吸拉线圈和保持线圈拉动动铁心，动铁心拨动了拨杆，使得小齿轮和飞轮的齿轮啮合。一旦两个齿轮啮合以后，电机产生强大的转矩驱动发动机。所以要求电磁开关有相应的吸力、相应的行程，除此外尽可能让体积和质量减少。电磁开关是马达最容易出现故障的部件，其故障现象往往表现为电磁开关不吸合，进而导致起动机不工作，或者电磁开关吸合后不断电，导致起动机损坏，甚至影响蓄电池。而对于电磁开关最要的性能就是其电磁性能，本文主要针对马达开关的动特性进行详细分析。
二、开关结构和基本原理
从图（1）中可以看出，电磁开关的基本组成部分有触点、缓冲弹簧、挡板、返回弹、保持线圈、吸拉线圈、静铁心、动铁心、拉杆、挡板、外壳、铜套等组成。
（图1）
其工作原理为电磁开关多数采用双线圈。起动时，点火开关使电磁开关的吸拉线圈和保持线圈的电路接通并产生电磁吸力，同时返回弹簧也起作用。当克服反力时，动铁心在两线圈共同作用下产生位移，当位移移动到触点接触时，吸拉线圈被短路，只有保持线圈的电磁力吸住铁心发动机点火后，点火开关断电，保持线圈断电了，吸拉线圈和保持线圈在主电路的电流作用下产生相反的电磁力，相互抵消，动铁心在缓冲弹簧和返回弹簧反力作用下也回到原来位置，等待下一次起动。电磁开关原理图如下图所示。
图（2）
三、磁力系统的动态特性分析
根据触点是否闭合，电磁开关整个吸合工作进程分为一次进程和二次进程。一次进程就是在电磁开关吸合后触点没有闭合，只有返回弹簧起作用。二次进程是当触点闭合后，缓冲弹簧和返回弹簧一起作用。电磁开关采用双线圈，吸拉线圈和保持线圈通常采用相同或相近的匝数。根据电磁开关不同进程，线圈工作也不同，电磁开关在一次进程过程中，吸拉线圈和保持线圈一起作用，当触点闭合后，只有保持线圈起作用了。在整个吸合过程中，线圈产生的电磁力必须要克服几个弹簧的反力。因此要根据弹簧的反力特性来进行磁系统设计，使得吸力特性大于反力特性，并使之配合合理。
3．1.1电磁开关动态特性影响因素
影响电磁开关动态特性的因素很多，铁心材料的导磁性能好坏直接影响触动
时间的数值，反作用弹簧的强度则影响触动电流和释放电流等。下面分别讨论线圈励磁电压、线圈电阻、反力特性等对电磁开关动态响应的影响。从图（3）可以看出：在三个区域中，区域1为触动过程，区域2为运动过程，区域3为达到稳态过程。在整个吸合运动过程中，区域1和2是动态特性分析最为关键的过程，因此下面只分析电流特性曲线触动过程和运动过程。
图（3）
3．1．2线圈励磁电压对动态特性的影响
图4（a、b、c）为在不同励磁电压下，已市场长常用的DK119开关为例经测验测得的电磁开关动态特性响应图。从图中(a)，(b)和表(1)可以看出：当线圈励磁电压越高，动铁心在较短触动时间内获得加速度，电磁开关响应速度加快。但是，电压的增大使得线圈和主回路的电流峰值过高，容易烧毁线圈和粘连触点，导致起动机损坏，甚至损坏蓄电池。
驱动电压/V
8
12
16
触动时间/ms
9.8
4.6
3
触动电流/A
29.75
30.79
31.02
峰值时间/ms
20.34
13.85
11.01
峰值电流/A
34.67
47.56
58.12
响应时间/ms
36.8
20
15.2
表(1)
图4（a）不同电压激励下电磁力曲线
图4（b）不同电压激励下电磁力曲线
图4（c）不同电压激励下电磁力曲线
3．1．3 线圈电阻对动态特性的影响
图5（a、b、c）为不同线圈电阻下，电磁开关的动态特性响应图。从图中可以得到：电阻变化对电磁开关的电流特性有着一定的影响。随着电阻的减小，触点电流变化并不大，但电流峰值明显增大，响应时间减少，如表2。因此电阻值的大小是影响电磁开关的动态特性的一个重要因素，它即能提高电磁力的大小，又能很好得限制电流峰值。
图5(a) 不同线圈电阻下电流曲线
图5(b) 不同线圈电阻下电流曲线
图5(c) 不同线圈电阻下电流曲线
驱动电压/V
0.22
0.30
0.35
触动时间/ms
4.6
5.6
7.2
触动电流/A
30.79
29.93
29.89
峰值时间/ms
13.85
14.65
18.21
峰值电流/A
47.56
38.64
33.74
响应时间/ms
20
26.6
36.2
表（2）不同线圈电阻对动态响应的影响
3.1.4反力特性对动态特性的影响
从图8（a、b）以看出：弹簧的反力特性对电流特性的触动电流影响比较大。随着反力特性增大，电磁开关触动时间变长，但对峰值电流影响并不大，如表3
过大的弹簧反力将造成触动时间的迟缓，甚至吸不动动铁心，而过小的反力可能
使得弹簧回力不足。因此，要确定合理弹簧反力特性必须要考虑到电磁开关的动
铁心触动时间和动铁心回位的弹簧反力。
图6(a) 不同反力特性下的电流曲线
图6(b) 不同反力特性下的电流曲线
反力特性/N
A
B
B
触动时间/ms
4.6
6.6
9
触动电流/A
30.79
37.7
43.42
峰值时间/ms
13.85
15.02
17.58
峰值电流/A
47.56
48.6
50.08
响应时间/ms
20
23.4
27.6
表（3）不同反力特性对电阻对动态响应的影响
四、总结
本文分析了电磁开关的吸合时间特性和释放时间特性。不管是在吸合和释放过程中，电磁开关都需要触动电流迫使动铁心运动。以市场DK119电磁开关为例分析了影响电磁开关动态特性的各个因素。线圈励磁电压过大，虽能使电磁开关的响应时间快，但会产生较大的电流峰值，容易造成线圈烧毁。线圈电阻减小对触动电流影响较小，但峰值电流增大。反力特性增大使得电流触动时间缓慢，也影响了动态特性响应时间。
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