0 引言

随着汽车数量的迅猛增长，节能减排已变成一个不可忽视的问题。为了进一步实现节能的目标，怠速启停系统在汽车上的运用越来越多，对系统中起动机的性能要求也越来越高。现在市场上的怠速启停系统主要有分离式启停系统、起动机-发电机集成式启停系统、SISS智能启停系统和滑行启停系统四种[1]。

分离式启停系统与起动机-发电机集成式启停系统都是以起动机为核心的启停系统，分离式启停系统具有系统零件少、安装方便的特点，起动机-发电机集成式启停系统具有将启动、制动能量回收的特点[1]。SISS智能启停系统则是利用发动机缸内直喷技术实现怠速启停，该系统较前两种系统在启动效率上有了一定程度的提高。滑行启停系统的优势是汽车在运动过程中能够实现节能的作用。对于国内城市道路，分离式启停系统和起动机-发电机集成式启停系统都存在起动机的启动效率低和使用寿命短的问题，SISS智能启停系统只适用于配备发动机缸内直喷系统的汽车，滑行启停系统的主要优势是汽车在非城市道路运行的效率比较高。综合来看，怠速启停系统想要在国内成功运用必须解决起动机启动效率低和使用寿命短的问题。

为解决怠速系统中起动机启动效率低和使用寿命短的问题，提出一种双开关式起动机结构。鉴于起动机设计的复杂性，本文在计算起动机设计参数与选择材料时，给出了起动机主要参数的计算方法和永磁体材料的选择要求。

1 双开关式起动机控制结构与原理

怠速启停系统使用的起动机一般是用一个电磁开关控制起动机的运转与拨叉移动，其运转状况是电机与拨叉同时运动。在提出的双开关式控制结构中，其设计结构与现在主流的起动机相比，具有更快的启动速度和不同的控制方式。一般起动机控制结构都是基于一条电路控制电机运转与磁铁运动，其弊端是降低起动机的启动效率。因为在起动机启动时，拨叉并不能马上带动小齿轮与汽车飞轮啮合，所以起动电机运转一段时间后才会带动飞轮运转启动发动机。在设计中针对这一时间差现象，提出对起动机的电机与拨叉使用两种独立的控制回路，这两条控制回路分别称为拨叉控制回路和电机控制回路，具体结合图1进行说明。

图1是双开关式起动机的控制结构。该控制结构是在现有起动机结构的基础上对其控制结构进行设计，设计方案中起动机的控制结构由两条控制回路独立构成，控制回路之间互不干扰。拨叉控制回路是由继电器1、线圈5和电磁铁6组成，当怠速启停系统启动程序被激发，拨叉控制电路形成闭合回路，铁芯磁化带动小齿轮弹出与飞轮结合。如果系统得到驾驶员车辆启动信号信息，系统发出命令，电机控制回路启动，电机带动飞轮运转，实现系统快速启动。相比现在的单开关式起动机，所提出的双开关式启动方式省去了小齿轮与飞轮结合的时间，从而提高了启动效率。

  

图1 双开关式的起动机控制结构的原理控制电路Fig.1 Principle control circuit of double closed type starter control structure

 

1、2.继电器开关 3.电源 4、5.电磁线圈 6.电磁铁7.动触点 8.定触点 9.小齿轮 10.拨叉 11铁芯

2 起动机主体参数设计

2.1 电磁负荷的选择

A=100 ～300 A/cm (大功率电机）。

直流电机的主要尺寸取决于电负荷和磁负荷的选择与设计。其中，磁负荷的参数选择又取决于永磁材料类型的选取和永磁体尺寸的设计，若确定永磁材料的类型与永磁体的尺寸，则Bδ的范围就确立了，此后它的变换范围就不会有太大的变化。

（4）永磁材料拥有较好的稳定性，在具有较小温度系数的同时也要使得其机械性能良好。

对连续运行的永磁直流电机，一般取负电荷[2：]

A=30 ～100 A/cm (小功率电机），

永磁直流电动机的主要尺寸有电枢的直径Da与电枢的计算长度Lef，可以通过设定起动机的额定数据去计算。

2.2 永磁材料的选取

将斑点叉尾鮰放入CO2浓度为550 mg/L的水溶液中，浸浴15 min后将鱼装进保活袋充入纯氧，每组分别放入0、2、4、6、8和12 ℃的培养箱中，5 h后取出放入清水中，观察存活数并记录存活率。

（1）较好的磁性能能产生较大的气隙磁场；

（2）比较高的磁能积能够有效地提高电机的比功率；

⑫亦有人认为，这一关于国家理论的争论，并不具有重大的意义。原因在于，这一争论不过是局限于极其狭窄的领域。这两种观点都认为，国家是帮助资本积累和调整阶级斗争，甚至有时代表着那些局部利益的资本家来损害一般资本的利益。在这里，国家并不是一个主体运作者，而只是一个场所，阶级和阶级的“派别”和“部分”在这里组织起来。但实际上，国家既是一个场所，也是一个行动者。因此，这一争论并没有完全突破马克思国家理论的还原论倾向，并没有形成关于国家真正自主的理论。

（3）能够在高温环境下工作，不会受到温度的影响而退磁；

如果有一个人才德很出众，就可以实行君主政体；如果有某个家族的人们才德很出众，就可实行贵族政体。总之，这两个政体的根本原则是美德。但是，在现实生活中，才德远超众的人不容易出现，所以，这两类政体在现实中不太容易采用。而且，就君主一人统治而言，君主政体中的君主既才德超群，同时又能遵循法律；然而，一旦君主流于邪恶，而且听凭自己的私意独裁专制，就是暴君制。由于暴君们只从自己的私利出发，完全不顾及全体公民的利益，并且统治了比他更有才德的人，所以最终得不到大家的拥护，必定会灭亡。

而电机的气息密度Bδ，取决于永磁材料的剩余磁密Br，最初选择气息密度Bδ的范围时通常为（0.6 ～ 0.85）Br [2,3]。

式中：Da——电枢直径；P′——计算功率；Lef——电枢计算长度；A——单位电流负荷，电机中定子与转子电流负荷之和；ai——计算极弧系数； Bδ ——气隙密度。

综合以上的要求考虑，在起动机永磁材料的选择上，选取稀土永磁材料中的钕铁硼作为永磁体的材料，参数见表1。钕铁硼不但具有不容易被氧化、高温不易变形、抗疲劳强度较高、较高的居里温度等优点，同时还具有较高的剩磁磁密、矫顽磁力和最大磁能积都比较高的优点。其中，剩磁磁密、矫顽磁力和磁能积这三个性能参数对永磁体材料的选择起到至关重要的作用。综合而言，选用钕铁硼作为永磁材料是提高起动机使用寿命的绝佳选择。

 

表1 牌号 NTP-24UH的钕铁硼磁材料参数Tab.1 Parameters of NdFeB magnetic material of grade NTP-24UH

  

名称 数值剩磁 Br/T 1.04～1.08矫顽力Hc/(kA/m) 780～812最大磁能积/(kJ/m3) 201～203内禀矫顽力/(kA/m) ≥1 990剩磁温度系数/(%/K) 0.10居里点 /℃ 340～400密度/(g/cm3) 7.3～7.5

2.3 主要尺寸的计算

主要尺寸的基本关系[2]：

在绿色建筑中，屋顶虽然不能够接受与外墙等同的太阳能，但是其采光性能要比天窗好很多。另外，由于屋顶平行于水平面，并且高于地面，阳光遮挡物较少，因此，在屋顶布局光伏发电系统无须考虑角度问题，只需要保证光电板最大面积覆盖即可。另外，由于屋顶独立于整个绿色建筑之上，容易遭受自然灾害的影响，其使用寿命最短，这些都是设计者需要考虑的问题[4]。

在“课堂新探”栏目中，杭州学军小学周菲老师与大家分享了《童味·童心·“童思”——以“磁立方制作活动日历”为例谈数学拓展性课程的几个基点》实践过程，提出：还原童味，拓展在知识的原味解读中生长；顺应童心，拓展在学习的本真体验中生长；扶持童思，拓展在数学的反思中生长。进一步明确“以学生立意，为学生生长”为目标的数学拓展课程，不是为“涨”知识，而是以核心素养为导向的数学活动课。

 

此外，由于定子和转子之间的空气间隙可以在永磁体的相反方向上产生，会有退磁效果，并且如果气隙越大，则退磁场的作用也会越明显，所以永磁体必须拥有更大的矫顽力。

式中：hM——永磁体厚度；bM——永磁体的宽度；δi——电动机计算气隙长度，一般δi=0.15～0.6 mm；τ2——电动机转子极距，N/m；ur——相对回复磁导率； Br /Bδ一般取为 1.1～1.35；Br20——20℃时剩磁密度，取1；u0——真空磁导率；Hc20——20℃时计算矫顽力； ap——计算极弧系数，在设计起动机电机过程中一般和ai取值一样[3]。

在电机设计过程中，式（1）中的P′一般根据电机事先确立的额定数据来计算[2]

 

电机长径比λ的选择对电机的性能、重量、成本都有很大的影响。在电机设计中，一般λ取值在（0.5～1.5）范围内，在本设计中计算极弧系数 ai=0.65，Bδ =0.71，n=3 000r/min，Kp=0.6[3-4]。

施工前期准备工作不到位，会给施工质量、安全和进度带来不可预估的影响。比如，水利工程施工单位如果不重视原材料的供应，对新型材料了解不足，施工过程中才发现问题，就会直接影响工程进度，而且加大工程的施工成本。施工过程中会经常遭遇各种恶劣天气，包括汛期、洪涝等不可预估的灾害，可能会导致水电困难等问题，如果前期准备不足，会严重影响工程进度和生产安全。

《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年》中强调：大力发展职业教育，加快培养具有熟练技能等综合职业能力的高素质劳动者和技能型人才[1]。随着社会对服务质量和需求的变化，对人才的要求也越来越高，培养具有较强实践能力的技能型人才已成为中职学校的共同目标，但如何把中职生培养成社会需要的高素质的技能型人才，要进行实践和探究。

由 式(1)—式(3)得电枢直径的计算公式[2-3]：

 

2.4 永磁体尺寸的确定

永磁体充磁方向的长度hM与δi的大小有关，根据公式[3]：

 

传动滚筒作为输送机的主要受力部件，要受到输送带张力，滚筒自重，以及来自轴端输入扭矩的作用。在传动扭矩适当时，围包角α内存在工作弧和静止弧，在工作弧线内只有输送带张力，没有摩擦力，而滑动弧内既有压力又有摩擦力。在分离点，在输送带拉力(即松边拉力)不变的情况下，随着输送带的负载不断增加，静止弧会越来越小，滑动弧不断增大，直至滑动弧与围包角弧度相等。如果负载继续增加，就会出现输送带打滑现象[3]。

永磁体内径：

 

在本设计中hp=0。

永磁材料对起动电机的性能有较大影响，尤其是对起动机的寿命影响较大。往往评价起动电机整体性能的好坏依赖于永磁材料的选择。衡量永磁体材料在电机中应用的好坏，关键因素包括剩磁密度、矫顽力、磁能积、磁体的温度、退磁曲线、尺寸、制造成本、体积与重量等等。而当此电机在汽车上应用时，其质量和尺寸都会受到诸多的要求和限制，对动态性能和电机的工作功率也存在着较高的要求。因此，对于永磁体材料的选取应该满足以下要求：

永磁体外径：

 

2.5 极弧设计

对于起动机极弧的确定，只需满足两个基本条件，首先要满足无论转子处于什么位置，起动机都能够启动，再者即满足当某一项定子与转子极处于极对极时，相邻的两个定子与转子都必须有一定的重叠。极弧要满足以下两个公式[5]：

 

式中：q——电机相数；B2——定子极弧；Br——转子极弧。定子极弧与转子极弧数据的选择对起动机的性能有极大的影响。

根据式(1)—式(11)计算的起动机基本设计参数如表2所示。

 

表2 起动电机基本设计参数Tab.2 Basic design parameters of starting motor

  

名称 尺寸电枢直径/mm 46电枢长度/mm 36永磁体厚度/mm 2永磁体宽度/mm 12.6永磁体长度/mm 51永磁体内径/mm 49永磁体外径/mm 54相数 4转子极弧6π定子极弧6π计算功率/W 90

2.6 电机主要部件三维模型

根据本文设计的电机主要参数，基于三维绘图软件绘制起动机电机电枢的三维模型、起动机的三维成型图（图2）和爆炸图（图3）。

  

图2 起动机电枢三维图Fig.2 3D diagram of starter armature

  

图3 起动机爆炸图Fig.3 Starter explosion diagram

3 结论

（1）双开关式起动机控制结构对于解决怠速启停系统起动机的启动效率问题收到了比较好的效果，能够有效地提高起动机的启动效率。

（2）起动机主体部分的设计和钕铁硼材料的选择有效地提高了起动机的启动转矩和使用寿命，也能更好地体现双开关式起动机的启动效率和性能。

参考文献

[1]张颖剑.汽车怠速启停系统发展现状与思考[J].汽车工业研究,2013(3):47-49.

[2]王秀和.永磁电机[M].北京:中国电力出版社,2007:115-279.

[3]唐任远.现代永磁电机[M].北京:机械工业出版社,2010:100-272.

[4]高明玲.低速运输车用离心式稳压发电机设计[J].农业装备与车辆工程,2012(9):17-25.

[5]刘爱民,张金华,娄家川,等.新型凸极式转子无刷电励磁直流电机的设计与分析[J].电工技术学报,2015,30(14):527-528.