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柴油机起动马达三大组成部分的作用 |
摘要：掌握柴油机起动马达的结构和原理，对柴油发电机组而言，绝不仅仅是“知道它是怎么转起来的”这种基础认知，而是具有实际运维、故障诊断、安全操作和成本控制四个层面的关键意义。而对于操作或管理人员来说，起动马达看起来是个小部件，但它决定了整台发电机组“能否及时响应使命”。掌握了它，就掌握了一个关键的故障排除入口和可靠性保障环节。
一、起动马达的结构组成
起动马达的功率一般为0.6～10kW，选配时，要根据柴油机的功率等级、启动转矩等因素选用相应功率等级的起动马达，柴油发动机说明书中均规定了应选用的起动马达型号。要求启动用的蓄电池电压一般为12V或24V，一定要按照起动马达的要求配备相应等级电压和一定容量的蓄电池。柴油发电机组的电起动马达结构分为直流电动机、离合机构和电磁开关，这三部分各司其职，协同工作，共同完成将电能转化为机械能并启动发动机的任务。
1、直流电动机
直流电动机是输出转矩的原动力，其结构多数采用四极串励电动机。这种电动机在低速时输出转矩大，过载能力强。
如图1所示为ST614型电磁操纵式启动机。它由串励式直流电动机作启动机，其功率为5.3kW，电压为24V，此外，还有电磁开关和离合机构等部件。
图2为电磁操纵机构启动机电气接线图。启动时，打开电路锁钥（即电路开关），然后按下启动按钮4，电路接通，于是电流通入牵引电磁铁的两个线圈，即牵引电磁铁线圈和保持线圈，两个线圈产生同一方向的磁场吸力，吸引铁芯左移，并带动驱动杠杆8摆动，使启动机的齿轮与飞轮齿圈进行啮合。铁芯1继续向左移，于是，启动开关5触点闭合，启动直流电动机电路接通，直流电动机开始运转工作，同时启动开关使与之并联的牵引继电器线圈短路，牵引继电器由保持线圈所产生的磁场吸力保持铁芯位置不动。
启动后，应及时松开启动按钮，使其回到断开位置，并转动电路锁钥，切断电源，以防启动按钮卡住，电路切不断，牵引继电器继续通电。此时，由于电路已切断，保持线圈磁场消失，在复位弹簧的作用下，铁芯右移复原位，直流电动机断电停转。同时，齿轮驱动杠杆也在复位弹簧的作用下，使齿轮退出啮合。
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图1 ST614型电磁操纵式启动机 |
图2 电磁操纵机构启动机电气连接图 |
2、离合机构
离合机构的作用是将电枢的转矩通过启动齿轮传到飞轮齿圈上，电动机的动力能传递给曲轴，以启动柴油机。启动后，电动机与柴油机自动分离，以保护启动机不致损坏。离合机构主要有弹簧式和摩擦片式两种。中小功率柴油机的启动机离合机构大多采用弹簧式，大功率柴油机的启动机大多采用摩擦片式离合机构。
（1）弹簧式离合机构
目前4135型和6135型柴油机配用的ST614型启动机采用弹簧式离合机构。弹簧式离合机构较简单，套装在启动机电枢轴上，其结构如图3所示。驱动齿轮的右端活套在花键套筒左端的外圆上，两个扇形块装入齿轮右端相应缺口中并伸入花键套筒左端的环槽内，这样齿轮和花键套筒可一起做轴向移动，两者可相对滑转。离合弹簧在自由状态下的内径小于齿轮和套筒相应外圆面的直径，安装时紧套在外圆面上，启动时，启动机带动花键套筒旋转，有使离合弹簧收缩的趋势，由于离合弹簧被紧箍在相应外圆面上，于是，启动机扭矩靠弹簧与外圆面的摩擦传给驱动齿轮，从而带动飞轮齿圈转动。当柴油机启动后，齿轮有比套筒转速快的趋势，弹簧胀开，离合齿轮在套筒上滑动，从而使齿轮与飞轮齿圈脱开。
（2）摩擦片式离合机构
摩擦片式离合机构的结构如图3所示。这种离合机构的内花键毂装在具有右旋外花键套上，主动片套在内花键毂的导槽中，而从动片与主动片相间排列，旋装在花键套上的螺母与摩擦片之间，装有弹性垫圈、压环和调整垫片。驱动齿轮右端的鼓形部分有一个导槽，从动片齿形凸缘装入此导槽之中，最后装卡环，以防止启动机驱动齿轮与从动片松脱。离合机构装好后摩擦片之间无压紧力。
启动时，花键套按顺时针方向转动，靠内花键毂与花键套之间的右旋花键，使内花键毂在花键套上向左移动将摩擦片压紧，从而使离合机构处于接合状态，启动机的扭矩靠摩擦片之间的摩擦传给驱动齿轮，带动飞轮齿圈转动。发动机启动后，驱动齿轮相对于花键套转速加快，内花键毂在花键套上右移，于是摩擦片便松开，离合机构处于分离状态。
该离合机构摩擦力矩的调整依靠调整垫片，以改变内花键毂端部与弹性垫圈之间的间腺，控制弹性垫圈的变形量，从而调整离合机构所能传递的最大摩擦力矩。
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图3 起动马达弹簧式离合机构. |
图4 起动马达摩擦片式离合机构 |
3、电磁式启动开关
电启动系统主要有电磁式和机械式两种控制开关。其中电磁开关是利用电磁吸力带动拨叉进行启动的，其构造与线路连接如图5所示。
启动柴油机时，按下开关，此时电路为：蓄电池→开关→接线柱→吸铁线圈→接线柱→发电机→搭铁→蓄电池。流经吸铁线圈的电流使铁芯磁化产生吸力，将动触点吸下与静触点闭合。此时流经启动开关的电路为：蓄电池→接线柱→动触点→静触点→保持线圈→吸引线圈→接线柱→启动机线路（见图5，启动机的线路为：接通开关后，蓄电池的电流如箭头所示经励磁线圈、碳刷、整流子、电枢线圈、整流子和碳刷架经接地线流回蓄电池负极）→搭铁→蓄电池。
此时，电流虽流经直流电动机，但电流很小不能使电动机旋转；而流过吸引线圈和保持线圈的电流方向一致，所产生的磁通方向也一致，因而合成较强的磁力将活动铁芯吸向左方，并带动拨叉使启动齿轮与飞轮齿圈啮合。与此同时，推动铜片向左压缩复位弹簧。当活动铁芯移到左边极端位置时，铜片将接线柱和接线柱间的电路接通。此时，大量电流流入直流电动机线路，电动机旋转，进入启动状态。
启动后，松开开关，吸铁线圈中的电流被切断，铁芯推动吸力，动触点跳开，切断经动触点和静触点流过保持线圈和吸引线圈的电流。此时开关中的电路：蓄电池→接线柱→铜片→接线柱→吸引线圈→保持线圈→搭铁→蓄电池。
由于吸引线圈和保持线圈中的电流方向相反，它们所产生的磁通方向也相反，磁力互相抵消，对活动铁芯产生吸力，活动铁芯在复位弹簧作用下带动启动齿轮回到原位，将接线柱和接线柱间的电路切断，电动机停止工作。
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图5 电磁式启动开关电磁式启动开关 |
图6 启动电机线路 |
二、起动马达的原理与优缺点
柴油发电机组的起动马达，本质上和普通柴油机的一样，核心任务都是将其他形式的能量（电能或压缩空气能）转化为机械能，来驱动发动机飞轮旋转，直至其能自行运转。
1、起动马达工作过程
（1）接通与啮合：拧动钥匙或按下启动按钮后，电磁开关通电，产生磁力将驱动小齿轮推出，与柴油机巨大的飞轮齿圈柔和地啮合。
（2）通电与旋转：齿轮啮合到位的同时，电磁开关内的主触点闭合，蓄电池的大电流直接通向直流电动机，电动机瞬间产生巨大扭矩，带动飞轮旋转。
（3）启动与退出：当飞轮转速带动柴油机成功“点火”后，飞轮的转速会反超小齿轮。此时，传动机构中的单向离合器会立刻打滑，切断动力反向传递。松开启动键后，小齿轮在弹簧作用下自动退回原位。
2、核心优点
（1）系统简单，成本低：结构本身就是一个直流电动机加电磁开关，没有复杂的液压或气动元件。整套起动系统只需要起动马达+蓄电池+启动开关/继电器，初期采购和维护成本都较低。
（2）启动迅速，操作方便：拧钥匙或按按钮即可，从通电到带动飞轮旋转通常不到1秒，适合应急备用电源场景。
（3）独立性强，不依赖外部气源：不需要配空气压缩机、储气罐、气管路等附属设备。
（4）技术成熟，维修便利：绝大部分电工都熟悉其原理，配件通用性高（尤其是日立、博世、电装等常见接口）。
（5）适合频繁启停的工况：只要蓄电池电量充足，可以多次重复启动，不像气动或液压起动受储气量限制。对建筑工地、通信基站备用电源等需要多次试机或测试的场景很合适。
3、主要缺点
（1）对蓄电池依赖性强：一旦电池亏电、老化、接线松动，或者低温导致容量下降，马达就会出现电磁开关“嗒嗒嗒”反复吸合不转，并且发电机组本身熄火后无法自己发电给电池充电，需依赖外接充电器或另一组电池。
（2）低温启动能力差：柴油机压缩比高，冷态阻力大，而低温下蓄电池放电能力急剧下降（零下10℃可能只剩50%~60%容量）。往往需要额外配备进气预热、机油加热、蓄电池保温等辅助措施，否则很难一次启动。
（3）大功率机组时系统负担很大：常见12V/24V系统，功率越大电流越惊人。对蓄电池组容量、起动电缆线径、触点要求极高；大功率下电起动已不经济，通常转向气动起动。
（4）存在电气安全隐患：大电流通断时可能产生火花（比如电磁开关触点、启动继电器）。在有可燃气体、粉尘的场所（如油田、化工厂、煤矿），电起动属于安全隐患，必须用防爆型或改用气动起动。
（5）单向离合器容易失效：如果柴油机启动后没有及时松开钥匙（或启动电路有粘连），马达会被反拖。单向离合器一旦打滑或抱死，会出现马达空转（发动机不动）或马达跟着发动机一起转很久，引起马达过热甚至烧毁。
（6）启动占空比低，不能长时间连续工作：电起动马达通常设计为间歇工作制（例如每30秒内最多转15秒）。如果反复连续启动，马达会很快过热、碳刷磨损加剧或转子烧坏。
总结：
柴油发电机组最常见的故障之一就是“启动失败”。如果不了解起动马达，往往会误判为发动机本身的问题。而掌握了柴油机起动马达结构和原理，就能通过现象快速锁定故障点。此外，对于蓄电池容量计算，可根据起动马达的功率和最大电流（例如一台7.5kW的24V马达，电流可达300A以上），计算出所需蓄电池的最小冷启动电流（CCA）和容量，避免出现“电池看起来满电，但启动就是没劲”的匹配问题。
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