鄧堪誼，劉袁平

（ 佛山市云雀振動(dòng)器有限公司，廣東 佛山 528225 ）

混凝土振動(dòng)器用變頻機(jī)組碳刷結(jié)構(gòu)分析和改進(jìn)

鄧堪誼，劉袁平

（ 佛山市云雀振動(dòng)器有限公司，廣東 佛山 528225 ）

分析混凝土振動(dòng)器用變頻機(jī)組的碳刷結(jié)構(gòu)及其存在問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種碳刷自動(dòng)補(bǔ)償裝置，有效提高產(chǎn)品使用壽命。

混凝土振動(dòng)器；變頻機(jī)組；碳刷結(jié)構(gòu)；自動(dòng)補(bǔ)償裝置

0 引言

在混凝土澆筑作業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)施工中，電機(jī)內(nèi)裝插入式混凝土振動(dòng)器是非常重要的振搗機(jī)具。該類機(jī)具需用高頻低壓電源，必須配備變頻機(jī)組。變頻機(jī)組由同軸安裝的異步電動(dòng)機(jī)和中頻發(fā)電機(jī)（150Hz～200Hz）組成，其勵(lì)磁通過(guò)集流環(huán)和碳刷結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)。

1 概述

圖1為變頻機(jī)組實(shí)物圖，勵(lì)磁電流由碳刷經(jīng)集電環(huán)導(dǎo)入位于轉(zhuǎn)子鐵芯中的勵(lì)磁繞組。該結(jié)構(gòu)的要點(diǎn)在于拉伸彈簧自始至終應(yīng)保持足夠的拉力將碳刷與集電環(huán)維持在良好的接觸狀態(tài)。

圖1 變頻機(jī)組碳刷結(jié)構(gòu)

2 分析和改進(jìn)

2.1 碳刷選取

該系列變頻機(jī)組選用金屬石墨碳刷，碳刷的技術(shù)要求和技術(shù)特性包含接觸特性（接觸電壓降和摩擦系數(shù)）和理化特性。從變頻機(jī)組的使用角度考慮，碳刷的接觸特性比理化特性更為重要。影響接觸特性的因素較多，主要有變頻機(jī)組集流環(huán)與碳刷接觸部分的圓周速度、電流密度、施于碳刷的單位壓力以及周圍介質(zhì)情況等。

1）系列變頻機(jī)組采用J102電刷，其允許圓周速度≤20m/s。

集流環(huán)與碳刷接觸處相對(duì)周圍速度為：

式中 V—圓周線速度

ω—圓周角速度

r—集電環(huán)外表面半徑通過(guò)計(jì)算可得V=13.5m/s。2）電刷電流密度，該系列變頻機(jī)組最大勵(lì)磁電流5A。

式中 J—電流密度

I—?jiǎng)?lì)磁電流

S—電刷截面積通過(guò)計(jì)算可得J=0.025A/mm2。

3）單位壓力。依據(jù)JB/T2839-2005電機(jī)用刷握及集電環(huán)標(biāo)準(zhǔn)要求，碳刷上的壓強(qiáng)可采用15/17.5/20/22.5/25kPa，推薦采用20kPa。J102電刷給定的標(biāo)準(zhǔn)碳刷單位壓強(qiáng)為17.6kPa～22.5kPa?？芍?/p>

式中 F—壓力

P—單位壓強(qiáng)

S—電刷截面積計(jì)算可得F=3.6N～4.6N。此壓力合適與否，需通過(guò)溫升試驗(yàn)加以驗(yàn)證（集流環(huán)表面溫升≤85K）；

4）周圍冷卻媒質(zhì)為空氣，符合條件。

5）接觸壓降的問(wèn)題。依據(jù)GB755-2008接觸壓降計(jì)算要求為0.3V，實(shí)際J102的技術(shù)要求為：一對(duì)碳刷壓降0.5±40%=0.3V～0.7V。相對(duì)于勵(lì)磁電壓380V，其影響約為0.08%～0.18%，可忽略不計(jì)。

6）碳刷壽命，即磨損量的問(wèn)題。依據(jù)J102的技術(shù)條件，50h的最大磨損量為0.4mm。依據(jù)變頻機(jī)組碳刷圖樣，理論上壽命為2268h。在計(jì)算理論壽命時(shí)，采用可使用的磨損量，即乘以系數(shù)0.65，得可使用的理論壽命為1474h。

對(duì)于系列變頻機(jī)組，勵(lì)磁系統(tǒng)經(jīng)計(jì)算可使用的碳刷磨損量為4.09mm，預(yù)期使用壽命511h。碳刷J102的選取不存在問(wèn)題。

2.2 拉伸彈簧

1）彈性系數(shù)：依設(shè)計(jì)，給定彈簧彈性系數(shù)K值為0.4N/mm。

2）在保證碳刷壓力的前提下，所需彈簧長(zhǎng)度壓力取3.6N，得F=3.6/cos26.58=4.025N。

式中 F—彈簧拉力

K—彈性系數(shù)

Δx—彈簧變形量

計(jì)算可得Δx為10.06mm，彈簧原長(zhǎng)L0為30.19mm。

圖2 變頻機(jī)組碳刷結(jié)構(gòu)

在圖2結(jié)構(gòu)中彈簧長(zhǎng)度僅保證出廠狀態(tài)下的電刷壓力，隨著碳刷磨損，壓力逐漸變小。現(xiàn)有工藝下彈簧拉力缺乏足夠的儲(chǔ)備，容易導(dǎo)致拉力失效，除非彈簧設(shè)計(jì)成非線性的系數(shù)，否則難于維持恒定壓力。

從上述分析可知，碳刷在電流和彈簧拉力（摩擦）作用下，受工藝正常波動(dòng)的影響，可快速磨損，進(jìn)而失效影響變頻機(jī)組的正常使用。

3 自動(dòng)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)

圖3 變頻機(jī)組碳刷結(jié)構(gòu)受力分析

在圖3結(jié)構(gòu)中，為保證勵(lì)磁系統(tǒng)的正常工作，彈簧拉力F在法向分量N維持一定的數(shù)值。由于工藝的波動(dòng)，F(xiàn)值變化從而引起N值隨之變化。可在A處增加一碳刷自動(dòng)補(bǔ)償裝置，壓出碳刷，以保障拉伸彈簧拉力，延長(zhǎng)碳刷壽命。設(shè)計(jì)時(shí)，補(bǔ)償裝置中壓縮彈簧壓力A的選取應(yīng)是大于拉伸彈簧拉力F的法向分量N。新的帶有碳刷自動(dòng)補(bǔ)償裝置的變頻機(jī)組見(jiàn)圖4。

圖4 帶有碳刷自動(dòng)補(bǔ)償裝置的變頻機(jī)組

圖4結(jié)構(gòu)中，壓盒中安裝有壓縮彈簧，一端與碳刷平面接觸。當(dāng)碳刷發(fā)生磨損變短時(shí)，在壓縮彈簧和調(diào)節(jié)螺釘?shù)淖饔孟拢妓⒈豁敵?，自?dòng)補(bǔ)償磨損量，維持拉伸彈簧的拉力，從而維系碳刷與滑環(huán)的良好接觸，提高變頻機(jī)組的使用壽命。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，變頻機(jī)組增加“碳刷自動(dòng)補(bǔ)償裝置”后滑環(huán)溫升正常，電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定。在運(yùn)行過(guò)程中，碳刷的伸出量（露出刷握平面）基本上保持在4mm左右，可供磨損的長(zhǎng)度達(dá)到了碳刷長(zhǎng)度的2/3以上，碳刷的使用壽命接近1600h。

4 結(jié)論

勵(lì)磁系統(tǒng)是混凝土振動(dòng)器用變頻機(jī)組重要而又薄弱的環(huán)節(jié)，加之制造過(guò)程中工藝波動(dòng)因素的影響，缺點(diǎn)可被放大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)威脅到產(chǎn)品的正常使用。合理設(shè)計(jì)的碳刷自動(dòng)補(bǔ)償裝置彌補(bǔ)這一缺陷，有效提高產(chǎn)品使用壽命。

[1]全國(guó)旋轉(zhuǎn)電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).旋轉(zhuǎn)電機(jī)定額和性能：GB 755-2008[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

[2]全國(guó)旋轉(zhuǎn)電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)起重冶金和屏蔽電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化分技術(shù)委員會(huì).電機(jī)用刷握及集電環(huán)：JB/T 2839-2005[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2005.

[3]吳恒顓.電機(jī)常用材料手冊(cè)[M].西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社,2001.

[4]陳世坤.電機(jī)學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1997.

Analysis and Improvement of the Carbon Brush Structure of the Frequency Converter for Concrete Vibrator

Deng kanyi, Liu yuanping
( Foshan Yunque Vibrator Co.,Ltd. Foshan 528225, Guangdong )

By analyzing the carbon brush structure of the frequency converter for concrete vibrator, this paper points out the defects of this structure, and designs a new carbon brush structure with automatic compensation device, greatly prolonging the service life of product, and finally passed verification.

Concrete vibrator; Frequency converter; Carbon brush structure; Automatic compensation device

TM382

A

1674-2796（2017）05-0001-03

2017-06-07

鄧堪誼（1971—），男，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，主要從事混凝土振動(dòng)器產(chǎn)品研發(fā)及企業(yè)管理工作。