实时监测碳刷长度的监测装置及包括其的碳刷和风电机组的制作方法

本发明涉及风电机组领域，特别是涉及一种用于带集电环碳刷或接地碳刷的风力发电机实时监测碳刷长度的监测装置及包括其的碳刷和风电机组。

背景技术：

目前发电机碳刷长度监控，主要采用的方式为：在刷握上安装限位开关，并在碳刷尾部装设挂钩，当碳刷磨损到一定的程度时，碳刷尾部的挂钩触发限位开关，通过限位开关的信号向主控系统报警，告知碳刷磨损情况。

风电机组运行环境恶劣，发电机在运行过程中受到多种不确定因素及环境条件综合作用，各个碳刷的磨损情况不尽相同，即使是集电环同一相上的各个碳刷，也会在实际运行中出现磨损长度不一致的情况。有些恶劣工况下，由于机组长期停机，环境湿度较大时，碳刷磨损产生的碳粉附着在碳刷与刷握间隙，容易发生结块，导致碳刷卡死。

由于传统的感应式位置探测装置体积大，在狭窄的集电环室内无法安装，而且对使用环境要求较高，碳刷磨损产生的碳粉极易导致传感器故障。

现有的碳刷监控装置，仅仅在碳刷磨损到需要更换时才发出报警，而对碳刷磨损过程中实际剩余长度无法实时监控。

这一缺陷，造成发电机运行过程中出现的碳刷磨损异常，无法及时反馈给主控系统；当碳刷异常波及到其他发电机部件以致触发报警时，故障范围往往已经扩大，造成了其他部件的损伤。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、能够实现对碳刷长度实时监控的实时监测碳刷长度的监测装置及包括其的碳刷和风电机组。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：

一方面，本发明提供一种实时监测碳刷长度的监测装置，包括：

安装板，所述安装板采用绝缘材质，所述安装板用于固定在碳刷的刷握上，所述安装板的一侧安装有能导电的导电排；

动触头座，所述动触头座上安装有带有一个触点的导电块，所述导电块采用导电材质，所述导电块上的触点与所述导电排接触连接，所述动触头座的另一侧用于与碳刷尾部挂钩固定连接并随碳刷同步移动，使导电块的触点在导电块上接触滑动；

逻辑电路，所述逻辑电路分别与导电排的两端连接，并在所述逻辑电路内设有用于在导电排两端施加直流电压的内置模块，且所述导电块通过内置模块与导电排的其中一端连接并通直流电压，使所述导电块与与其连接的导电排端的电压为变动电压，所述逻辑电路还内设有电压比值运算模块，用于获得变动电压和导电排两端总电压的电压比值。

进一步地，所述逻辑电路根据电压比值与碳刷原始长度乘积计算出碳刷剩余长度。

进一步地，所述导电排两端分别为a端和b端，所述导电块为c点，所述a端对应碳刷的原始长度，所述b端对应碳刷的需更换长度，所述b端与c点通过内置模块连接。

进一步地，所述触点的形状为半球形，使所述触点与导电排通过半球形的球面触点接触连接。

进一步地，所述逻辑电路用于与风电机组的主控系统连接，所述逻辑电路将计算出的碳刷实时长度并给所述主控系统发出信号。

进一步地，所述导电排两端及导电块分别通过导线与所述逻辑电路连接，所述动触头座上设置有用于所述导线穿过的穿线孔。

进一步地，所述动触头座上设置有用于固定连接所述碳刷尾部挂钩的固定夹。

进一步地，所述导电排、触点和导电块采用相同的导电材质。

进一步地，所述安装板和动触头座的外部还设置有外壳，所述安装板固定安装在所述外壳的空腔内，所述外壳面向碳刷的一侧设置有用于碳刷尾部挂钩移动的沟槽，所述碳刷尾部挂钩伸入所述外壳的沟槽内与空腔内的动触头座固定连接，所述动触头座随碳刷尾部挂钩在所述外壳的空腔内相对所述安装板移动，所述外壳用于固定安装在所述刷握上，所述外壳上设置有出线孔，所述外壳采用绝缘材质。

另一方面，提供一种碳刷，包括所述的实时监测碳刷长度的监测装置，所述安装板与碳刷的刷握固定连接，所述动触头座与所述碳刷的碳刷尾部挂钩固定连接，随所述碳刷同步移动。

再一方面，提供一种风电机组，包括主控系统、碳刷和用于装入碳刷的刷握，还包括所述的实时监测碳刷长度的监测装置，所述安装板与所述刷握固定连接，所述动触头座与所述碳刷的碳刷尾部挂钩固定连接，随所述碳刷同步移动，所述主控系统与逻辑电路连接，根据所述第逻辑电路计算出的碳刷实时长度进行实时监控。

进一步地，包括若干碳刷，每个碳刷设置有独立的所述实时监测碳刷长度的监测装置，所述主控系统根据每个碳刷的监控长度判断风电机组的运行状态。

采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：

(1)本发明本设计针对现有的风电行业碳刷报警装置缺陷，提出了用滑动式碳刷位置传感装置替代现有的单点式限位开关，采用动触点、导电排结合的方式，配以简单的逻辑比较电路，随着碳刷磨损动触点在导电排上移动引起测试电压变化，通过测试电压和总电压的比值计算碳刷的长度，实现对碳刷长度的实时监控。

(2)本发明优选采用触点移动、导电排结合的方式，通过测试实时电压，可准确、快速的判断碳刷的阶段性长度。

(3)本发明还可针对风力发电机碳刷状态监控的需求，通过设计独立的碳刷位置传感装置，实现对碳刷长度的实时监控。通过碳刷长度监测装置，主控系统可得知每个碳刷的剩余长度。当某个或某几个碳刷剩余长度与其余碳刷不同时，即预示着发电机运行过程中，碳刷或集电环等部件可能存在故障，便于维护人员根据碳刷状态，提前对潜在故障进行排查，防止故障范围扩大到其他关键部件，引起机组停机。

(4)本发明不仅结构简单，易于操作，可靠性高。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明的实时监测碳刷长度的监测装置安装到刷握上的结构示意图；

图2是本发明的实时监测碳刷长度的监测装置安装到刷握上的连接结构示意图；

图3是本发明的实时监测碳刷长度的监测装置安装到刷握上侧面结构示意图；

图4是图3的a-a剖面图；

图5是图4的i处放大图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域技术人员。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明提供一种实时监测碳刷长度的监测装置的实施例，如图1至图5所示，包括采用绝缘材质的安装板42和动触头座45，安装板42用于固定在碳刷的刷握1上，安装板42的一侧安装有能导电的导电排43，导电排43的两端与逻辑电路8的内置模块连接并通过内置模块施加直流电压，作为总电压；动触头座45上安装有带有一个触点441的导电块44，导电块44上的触点441能够与导电排43接触连接，动触头座45的另一侧用于与碳刷尾部挂钩2固定连接并随碳刷3同步移动，使导电块的触点在导电块上接触滑动；导电块44采用导电材质，并通过内置模块与导电排43的其中一端连接，导电块与与导电块连接的导电排端的电压为变动电压，并与逻辑电路8内的电压比值运算模块连接，可以直接获得变动电压和总电压的电压比值，逻辑电路8根据电压比值乘以碳刷原始长度计算碳刷实时长度。

本发明在使用时，将碳刷固定在刷握上，在刷握原来安装限位开关的位置将安装板(或连带外壳)安装在刷握上，刷握与安装板固定连接，移动座与碳刷尾部挂钩固定连接，逻辑电路分别与导电排两端和触点连接，导电排两端分别为a端、b端，触点为c点，在导电排a、b两端施加一个直流测试电压uab，并测量动触头c点与导电排b点(或a点)之间的电压ubc(或uac)。通过对比ubc(或uab-uac)和uab的测量值，计算出碳刷的剩余长度s，具体工作原理为：

1)碳刷在恒压簧作用下，沿刷握向下运动，正常磨损。

2)碳刷尾部挂钩随碳刷同速度、同向运动，并带动动触头座同步运动，从而将碳刷长度状态传递给碳刷长度监测装置。

3)新碳刷安装后，初始状态下，动触头c点与导电排a点重合，ubc＝uab，碳刷剩余长度s＝l×(ubc/uab)＝l，逻辑电路判断出碳刷处于原始长度l。

4)随着碳刷磨损，带动动触头向下运动，逻辑电路实时测量的碳刷长度剩余量s＝l×(ubc/uab)，并实时向主控系统反馈测量结果。其中s值从l逐渐减小。

5)当动触头c点运动到与导电排b点重合位置时，s＝0，逻辑电路将判断结果发送给主控系统，并同时向主控系统发送报警信号，通知碳刷磨损达到需要更换的程度。

本发明的实时监控碳刷长度的监测装置通过动触点和导电排结合的方式进行碳刷长度的实时监控，可以方便计算碳刷长度剩余量，方便及时反馈。

导电块的c点在导电排上随碳刷的磨损而同步移动，通过测试ac或bc之间的电压都可以计算碳刷的剩余长度，优选地，导电排43两端分别为a端和b端，导电块44为c点，a端对应碳刷3的原始长度，b端对应碳刷3的需更换长度。碳刷长度剩余量s＝l×(ubc/uab)，l为碳刷的原始长度l。由于bc之间的电压和ab之间的电压比值可以通过逻辑电路电压对比功能实时得出，可以准确的计算出碳刷的剩余长度，从而实现实时监控，而且直观明了。

进一步地，触点441的形状为半球形，使触点441与导电排43通过半球形的球面触点接触连接。半球形的球面接触为点接触，接触导通的时机为点接触，电压测试更加准确，计算也更准确。

为了更智能的判断碳刷的剩余长度，进一步地，逻辑电路8用于与风电机组的主控系统连接，逻辑电路8根据变动电压和总电压比值乘以碳刷原始长度判断碳刷3的实时长度并给主控系统发出信号，及时反馈给风电机组的主控系统，方便主控系统做出更多准确判断。

进一步地，导电排43两端及导电块44分别通过导线46与逻辑电路8连接，动触头座45上设置有用于导线46穿过的穿线孔。

为了方便连接碳刷尾部挂钩，动触头座45上设置有用于固定连接碳刷尾部挂钩2的固定夹。

为了起到保护、固定、支撑的作用，安装板42和动触头座45的外部还设置有外壳41，安装板42固定安装在外壳41的空腔内，外壳41面向碳刷3的一侧设置有用于碳刷尾部挂钩2移动的沟槽，碳刷尾部挂钩2伸入外壳41的沟槽内与空腔内的动触头座45固定连接，动触头座45随碳刷尾部挂钩2在外壳41的空腔内相对安装板42移动，外壳41用于固定安装在刷握1上，外壳41上设置有出线孔，外壳41采用绝缘材质。

上述的导电排、触点、导电块等需要使用导电材质的可采用金属导电材质，优选使用铜，导电排的形状优选为矩形。导电排、触点、导电块优选使用相同的导电材质，使电压监测更准确，实时监测的碳刷剩余长度也更加准确，指导性更好。

本发明的安装方式为：在刷握1上原来安装限位开关的位置，用螺栓5、垫圈6和螺母7将碳刷长度监控装置4固定。碳刷3装入刷握1后，碳刷尾部挂钩2伸入碳刷长度监控装置4的沟槽内。

本发明中，根据实际情况，安照所监测的碳刷3总长度l设置导电排长度ab,以满足对监测需求，若长度ab和总长度l不匹配时可校正计算碳刷长度。

本发明的碳刷的碳刷长度监控装置结构如附图2所示

1)外壳41用于碳刷长度监控装置4固定在刷握1上。

2)外壳41面向碳刷3的一侧设有开槽，槽的宽度大于碳刷尾部挂钩2的宽度，便于碳刷尾部挂钩2随碳刷3向下运动时，不至于和外壳41接触而发生遮挡。

3)外壳41背向碳刷3的一侧，下部设有出线孔，整个装置内部的线路汇聚成多芯电缆导线46后，引至逻辑电路。

4)导电排安装板42为绝缘材质，与外壳41固定，具体长度和厚度根据导电排43长度确定，导电排43的a、b两端设有导线，连接到逻辑电路。

5)导电排43材质为导电金属材质，优选材质为铜；形状优选为矩形。

6)动触头44由一个带触点的导电金属块制成，触头材质与导电排相同，触点形状优选为半球形。

7)动触头44嵌入动触头座45内，并与导电排43接触。

8)触头座45为绝缘材质，其一端开有凹槽，用于和动触头43匹配；另一端设有固定夹，用于和碳刷尾部挂钩2连接。

9)触头座45上开有小孔，用于穿过并固定连接动触头44和逻辑电路的导线。

10)逻辑电路用于连接导线，其内置的模块在导电排a、b两端施加一个直流测试电压uab，在触头c点与导电排b点之间施加一个直流测试电压ubc。通过逻辑电路内部对ubc和uab的比值的测定，计算出碳刷2的剩余长度s。

另一方面，提供一种碳刷3，包括所述的实时监测碳刷长度的监测装置4，安装板42与碳刷的刷握1固定连接，动触头座45与碳刷3的碳刷尾部挂钩2固定连接，随碳刷3同步移动。

再一方面，提供一种风电机组，包括主控系统、碳刷3和用于装入碳刷3的刷握1，还包括所述的实时监测碳刷长度的监测装置4，安装板42与刷握1固定连接，动触头座45与碳刷3的碳刷尾部挂钩2固定连接，随碳刷3同步移动，逻辑电路8与主控系统连接，逻辑电路8通过变动电压和总电压的比值判断碳刷3的长度进行实时监控，并实时反馈给风电机组的主控系统，从而准确判断碳刷剩余长度。

进一步地，包括若干碳刷3，每个碳刷3设置有独立的上述实时监测碳刷长度的监测装置，主控系统根据每个碳刷3的监控长度判断风电机组的运行状态。

本发明还可针对风力发电机碳刷状态监控的需求，通过设计独立的实时监控碳刷长度的监测装置，实现对碳刷长度的实时监控。

本发明采用简易结构的滑动式触点测量元件，利用逻辑电路判断动触头、导电排两端之间电压的方法，实现对风力发电机碳刷长度的实时监控。通过简单、实用的改进，可在现有风力发电机碳刷装置上进行安装，替代限位开关，实现对风力发电机碳刷长度的实时监控。本发明的结构更加简单、功能更加完善，且在风力发电机上更具有适用性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。