专利名称：电动机内装插入式混凝土振动器及其不正常操作保护方法
技术领域：
本发明涉及一种电动机内装插入式混凝土振动器及其不正常操作保护方法，用于建筑工程施工，属于建筑机械技术领域。
背景技术：
混凝土振动器是浇筑混凝土的必备工具之一。盖房、修路、造桥、水利工程等建筑行业离不开它，应用十分广泛。
目前，工程中使用的混凝土振动器，百分之九十以上是行星滚锥插入式混凝土振动器，这种振动器从上世纪六十年代问世开始应用至今。
行星滚锥插入式混凝土振动器基本结构和原理为由普通的异步电动机通过软轴带动滚锥在套管内沿管壁作行星式滚动。滚锥自转一周，沿管壁滚动多周，由此增速以达到高频振动的目的。
上述混凝土振动器，其优点是结构简单，振动力大，生产效率高。缺点是使用寿命短(几十小时就需要维修)，噪音大(110分贝以上)，操作人员的劳动强度大，能耗大，效率很低。还有一个弱点是停振。在振动棒垂直作业时(如浇筑立柱)，滚锥一旦离开管壁在套管中央空转(意外短时停电、冲击等干扰所至)，此时滚锥只有自转没有公转，将不再产生离心力使套管振动。这将使振动棒陷在混凝土中无法拔出，造成很大麻烦。
由于软轴在软管内高速转动，直接与管壁摩擦，消耗了大量能量，并使软轴和软管磨损。同时使软管振动让操作人员麻手。滚锥在套管壁上靠摩擦力使其公转，不能润滑，钢铁之间高速干摩，其噪音无法改善。一旦轴承的润滑脂进入套管内，振动棒即不能正常工作。
普通异步电动机重几十公斤，在工地上拎来拎去劳动强度很大。这些结构和原理上的因素，使它的弱点无法得到改善。
现有较好的另一种振动器是，电动机内装插入式混凝土振动器。它将电动机装在棒体内直接驱动偏心块高速运转，以获得高频振动。普通异步电动机最高转速只有2800多转/分(两极)。混凝土振动器需要12000转/分。提高电动机转速的方法目前比较先进的有两种，一是用变频机组将工频电源通过异步电动机驱动多极的永磁同步发电机产生将近200周的中频电源，再由中频电源驱动振动棒内的中频异步电动机高速运转，产生高频振动。二是用直流无刷电动机，由专用驱动器，驱动其高速运转产生高频振动。电动机内装插入式混凝土振动器由于没有了软轴和滚锥，克服了行星滚锥插入式混凝土振动器的噪音大、磨损快、能耗大等大部份弱点。直流无刷式的混凝土振动器还有重量轻的优点，它的全部重量只有几公斤。大大降低了操作人员的劳动强度。但它们有一个致命的弱点，影响了它们的推广应用。就是这种混凝土振动器的生产效率不如行星滚锥插入式混凝土振动器。“没力”，所以操作人员不愿意用。原因是电动机的功率和功率密度做不上去，太小。导致输出功率太小。这个技术难度是由振动棒的特殊性导致的。它的外径限死了，由于施工要求外径不能大。最常用的只有50毫米。电动机铁芯外径只有40几毫米，不能增大。铁芯长度由于下线、加工、机械强度和振动棒自重等因素的限制，也不能放长。其电动机功率最大只能做到四、五百瓦。而行星滚锥插入式混凝土振动器电动机的功率达1500瓦。因此电动机内装式功率太小，满足不了使用需求。其次，由于电动机的外径很小。常用规格的振动棒，在直径20左右的圆周上要开十几个齿槽。所以电动机的槽很小。只能选用较细的漆包线。传统电动机绕组端部必须离开铁芯悬空伸出一定距离，以便能从其他线圈端部越过到达合适的槽位。在振动棒中定子也在作高频振动，因此电动机绕组特别是端部要受到很大的机械应力。甚至可能产生共振。需要采取特殊加固措施。加上为了提高出力，电动机的磁密、电密取得都比正常电动机高得多。因此电动机承受了过高的电磁应力、热应力和机械应力。成了新的寿命瓶颈，无法突破。直流无刷电动机除了上述问题外还有一个很难克服的难题。它的转子位置传感器是精密部件。在振动棒这样的恶劣环境中工作可靠性和寿命都无法保证。其三、由于电动机的加工难度非常高，加上变频机组或直流无刷驱动器，成本比行星滚锥插入式混凝土振动器高得多。这些问题影响了它的实用价值，使得大部分施工队伍目前仍然选用噪音、能耗和劳动强度都较大的行星滚锥插入式混凝土振动器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大功率、大振动力、寿命长、可靠性高、噪音低、节能、轻便、生产效率高的电动机内装插入式混凝土振动器及其不正常操作保护方法。
为达到上述目的，采取如下技术方案本发明所述的电动机内装插入式混凝土振动器包括橡皮软管20、电缆21、振动棒22、控制器23和电源线。电动机定子铁芯槽数减少到三个，三个绕组直接绕在定子铁心的三个齿上，三个绕组Y型连接，引出三根电源线接到控制器；至少一个偏心块焊接在电动机转轴上与电动机转子成一体结构；电动机定子和带偏心块的转子安装在中空圆柱形棒体内。转动部分由多个滚柱和滚珠轴承并联支撑；棒体的下方由下锥体封口，棒体的上方由与橡皮软管相连的上套封口。棒体和上套以及下锥体采用螺纹连接。上下连接螺纹的旋向与电动机的转向配合，在工作时均受力自动拧紧；棒体内置温度传感器。三根电源线和两根棒体温度传感器连接线穿过轴承座和密封防护构件，经橡皮软管与控制器相连；本发明去掉了常规永磁电动机的转子位置传感器；永磁转子采用环形磁钢，将环形磁钢直接套在转轴上胶牢。磁钢轴向分段，各环形磁钢间留出间隙；电动机油冷却，冷却油与轴承润滑油合二为一。本发明还涉及一种不正常操作保护方法，不正常操作时自动降低转速预防振动棒过温损坏保护。
本发明还具有多种其他保护如环境温度过低时自动低速预热；供电电源过压欠压、内部过流、控制器过温时自动停机等保护。上述保护措施虽属于常规技术，但采用在振动棒上使其功能更加完备实用。
本发明的有益效果与现有技术相比，克服了行星滚锥插入式混凝土振动器的使用寿命短，噪音大，操作人员的劳动强度大，耗能大，效率低，停振等缺点。同时采用了特殊结构和工作原理的电动机并采取了特殊措施和机械结构，克服了现有电动机内装插入式混凝土振动器的输出功率不够，电动机寿命短成本高的缺点。以直径50毫米的振动棒为例，本发明50毫米振动棒内装电动机的功率达1500瓦以上，是现有技术极限功率的3倍多。振动棒的寿命在4000小时以上，低噪音(70分贝以下)，节能，轻便(自重仅几公斤)。实际寿命和生产效率明显高于同规格的行星滚锥插入式混凝土振动器。因此，具有明显的经济效益。
以下结合附图和实施例对本发明作比较详细的说明。
图1为电动机内装插入式混凝土振动器结构示意图；图2为电动机内装插入式混凝土振动器的振动棒结构剖视示意图；图3为电动机内装插入式混凝土振动器的定子铁心冲片结构示意图；
图4为电动机内装插入式混凝土振动器的转子组件结构示意图；图5为电动机内装插入式混凝土振动器的不正常操作保护线路原理图。
具体实施例方式
参照图1，这是电动机内装插入式混凝土振动器结构示意图。
如图所示，本发明包括橡胶软管20、电缆21、振动棒22、控制器23和电源线(图中省略)。振动棒22的一端连接有橡皮软管20，用于手持操作。连接电缆21穿过橡皮软管20用于控制器23与振动棒22的电气联接。
参照图2，这是电动机内装插入式混凝土振动器的振动棒结构示意图。
如图所示，振动棒结构包括上套1、O型圈2、锁紧螺钉和弹簧垫圈3、压板4、密封圈5、波形垫圈6、轴承座7、小轴承8、三槽定子铁心和绕组9、磁钢10、小橡皮圈11、转轴12、轴承盖13、滚动轴承14、止推滚柱轴承15、偏心块16、棒套17、锥体18、温度传感器19。轴承、定子、轴承盖、滚柱轴承直接压入棒套，偏心块与转轴焊接，磁钢与转轴用环氧树脂胶牢，上套以及锥体与棒套由螺纹拧紧，绕组和温度传感器引线由轴承座穿出，经密封圈和压板到橡皮软管与控制器相连。上电接通开关后，控制器驱动电动机旋转，带动偏心块高速运转，使棒体振动。
参照图3，这是电动机内装插入式混凝土振动器的定子铁心冲片结构示意图。
如图所示，定子铁心结构设计成三个齿，供三个绕组直接绕制。槽数减少，槽面积增大，方便下线。电动机铁心的极限长度增大。空间利用率提高。配合油冷却电动机的功率密度可以做的非常高。电动机功率增大，自重增加不多。这是提高振动棒出力的关键要素。绕组直接绕在铁心的齿上，紧贴铁芯，机械强度比传统结构大为增强，这对振动棒这样工作环境的电动机尤显重要。
参照图4，这是电动机内装插入式混凝土振动器的转子组件结构示意图。
如图所示，转子组件包括转轴12、磁钢10、小橡皮圈11、偏心块16。
需要说明的是，将磁环直接套在转轴上胶牢。各磁环间留出间隙。这种结构的转子非常简单，相对于异步电动机转子和其它结构的永磁转子转轴可以放粗很多。这就大大加强了转子的强度和刚度。分段磁环的重要意义还在于转轴弯曲变形时，不使磁钢承受过度的机械应力而损坏。众所周知，磁钢很脆。分段磁环的另一个作用是其缝隙吸附润滑冷却油中的铁屑，起到清洁润滑油的作用。保护轴承，提高轴承寿命。还有一个关键作用是方便磁钢制作和充磁。转子磁钢分段后可以分段充磁，减小了充磁机的容量和充磁磁头的制作难度，提高了充磁质量和效果，降低了磁钢成本和提高了磁钢的性能、品质稳定性。
电动机转子与偏心块一体结构，并采用多轴承并联支撑。
电动机油冷却，冷却油与轴承润滑合二为一。
由于空间和重量的限制，电动机工作在高负荷下。散热成了关键问题之一。由于高速运转，轴承的发热也相当厉害，其润滑和散热成了关键问题。本发明采用电动机油冷却和轴承油润滑合二为一的方案，解决了散热和润滑问题。振动棒在混凝土中外表面冷却条件很好。棒体内润滑油在偏心块的驱动下高速循环将轴承、绕组和铁芯产生的热量带向棒体的外壳。这种方式去掉了油封，解决了油封寿命不长的难题。提高了振动棒的寿命和可靠性。
参照图5，这是电动机内装插入式混凝土振动器的不正常操作保护线路原理图。
NTC2是装在棒体内的温度传感器与R23、C18构成温度检测电路，D1、D2、R1构成保护环节，防止外部线路损坏时高压电经温度传感器连接线进入低压控制回路损坏电子线路。计算机检测到棒体温度过高，通过软件判断，下指令将电动机转速调低。温度恢复正常，计算机下指令将电动机转速调为正常转速。在环境温度过低时(如零下10摄氏度以下)起动振动器，控制器侦测到棒体温度过低，会自动低速预热，预热完成后自动升速工作。
如果振动棒离开混凝土长时间工作，由于高速运转轴承的温升会升到非常高，足以破坏润滑油和电动机绝缘，使转子永磁体退磁。导致振动棒损坏。而这种情况由操作人员的疏忽很容易发生。因此，本发明采取了棒体内部温度监控措施。当温度上升到一定程度，会自动降低转速，以控制温度的继续升高。本发明采取的是降速，而不是停机。其好处是，如果在混凝土外工作过久温度升高，低速运转可以让振动棒插入混凝土快速冷却。温度降下来后自动恢复正常工作。如果在混凝土内温度过高，降低转速，一可以快速冷却，二可以拔出，不至于浇在里面拔不出来。
本发明还具有供电电源过压、欠压、系统内部过流、控制器过温等保护。本发明棒体与上套以及下锥体连接采用螺纹连接方式，并且螺纹的旋向与电动机的转向配合。在工作时，上套和下锥体都将受力拧紧，不会松脱。这种方式即方便维护和维修，又简单可靠。
虽然本发明已参照上述的实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员，应当认识到以上的实施例仅是用来说明本发明，应理解其中可作各种变化和修改而在广义上没有脱离本发明，所以并非作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述的实施例的变化、变形都将落入本发明权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种电动机内装插入式混凝土振动器，包括控制器、橡皮软管、电缆和振动棒，其特征在于所述振动棒的内装电动机采用永磁转子、无转子位置传感器电动机；至少一个偏心块焊接在电动机转轴上与电动机转子成一体结构；电动机定子和带偏心块的转子安装在中空圆柱形棒体内，转子由多个滚柱和滚珠轴承并联支撑；棒体的下方由下锥体封口，棒体的上方由与橡皮软管相连的上套封口；棒体与上套以及下锥体采用螺纹连接；棒体内置温度传感器；三根电源线和两根棒体温度传感器连接线穿过轴承座和密封防护构件，经橡皮软管与控制器相连；振动器具有不正常操作时自动降低转速预防振动棒过热损坏保护、环境温度过低时自动低速预热、供电电源过压欠压、内部过流、控制器过温时自动停机保护。
2.如权利要求1所述的电动机内装插入式混凝土振动器，其特征在于所述的内装电动机，其定子采用三槽、三个绕组直接绕在定子铁心的三个齿上；三个绕组Y型连接，引出三根电源线到控制器。
3.如权利要求1所述的电动机内装插入式混凝土振动器，其特征在于所述的电动机转子磁钢为轴向分段环状结构，各磁环直接套在转轴上胶牢，磁环间留出间隙。
4.如权利要求1所述的电动机内装插入式混凝土振动器，其特征在于内装电动机采用油冷却，冷却油与轴承润滑油合二为一。
5.如权利要求1所述的电动机内装插入式混凝土振动器，其特征在于棒体与上套以及下锥体连接螺纹的旋向与电动机的转向配合，在工作时均受力自动拧紧。
6.一种电动机内装插入式混凝土振动器不正常操作保护方法，其特征在于当不正常操作导致棒体温度过高时，降低电动机转速以控制温度的继续升高。
全文摘要
本发明涉及一种电动机内装插入式混凝土振动器及其不正常操作保护方法。内装电动机采用无转子位置传感器永磁电动机，定子三槽结构，三个绕组直接绕在三个齿上；转子采用分段环形磁钢，磁钢直接套在转轴上胶牢，偏心块焊接在转轴上，采用多个滚柱和滚珠轴承并联支撑。电动机油冷却，冷却油与轴承润滑油合二为一。棒体和上套以及下锥体采用螺纹连接。螺纹旋向与电动机转向配合，在工作时上下螺纹均受力自动拧紧。内装电动机的功率可达现有技术极限功率的3倍以上。克服了电动机内装插入式振动器出力不足的弱点。振动棒具有不正常操作保护和非正常使用条件保护功能。振动棒的寿命在4000小时以上，噪音在70分贝以下，节能，轻便，自重仅几公斤。
文档编号H02K7/075GK101025046SQ200610148340
公开日2007年8月29日 申请日期2006年12月29日 优先权日2006年12月29日
发明者舒展 申请人:舒展