一种新型智能碳刷装置的制作方法

本发明涉及安全监测技术领域，尤其涉及一种新型智能碳刷装置，可用于隐极式电机碳刷。

背景技术：

现有发电机一般采用静态励磁系统，其中需要布置数量较多的碳刷以均匀地导通励磁电流，为保证碳刷均匀布置且固定可靠，大多采用组合式刷盒将3～4个碳刷固定在刷盒内，再将刷盒沿圆周方向对称装配于刷架上。当机组在正常运行过程中，由于集电环始终处于高速旋转运动，而刷盒(碳刷)处于静止状态，因此碳刷始终处于持续磨损的工况，同时会由于持续磨损产生高温过热，且可能会由于集电环振动导致每个碳刷磨损量不一致，也会由于碳刷与集电环接触不良好导致电流分配不均匀或接触面打火等现象。目前传统的碳刷维护一般由人工定期巡检的方式来实现，借助钳形电流表、手持式红外成像仪等工具对碳刷运行状态进行检测，由于人工检测操作费时费力且存在一定的风险性，人工采集的数据量有限，具有很大的随机性，无法实现对碳刷电气物理参数的实时监控，同时人工检测很容易由于观察不仔细造成故障遗漏，因此对机组长期可靠运行来说，人工巡检无法实现碳刷在线监测和故障早期预警，难以及时处理和排除安全隐患，给机组运行带来极大的安全隐患。

国家知识产权局于2018年11月23日公开了申请公布号为cn108879273a，名称为火力发电机碳刷温度电流和磨损在线监测仪的发明专利，公开了一种火力发电机碳刷温度电流和磨损在线监测仪，包括在每个碳刷的刷辫上设置电流强度传感器，采集每个碳刷的刷辫的电流强度；电流强度传感器经电流信号线与数据收集处理器连接；对应每个碳刷，设置温度传感器，将碳刷前端的温度信号传输入并进行计算；在每个碳刷内，设置磨损监测线，磨损监测线与碳刷之间绝缘；磨损监测线前端到碳刷前端的距离，小于刷辫前端到碳刷前端的距离；磨损监测线经磨损信号线与数据收集处理器连接，数据收集处理器通过有线连接或无线发送的方式，与数据接收及报警装置连接。但其存在以下问题：碳刷磨损线需提前预埋且特殊定制，结构较复杂且使用成本较高，若磨损线与碳刷之间绝缘不良可能会导致无法传送检测信号或磨损检测单元烧损；每个碳刷磨损线都需经磨损信号线单独引出，线缆较多易造成碰磨损坏，碳刷集电环装置处的操作空间极其有限，会导致安装接线工作量大且很难操作，并且碳刷维护更换时也需重新接线，易因人员操作失误导致接线不良；温度检测单元采用与碳刷直接接触的温度传感器，在集电环高速运转时，碳刷处会不断振动，可能会导致接触式温度传感器与碳刷振动摩擦甚至损坏传感器，测温准确性和可靠性有待考究。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的不足和问题，本发明将要解决的技术问题是设计一种新型智能碳刷装置，可用于隐极式电机碳刷，具有集成在线监测系统，通过刷盒结构和功能的改进设计，采用高度集成、小巧简洁、成熟可靠的功能模块来实现对电机的碳刷温度、磨损量和电流等参数的监控，以解决碳刷和刷盒结构复杂，接线较多，安装工作量大，操作困难，维护更换便利性较差，检测单元可靠性等问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种新型智能碳刷装置，包括刷盒，刷盒内设有若干碳刷室，碳刷室内装有碳刷，碳刷后端设有顶推装置；碳刷室内壁贴设有金属极板，极板与碳刷间设有绝缘介质以形成电容器；碳刷室壁上设有温度传感器，碳刷的刷辫处设有电流强度传感器；极板的电容信号、温度传感器的温度信号和电流强度传感器的电流强度信号经采集、处理后传输到监测终端或报警装置。

进一步地，所述碳刷装置还包括手柄，手柄上连接有装配轴，装配轴上套设有支座和信号采集器，刷盒装配在支座上；装配轴一端设有凸肩，装配轴另一端与手柄螺纹连接，将支座和信号采集器卡固在凸肩和手柄之间。

进一步地，所述支座底部依次设有扁担弹簧和碳刷保持板，碳刷保持板前端设有翻边，翻边扣合在刷盒前端，可将碳刷保持在刷盒内。

进一步地，所述极板的电容信号、温度传感器的温度信号和电流强度传感器的电流强度信号通过无线或有线发送方式传输到信号采集器进行采集、处理，再通过无线或有线发送方式传输到监测终端或报警装置。无线信号传输、数据处理均为现有技术，不再赘述。

进一步地，所述碳刷室内壁设有极板槽，极板槽内设有电容底板，极板固定在电容底板上；所述顶推装置为卷簧，卷簧的外端部固定在电容底板上，安装碳刷时碳刷的后端抵住卷簧使卷簧展开。

进一步地，所述碳刷室壁上靠近碳刷前端设有通孔，温度传感器为贴片式袖珍型温度传感器，温度传感器连接有柔性导热元件，柔性导热元件穿过通孔与碳刷接触，将碳刷温度传导到温度传感器。

进一步地，所述碳刷与极端相对设置，碳刷向前滑移过程中相对面积逐渐减小。

进一步地，所述极板上镀有绝缘材料，绝缘材料作所述电容器的绝缘介质用。

本发明采用电容原理来测量碳刷磨损，只需在原刷盒的每个碳刷室开设极板槽，在极板槽内放置镀有绝缘材料的金属极板，碳刷与极板间即可形成电容器。随着碳刷的磨损，碳刷与极板间的相对面积发生变化，电容的大小亦随之发生变化，外部的监测终端或报警装置即可据电容信号判定碳刷的磨损程度。多个碳刷室内的碳刷磨损量信号也可经一根信号线集中引出至信号采集器，再通过无线发送方式传入到监测终端或报警装置，减少了线缆的数量，接线布线更加简洁可靠。整个磨损监测单元集成度更高，结构更加简单，而且无需改变碳刷结构，非常适用于空间紧凑的刷盒结构，同时测量精度可控，可剔除环境因素干扰，易安装，寿命长，实用性更强。

本发明采用贴片式袖珍型温度传感器来测量碳刷温度，此传感器为微小薄膜式热电阻或热电偶元件，采用坚固耐用的层压绝缘结构，适用于极端环境，将其安装在靠近碳刷前端相应位置，通过柔性导热元件将碳刷温度传导到温度传感器，温度信号再以无线发送方式传输到信号采集器。传感器的形状尺寸也可进行定制，安装方便，无需改变刷盒及碳刷结构，测量精度高，测温响应迅速，能够检测碳刷最高温度点，减少碳刷温度传感器安装数量。同时，柔性导热元件的设置也避免了传感器与碳刷直接接触，保证了温度测量的准确性和可靠性。

本发明采用电流强度传感器来测量碳刷电流，在每个碳刷的刷辫处安装半环形的电流强度传感器元件，电流强度传感器可通过胶粘或卡扣的方式可靠固定，传感器测量范围宽，跟踪速度快，线性度高，响应迅速，可同时测量任意波形电流，实用性强，且每个碳刷的电流强度信号可通过无线发送的方式传送给监测终端或报警装置。

本发明中，保留传统刷盒及碳刷的基本结构，避开复杂的结构设计改动，在原结构上进行非侵入式安装，借助刷盒微小结构改动，采用更小巧、成熟可靠、集成化程度更高的功能元器件，能够实现碳刷磨损、温度及电流的在线监测。在保证监测效果的前提下，通过信号线的集成和无线传输方式的应用，能够实现碳刷装置在结构上的布线简化，尤其适用于空间局限的集电环刷架处安装。本发明通过合理的结构设计、安装位置的优选以及监测单元的集成设计，使碳刷装置在实际工程运用中更具经济性、便利性和实用性。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是手柄和装配轴的装配示意图；

图3是手柄、装配轴、信号采集器和支座的装配示意图；

图4是刷盒的结构示意图；

图5是电容底板、卷簧和极板的装配示意图；

图6是刷盒、碳刷保持板和扁担弹簧的装配示意图。

附图标记说明：

1-刷盒，2-碳刷，3-卷簧，4-信号采集器，5-手柄，6-支座，7-扁担弹簧，8-碳刷保持板，9-电容底板，10-极板，11-温度传感器，12-导热元件，13-装配轴，14-极板槽。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明涉及一种新型智能碳刷装置，包括刷盒，刷盒内设有若干碳刷室，碳刷室内装有碳刷，碳刷后端设有顶推装置；碳刷室内壁贴设有金属极板，极板与碳刷间设有绝缘介质以形成电容器；碳刷室壁上设有温度传感器，碳刷的刷辫处设有电流强度传感器；极板的电容信号、温度传感器的温度信号和电流强度传感器的电流强度信号通过无线或有线发送方式传输到信号采集器进行采集、处理，再通过无线发送方式传输到监测终端或报警装置。

本发明通过以上结构的改进、功能模块的安装及无线信号传输的应用，能够实现碳刷磨损量、碳刷温度和碳刷电流的实时监测、信号采集、信号无线传输等功能，提升碳刷装置的实用性和可靠性，并简化了附属设备和线路，为后期运行维护提供便利，也为机组实现智能化、无人值守奠定了基础。

实施例1：

参见图1～6，本发明具体涉及一种新型智能碳刷装置，包括刷盒1和手柄5，刷盒1内分隔出四个碳刷室，碳刷室内装有碳刷2；手柄5上连接有装配轴13，装配轴13上套设有支座6和信号采集器4，刷盒1装配在支座6上；装配轴13一端设有凸肩，装配轴另一端与手柄5螺纹连接，将支座6和信号采集器4卡固在凸肩和手柄5之间；支座6底部依次设有扁担弹簧7和碳刷保持板8，碳刷保持板8前端设有翻边，翻边扣合在刷盒1前端，可将碳刷2保持在刷盒1内。

碳刷室内壁设有极板槽14，极板槽14内设有电容底板9，电容底板9上贴设有金属极板10，极板10表面镀有绝缘材料，极板10与碳刷2间形成电容器。电容底板9上靠近碳刷2前端的位置设有卷簧3，因卷簧3的外端部固定在电容底板9上，安装碳刷2时碳刷2的后端抵住卷簧3使卷簧3展开，卷簧3的回弹力便可产生顶推碳刷2的效果。碳刷2在使用过程中，随着碳刷2的磨损，卷簧3顶推碳刷2前移，使碳刷2与集电环保持良好的电连接；此间，碳刷2与极板10间的相对面积发生变化，电容的大小亦随之发生变化，外部的监测终端或报警装置即可据电容信号判定碳刷2的磨损程度。同时，每个碳刷室内的碳刷2磨损量信号经一根信号线集中引出至信号采集器4，再通过无线信号传输模块传入到报警装置，可减少线缆的数量，也可使接线布线更加简洁可靠。

碳刷室外壁上设有贴片式袖珍型温度传感器11，温度信号再以无线发送方式传输到信号采集器4。温度传感器11还连接有柔性导热元件12，碳刷室壁上靠近碳刷2前端的位置设有通孔，柔性导热元件12穿过通孔与碳刷2接触，可将碳刷2温度传导到温度传感器11。贴片式袖珍型温度传感器为微小薄膜式热电阻或热电偶元件，采用坚固耐用的层压绝缘结构，适用于极端环境。温度传感器11的形状尺寸根据刷盒形状尺寸进行定制，安装方便，无需改变刷盒1及碳刷2结构，测量精度高，测温响应迅速，能够检测碳刷2最高温度点。同时，柔性导热元件12的设置也避免了温度传感器11与碳刷2直接接触，保证了温度测量的准确性和可靠性。

碳刷2的刷辫处卡扣式地设有半环形的霍尔电流强度传感器，电流信号以无线发送方式传输到信号采集器4。霍尔电流强度传感器具有诸多优势，如测量范围宽，跟踪速度快，线性度高，响应迅速，可同时测量任意波形电流，实用性强。

极板10的电容信号、温度传感器11的温度信号和电流强度传感器的电流强度信号通过无线或有线发送方式传输到信号采集器4进行采集、处理，再通过无线发送方式传输到报警装置。本实施例中，关于无线信号传输、数据处理的技术手段为现有技术，不再赘述。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。