一种电刷投退控制方法及其装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种电刷投退控制方法，包括电刷、电刷电流及状态传感器、电刷投退控制系统以及电刷投退执行机构，所述电刷的投退控制方法包括如下步骤：第一步，通过电刷电流及状态传感器监测电刷总电流和当前投入电刷的数量；第二步，通过电刷投退控制系统分析和计算是否需要投入或退出电刷以及投入或退出电刷的数量；第三步，通过电刷投退执行机构控制投退电刷动作。本发明能监测电刷投入状态，包括总电流和电刷投入数量，分析并控制执行机构进行投退电刷动作，使投入的电刷始终工作在优选电流密度状态下，对电刷的保护为“主动式”；使得电机更加自动化、智能化。
【专利说明】
一种电刷投退控制方法及其装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种电刷投退控制装置，尤其涉及一种用于电机中传输电流的电刷的 投退控制装置，属于电机电刷技术领域。
[0002]
【背景技术】
[0003]电刷用于发电机、电动机及其他转动电力机械，用以在静止部件与转动部件之间 传输电流。一般而言，为了减小转动部件的磨损，会优先磨损电刷，因此，常用碳、石墨等材 料制成电刷，即碳刷。
[0004]如图1所示，以水轮发电机为例，现有技术条件下，发电机励磁电流是通过在集电 环1和导电环2之间设置导电部件实现传输的。其中，集电环1为转动部件，导电环2为静止部 件。导电部件主要包括带有导电刷辫的电刷4及用于固定电刷4的刷握3,刷握3上一般带有 恒压弹簧。
[0005] 电刷磨损是一个非常复杂的过程，涉及电化学及物理等复杂现象。电刷电流密度 是电刷磨损的影响因素之一。通常根据实践经验，电刷电流密度将被设置为一个优选范围。 但是，在变负荷运行的转动电力设备中，例如水轮发电机、水栗电动机等，通过所有电刷的 总电流随负荷发生变化，电刷电流密度也会发生变化，电刷的磨损过程也不断变化。
[0006] 目前，如中国专利公开号为CN101566673的专利，其涉及电刷监控的专利技术，大 都是对电刷磨损量进行监测，为"被动式"保护装置，防止发生事故，而没有涉及到减小电刷 磨损。
[0007]
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于:提供一种用于优先磨损的电刷的投退控制方法及电刷投退控 制装置，解决现有电刷磨损严重的技术问题，从而能有效的解决上述现有技术中存在的问 题。
[0009] 本发明目的通过下述技术方案来实现:一种电刷投退控制方法，包括电刷、电刷电 流及状态传感器、电刷投退控制系统以及电刷投退执行机构，所述电刷的投退控制方法包 括如下步骤： 第一步，通过电刷电流及状态传感器监测电刷总电流和当前投入电刷的数量； 第二步，通过电刷投退控制系统分析和计算是否需要投入或退出电刷以及投入或退出 电刷的数量； 第三步，通过电刷投退执行机构控制投退电刷动作。
[0010] 作为优选方式之一，在第一步中，监测电刷总电流的方法为:每个电刷上设置电流 传感器，将传感器测得电流累加求和，即为总电流;与此同时，判断电流大于0的电流传感器 的个数，即为当前投入的电刷数量。
[0011] 作为优选方式之二，在第一步中，监测电刷总电流的方法为:从励磁系统中读取励 磁总电流，即为所有电刷的总电流。
[0012] 作为优选方式之一，在第一步中，监测当前投入电刷数量的方法为:读取电刷上压 力传感器的输出，压力传感器输出电刷靠近集电环侧端头所受压力，压力大于整定值，即判 定该电刷为投入状态。其中，整定值是指当电刷与集电环接触时，对应的最小压力值。
[0013] 作为优选方式之二，在第一步中，监测当前投入电刷数量的方法为:读取电刷位置 传感器输出值;设定电刷安装后、电刷与集电环接触时的电刷位置输出为〇,当电刷退出时， 电刷位置输出大于〇;当位置传感器输出值小于等于〇,即判定该电刷为投入状态。
[0014] 作为优选方式之一，第二步中，分析和计算是否需要投入或退出电刷以及投入或 退出电刷的数量的方法为:通过监测流过所有电刷的总电流及当前投入电刷的数量，并计 算当前投入电刷的平均电流密度，与优选的电流密度范围进行比较，并分析和计算是否需 要投入或退出电刷以及投入或退出电刷的数量，并控制执行机构进行投退电刷动作。
[0015] 作为优选方式之二，第二步中，分析和计算是否需要投入或退出电刷以及投入或 退出电刷的数量的方法为:在监控系统中事先输入根据优选电流密度计算得到的电刷总电 流与优选的投入电刷数量的对应关系表格，监测当前所有电刷总电流及当前投入电刷的数 量，并与所述表格中的总电流对比，直接从表格中读取优选的投入电刷数量，与当前投入电 刷的数量比较，分析和计算出是否需要投入或退出电刷以及还需要投入或退出的电刷数 量。
[0016] -种电刷投退控制装置，包括集电环、导电环、刷握和电刷，电刷设于集电环和导 电环之间，还包括电刷电流及状态传感器、电刷投退执行机构和电刷投退控制器;所述电刷 电流及状态传感器设于电刷上，电刷电流及状态传感器的输出端与电刷投退控制器的输入 端相连，电刷投退控制器的输出端与电刷投退执行机构相连，电刷投退执行机构与电刷相 连。
[0017] 作为进一步优选方式，所述电刷投退执行机构为气动机械、液压机械、凸轮传动机 械、丝杆传动机械、齿轮齿条传动机械和带传动机械的任意一种。
[0018] 与现有技术相比，本发明的有益效果:本发明能监测电刷投入状态，包括总电流入 电刷投入数量，分析并控制执行机构进行投退电刷动作，使投入的电刷始终工作在优选电 流密度状态下，对电刷的保护为"主动式"；使得电机更加自动化、智能化。
[0019]
【附图说明】
[0020] 图1是现有水轮发电机中电刷部分的结构示意图。
[0021 ]图2是本发明中结构示意图。
[0022] 图2中：1_集电环，2-导电环，3-刷握，4-电刷，5-电刷投退执行机构。
[0023] 图3是实施例1中采用电流传感器的电刷投退控制流程图。
[0024] 图4是实施例2中采用压力传感器的电刷投退控制流程图。
[0025] 图5是实施例3中采用位置传感器的电刷投退控制流程图。
[0026] 图6是判断是否需要投退电刷及投退电刷数量的分析程序框图之一。
[0027] 图7是判断是否需要投退电刷及投退电刷数量的分析程序框图之二。
[0028] 图8是电刷总电流与优选投入电刷数量的对应关系表格。
[0029] 图9是电刷总电流i与投入电刷的最佳数量η的对应关系表格。
【具体实施方式】
[0030] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明 进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于 限定本发明。
[0031] 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，除了相互排斥 的特质和/或步骤以外，均可以以任何方式组合，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，每个特征之一系列等效或类似特征中的一 个实施例而已。
[0032] 如图2-8所示，本电刷投退控制装置包括集电环1、导电环2、刷握3、电刷4、电刷电 流及状态传感器(图中未示出）、电刷投退执行机构5和电刷投退控制器(图中未示出）。电刷 4设于集电环1和导电环2之间，所述集电环1为转动部件，所述导电环2为静止部件，所述电 刷4和用于固定电刷4的刷握3为导电部件。所述电刷电流及状态传感器设于电刷4上，电刷 电流及状态传感器的输出端与电刷投退控制器的输入端相连，电刷投退控制器的输出端与 电刷投退执行机构5相连，电刷投退执行机构5与电刷4相连。所述电刷投退执行机构5为气 动机械、液压机械、凸轮传动机械、丝杆传动机械、齿轮齿条传动机械和带传动机械的任意 一种。
[0033] 本发明所述电刷投退控制装置，包括电刷、电刷电流及状态传感器、电刷投退控制 系统以及电刷投退执行机构。
[0034] 实施例1:所述电刷的投退控制方法包括如下步骤： 第一步，通过电刷电流及状态传感器监测电刷总电流和当前投入电刷的数量;具体来 说，监测电刷总电流的方法为:每个电刷上设置电流传感器，将传感器测得电流累加求和， 即为总电流;与此同时，判断电流大于〇的电流传感器的个数，即为当前投入的电刷数量。 [0035]图3中，电流传感器1，2，…，η，对应安装在η个电刷上，监测每一个电刷的电流ik(k =1，2，···，η)〇
[0036]
.表示对ii，i2，i3，......，in进行求和运算。
[0037] 以某电机为例，每个导电环上有8个电刷，电刷的电流值分别为180A，175A，184A， 181A，179A，0A，0A，0A 则总电流为 180+175+184+181+179=899A，投入电刷总数为 5。
[0038]监测当前投入电刷数量的方法为:读取电刷上压力传感器的输出，压力传感器输 出电刷靠近集电环侧端头所受压力，压力大于整定值，当电刷与集电环接触时，对应的最小 压力值，即判定该电刷为投入状态。
[0039]第二步，通过电刷投退控制系统分析和计算是否需要投入或退出电刷以及投入或 退出电刷的数量。分析和计算是否需要投入或退出电刷以及投入或退出电刷的数量的方法 为:通过监测流过所有电刷的总电流及当前投入电刷的数量，并计算当前投入电刷的平均 电流密度，与优选的电流密度范围进行比较，并分析和计算是否需要投入或退出电刷以及 投入或退出电刷的数量，并控制执行机构进行投退电刷动作。
[0040]如图6所示，具体方法如下： 单个电刷与集电环接触面积S、单个电刷能承担的最低电流密度jmin和最高电流密度 jmax，在出厂时，预置于控制程序中，当前投入电刷数量k和电刷总电流i通过分析电流传感 器输出得到。电刷电流密度j=i/ks。
[0041 ]判断j彡jmin是否成立，如果成立，再判断j彡jmax是否成立，如果j彡jmax成立，则结 束，不投退电刷。
[0042] 如果j彡jmin成立且j彡jmax不成立，则计算M2=i X ( l/jmaX-l/j)/s，然后判断M2=int (M2)是否成立，如果成立，则投入M2个电刷。如果M2=int(M2)不成立，则投入int(M 2) +1个电 届1J。其中：int (M2)表示对Μι进行取整运算。例如，M2=2.3，则int (M2)=2。
[0043] 如果j彡jmin不成立，则计算Mi=i X (l/jmin-l/j)/s，然后判断Mi=int(Mi)是否成 立，如果成立，则退出Μι个电刷。如果Mi=int(Mi)不成立，则退出int(Mi) +1个电刷。
[0044]以某实际电机为例，每个电刷与集电环接触面积为s=15cm2,单个电刷能承担的最 低电流密度jmin=8A/cm2,最高电流密度分别为和jmax=12 A/cm2,当前电刷总电流为i=1600A， 当前投入电刷数量k=8。电刷电流密度j=i/ks=13.33 A/cm2。j彡jmin成立且j彡jmax不成立，M2 =土><(1/」111￡?-1/」)/8=0.889，因此12=：[111:(12)不成立，所以需要投入：[111:(12)+1=1个电刷。 [0045]由于大型电机电刷数量多，并且其长期运行负荷一般不会低于50%，因此，满足50% 负荷运行所需的电刷始终保持投入状态，所以实际应用中可以只给剩余电刷配置电流传感 器。计算电刷当前投入数量时，只需要将依据电流传感器输出值推算出的电刷数量与始终 保持投入的电刷的数量求和，即得到当前投入的电刷总数。
[0046]图8为电刷总电流与优选的投入电刷数量的对应关系表格。
[0047]第三步，通过电刷投退执行机构控制投退电刷动作。
[0048] 实施例2:所述电刷的投退控制方法包括如下步骤： 第一步，通过电刷电流及状态传感器监测电刷总电流和当前投入电刷的数量;监测电 刷总电流的方法为:从励磁系统中读取励磁总电流，即为所有电刷的总电流。监测当前投入 电刷数量的方法为:读取电刷位置传感器输出值;当位置传感器输出值为整定值时，当电刷 与集电环接触时，位置传感器对应的输出值，即判定该电刷为投入状态。
[0049] 其中，励磁系统:作用是给电机的转子上加一个直流电，使电机中旋转的转子建立 旋转磁场。
[0050] 如图5所示，直接从励磁柜得到励磁电流，即为电刷总电流i。利用压力传感器监测 每一个电刷的压力，当电刷与集电环接触并被弹簧压紧时，电刷上的压力传感器有输出，通 过分析压力传感器输出，计算出当前投入电刷数量η。
[0051] 第二步，通过电刷投退控制系统分析和计算是否需要投入或退出电刷以及投入或 退出电刷的数量;分析和计算是否需要投入或退出电刷以及投入或退出电刷的数量的方法 为:在监控系统中事先输入根据优选电流密度计算得到的电刷总电流与优选的投入电刷数 量的对应关系表格，监测当前所有电刷总电流及当前投入电刷的数量，并与所述表格中电 流对比，直接从表格中读取优选的投入电刷数量，与当前投入电刷的数量比较，分析和计算 出是否需要投入或退出电刷以及还需要投入或退出的电刷数量。
[0052]如图7所示，具体方法如下： 首先，记录从第一步中得到的当前投入电刷数量η，电刷总电流i; 然后查询电刷总电流i与投入电刷的最佳数量η的对应关系表； 从关系表中查找满足ik-iSiSik (1?=1，2，···，η)的Κ值，Κ即为当前电流下，投入电刷的 最佳数量;若n<k则投入k-n个电刷，若n>_j退出n-k个电刷，然后结束。以某电机为例，其 电刷总电流i与投入电刷的最佳数量η的对应关系表如图9所示。当其在某一工况下运行时， 测量得到电刷总电流i为3320Α，当前投入电刷总个数为20个，查表得到，电流满足3310<i <3500,对应的投入电刷最佳数量为19个，则应该退出20-19=1个电刷。
[0053] 第三步，通过电刷投退执行机构控制投退电刷动作。电刷投退执行机构通过其内 部的投退装置将电刷退出。
[0054]实施例3:所述电刷的投退控制方法包括如下步骤： 第一步，通过电刷电流及状态传感器监测电刷总电流和当前投入电刷的数量;监测电 刷总电流的方法为:从励磁系统中读取励磁总电流，即为所有电刷的总电流。监测当前投入 电刷数量的方法为:读取电刷上压力传感器的输出，压力传感器输出电刷靠近集电环侧端 头所受压力，压力大于整定值，即判定该电刷为投入状态。其中，整定值是指当电刷与集电 环接触时，对应的最小压力值。
[0055]第二步，通过电刷投退控制系统分析和计算是否需要投入或退出电刷以及投入或 退出电刷的数量;分析和计算是否需要投入或退出电刷以及投入或退出电刷的数量的方法 为:在监控系统中事先输入根据优选电流密度计算得到的电刷总电流与优选的投入电刷数 量的对应关系表格，监测当前所有电刷总电流及当前投入电刷的数量，并与所述表格中电 流对比，直接从表格中读取优选的投入电刷数量，与当前投入电刷的数量比较，分析和计算 出是否需要投入或退出电刷以及还需要投入或退出的电刷数量。
[0056]第三步，通过电刷投退执行机构控制投退电刷动作。
[0057]实施例4:所述电刷的投退控制方法包括如下步骤： 第一步，通过电刷电流及状态传感器监测电刷总电流和当前投入电刷的数量;监测电 刷总电流的方法为:每个电刷上设置电流传感器，将传感器测得电流累加求和，即为总电 流;与此同时，判断电流大于0的电流传感器的个数，即为当前投入的电刷数量。监测当前投 入电刷数量的方法为:读取电刷上压力传感器的输出，压力传感器输出电刷靠近集电环侧 端头所受压力，压力大于整定值，即判定该电刷为投入状态。其中，整定值是指当电刷与集 电环接触时，对应的最小压力值。
[0058]第二步，通过电刷投退控制系统分析和计算是否需要投入或退出电刷以及投入或 退出电刷的数量;分析和计算是否需要投入或退出电刷以及投入或退出电刷的数量的方法 为:在监控系统中事先输入根据优选电流密度计算得到的电刷总电流与优选的投入电刷数 量的对应关系表格，监测当前所有电刷总电流及当前投入电刷的数量，并与所述表格中电 流对比，直接从表格中读取优选的投入电刷数量，与当前投入电刷的数量比较，分析和计算 出是否需要投入或退出电刷以及还需要投入或退出的电刷数量。
[0059]第三步，通过电刷投退执行机构控制投退电刷动作。
[0060]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种电刷投退控制方法，包括电刷，其特征在于:还包括电刷电流及状态传感器、电 刷投退控制系统以及电刷投退执行机构，所述电刷的投退控制方法包括如下步骤： 第一步，通过电刷电流及状态传感器监测电刷总电流和当前投入电刷的数量； 第二步，通过电刷投退控制系统分析和计算是否需要投入或退出电刷以及投入或退出 电刷的数量； 第三步，通过电刷投退执行机构控制投退电刷动作。2. 如权利要求1所述的电刷投退控制方法，其特征在于:在第一步中，监测电刷总电流 的方法为:每个电刷上设置电流传感器，将传感器测得电流累加求和，即为总电流;与此同 时，判断电流大于〇的电流传感器的个数，即为当前投入的电刷数量。3. 如权利要求1所述的电刷投退控制方法，其特征在于:在第一步中，监测电刷总电流 的方法为:从励磁系统中读取励磁总电流，即为所有电刷的总电流。4. 如权利要求1所述的电刷投退控制方法，其特征在于:在第一步中，监测当前投入电 刷数量的方法为:读取电刷上压力传感器的输出，压力传感器输出电刷靠近集电环侧端头 所受压力，压力大于整定值，即判定该电刷为投入状态。5. 如权利要求1所述的电刷投退控制方法，其特征在于:在第一步中，监测当前投入电 刷数量的方法为:读取电刷位置传感器输出值;设定电刷安装后、电刷与集电环接触时的电 刷位置输出为〇,当电刷退出时，电刷位置输出大于〇;当位置传感器输出值小于等于〇,即判 定该电刷为投入状态。6. 如权利要求1所述的电刷投退控制方法，其特征在于:第二步中，分析和计算是否需 要投入或退出电刷以及投入或退出电刷的数量的方法为:通过监测流过所有电刷的总电流 及当前投入电刷的数量，并计算当前投入电刷的平均电流密度，与优选的电流密度范围进 行比较，并分析和计算是否需要投入或退出电刷以及投入或退出电刷的数量，并控制执行 机构进行投退电刷动作。7. 如权利要求1所述的电刷投退控制方法，其特征在于:第二步中，分析和计算是否需 要投入或退出电刷以及投入或退出电刷的数量的方法为:在监控系统中事先输入根据优选 电流密度计算得到的电刷总电流与优选的投入电刷数量的对应关系表格，监测当前所有电 刷总电流及当前投入电刷的数量，并与所述表格对比，直接从表格中读取优选的投入电刷 数量，与当前投入电刷的数量比较，分析和计算出是否需要投入或退出电刷以及还需要投 入或退出的电刷数量。8. -种电刷投退控制装置，包括集电环、导电环、刷握和电刷，电刷设于集电环和导电 环之间，其特征在于：还包括电刷电流及状态传感器、电刷投退执行机构和电刷投退控制 器;所述电刷电流及状态传感器设于电刷上，电刷电流及状态传感器的输出端与电刷投退 控制器的输入端相连，电刷投退控制器的输出端与电刷投退执行机构相连，电刷投退执行 机构与电刷相连。9. 如权利要求8所述的电刷投退控制装置，其特征在于:所述电刷投退执行机构为气动 机械、液压机械、凸轮传动机械、丝杆传动机械、齿轮齿条传动机械和带传动机械的任意一 种。
【文档编号】H02P25/12GK106026844SQ201610346394
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月24日
【发明人】张天鹏, 邹应冬, 刘云平, 罗永刚
【申请人】东方电气集团东方电机有限公司