矿井主通风机电机碳刷总成改造设计

孟建军

（朔州朔煤王坪煤电有限责任公司，山西 朔州 038300）

王坪煤矿的主通风机所配备的电机型号为同步电动机T1000-10/1180。其滑环装置安装在电机转子轴的尾端，从力学角度分析，滑环是单端支撑的悬臂梁结构。电机在运行过程中，碳刷与滑环之间是摩擦接触，由于离心力和径向不平衡力矩的作用，滑环将不可避免地产生径向抖动，而且滑环的抖动振幅、频率很高，碳刷的压力弹簧根本无法及时响应，于是导致碳刷和滑环接触不良，容易产生火花。由于滑环、碳刷的装配结构在散热方面也存在困难，碳刷温度过高，长期超过90℃，加剧了碳刷磨损，滑环表面也易烧蚀[1-3]，需要维护人员经常性地观察碳刷的磨损程度和剩余长度，维护工作十分繁重。由于是人工工作，通过肉眼判断，所以一般看到碳刷剩余长度到25～30mm 左右就进行更换[4]，火花容易伤害观察人员的眼睛。

本研究针对此问题对电机的主通风机励磁结构进行改进，对碳刷的固定架进行改进设计，加装位移传感器、温度传感器，采用位移传感器检测碳刷的磨损量，用温度传感器检测碳刷和滑环之间的接触温度，实现碳刷磨损量、碳刷-滑环温度在线检测，减轻工作人员的劳动强度。

1 励磁碳刷的固定架总成设计

该同步电动机所配的励磁碳刷共两排，每排有4 个碳刷，分别为4 个正极碳刷和4 个负极碳刷，碳刷的尺寸是25mm×32mm×50mm。原设备上，每个碳刷有一个夹持座，夹持座上有一个钢片簧将碳刷压在滑环上。考虑到主通风机风机、电动机运转的安全性，决定在尽量不拆改原电机励磁架结构的前提下，新设计一套传感器固定架，在原励磁架上打四个孔，用螺栓将传感器固定架固定在原励磁架侧板上。

1.1 励磁碳刷的固定架设计

设计的单排传感器固定架，在一个底板上设置了4 个位移传感器固定座和1 个温度传感器固定座，然后将此结构通过三角形支架安装在同步电动机原来的励磁架侧板上。将原来压碳刷的片簧拆除了，保留原碳刷夹持座，将碳刷弹性夹持住，然后将位移传感器的探头端顶在碳刷上。因为位移传感器结构本身有弹性元件，可以将碳刷弹性压向滑环，代替原来的钢片簧。

1.2 位移传感器选择

根据碳刷的长度以及碳刷固定架的尺寸结构，选择PM11 型量程为0～75mm 的位移传感器。实际采集时，碳刷磨损的上限值和下限值可以进行设置。如果碳刷磨损后剩余量达到或超过下限值，系统采用蜂鸣器进行报警，提醒工作人员及时更换碳刷。

两个风机用的碳刷长度上限都设置为50mm，下限都设置为10mm。与改造前碳刷使用剩余长度相比较，可以充分延长碳刷的使用时间，大大节省了碳刷的使用成本，不用经常地去观察碳刷长度。

1.3 温度传感器选择

碳刷与滑环为摩擦接触，当励磁电流通过滑环磨面时，既存在电气磨损又存在机械磨损。电气磨损是由于在电动机运行过程中，结构系统的振动，导致碳刷与滑环间接触面不断变化，电流密度越大，越易电弧放电，产生火花，滑环温度会更高，导致滑环的中间磨面局部熔化、脱落，形成金属蒸汽，碳刷也受氧化腐蚀而脱落。

机械磨损是由于碳刷与滑环间的摩擦生热，产生的热量不能及时散发。如果温度太高使得碳刷表面材料软化，粘着加剧，造成摩擦表面不平整，摩擦膜的完整性被破坏，影响碳刷的工作性能。故考虑采用一个温度传感器安装在固定架底板前端，型号为SA30A3M，温度采集范围为0 ～300℃。安装时，将测温度的探头尽量对准第一个碳刷和滑环的接触部位，从而达到监测碳刷工作温度的目的。

2 主通风机励磁模块工况检测

传感器固定架安装好后，通讯模块采用S7-3CN907E，设计的每套温度与位移采集设备可以采集8 路位移信号与2 路温度信号。在window 桌面点击“通风机监测系统”，运行系统后，点击登陆，操作按键扩展按钮进入，就可以选择进入一号风机碳刷参数监测或二号风机碳刷参数监测画面。

可以实时查看一号风机用同步电动机的正负极各4 个碳刷传感器的运行数据，该数据直观地显示出实时碳刷剩余长度。其中4 个正极碳刷长度剩余量分别为29.9mm、44.7mm、43.0mm、44.4mm，4个负极碳刷长度剩余量分别为51.5mm、46.0mm、34.7mm、42.1mm。同时，也实时显示出正极碳刷/滑环的温度为20.0℃，负极碳刷/滑环的温度为21.9℃。通风机监测系统二号风机用同步电动机的碳刷监测画面显示，此时一号风机正在运转，二号风机为不工作状态。但是二号风机用同步电动机的碳刷剩余长度也可以看出来，其中4 个正极碳刷长度剩余量分别为35.9mm、36.9mm、38.2mm、36.6mm，4 个负极碳刷长度剩余量分别为41.7mm、43.3mm、35.9mm、36.1mm。同时，也实时显示出正极碳刷/滑环的温度为18.7℃，负极碳刷/滑环的温度为19.1℃。

3 传感器固定架使用注意事项

为了确保矿井通风安全，主通风机风机必须能够随时切换。在每次切换之前，需检查每个螺栓螺母的紧固状况，检查项目如下：

（1）位移传感器夹持座上的每个螺栓螺母的松紧程度；

（2）传感器固定架与三角支架上的螺栓螺母的松紧程度；

（3）位移传感器轴向固定座上的羊角螺钉的松紧程度；

（4）温度传感器夹持座上的螺钉螺母的松紧程度；

（5）检查位移传感器探头端的绝缘套是否有破损情况，以便及时采取措施。

4 技术性能和经济效益

电机励磁碳刷固定架改造后进行现场调试，电动机运行过程中碳刷和滑环接触良好。由于有位移传感器的弹簧压紧碳刷，碳刷和滑环间没有火花，机械性能满足标准要求，碳刷剩余长度显示精准，碳刷及滑环间温度显示准确，可靠性高。

采用本温度与位移采集设备模块后，由于碳刷剩余长度显示直观，从碳刷的使用成本方面考虑，为企业达到节省成本的目的。