文曉娟+岳麗敏

摘 要：針對電機(jī)使用時間過長，發(fā)熱情況加劇而引起電機(jī)內(nèi)部線圈外套絕緣層燒毀，從而導(dǎo)致短路、電機(jī)嚴(yán)重?fù)p壞或者報廢等情況的產(chǎn)生，設(shè)計一種新型機(jī)電保護(hù)裝置。利用形狀記憶合金在加熱狀態(tài)下恢復(fù)初始形狀、在常溫下原狀改變的形狀記憶效應(yīng)，通過一系列機(jī)械裝置，觸發(fā)電機(jī)保護(hù)設(shè)備及開關(guān)，及時切斷電機(jī)供電電源，有效解決了電機(jī)運(yùn)行過程中溫度過高帶來損傷的問題。

關(guān)鍵詞：電機(jī)過熱；形狀記憶；合金保護(hù)裝置

引言

電機(jī)作為電氣或機(jī)械系統(tǒng)的動力源廣泛地應(yīng)用在各類系統(tǒng)中，在生產(chǎn)中扮演著重要的角色。電機(jī)在正常運(yùn)行時產(chǎn)生的損耗，以及一些外部因素，如電機(jī)操作環(huán)境溫度與濕度過高，電機(jī)長期過載使用，通電電壓不適當(dāng)，電源線、熱繼電器、通風(fēng)系統(tǒng)等影響電機(jī)散熱的配套部件的損壞，電機(jī)頻繁啟動與換向等，都會引起電機(jī)的發(fā)熱。發(fā)熱引起的高溫將會導(dǎo)致電機(jī)內(nèi)部繞組絕緣材料加速老化，其性能急劇降低，大幅度地縮短了電機(jī)的使用壽命。在一些嚴(yán)重的情況下，如果不及時切斷電源，電機(jī)內(nèi)部某部位將會瞬間被燒斷，甚至導(dǎo)致電機(jī)著火、人員觸電等危險。

通過保持適宜的操作環(huán)境、全面檢測電機(jī)的配套設(shè)備和線路、減少電機(jī)多余載荷、在電機(jī)中裝入熱保護(hù)裝置與過載保護(hù)裝置等措施，均可有效地減少電機(jī)過熱現(xiàn)象引起的損傷。本文將介紹一種基于形狀記憶合金材料設(shè)計的新型電機(jī)熱保護(hù)裝置。

1 形狀記憶合金簡介

形狀記憶合金（Shape Memory Alloys， 簡稱SMA）是一種特殊的新型功能材料，是指具有一定初始形狀的合金在低溫下經(jīng)塑性形變并固定成另一種形狀后，通過加熱到某一臨界溫度以上又可恢復(fù)成初始形狀的一類合金。形狀記憶合金這種特殊功能稱為形狀記憶效應(yīng)（Shape Memory Effect，SME）。普通金屬材料受到外力作用時，會先產(chǎn)生塑性變形，外力撤去后，普通金屬會存在一部分不可恢復(fù)的殘余變形即永久變形。而形狀記憶合金不同，當(dāng)外力加載使得形狀記憶合金產(chǎn)生塑性變形，在外力卸載后，通過加熱的方式可以使材料的塑性變形消失。如圖1所示。

形狀記憶合金的這一特殊特性自20世紀(jì)50年代被發(fā)現(xiàn)以來，因其成本低廉、加工簡便、性能獨(dú)特而備受矚目，在航空航天、醫(yī)療器械、機(jī)械電子、汽車石化、能源開發(fā)等領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。目前市場上使用的形狀記憶合金有鎳-鈦系、銅系、鐵系三大類。

2 方案原理

保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。裝置里上下底板各一個，進(jìn)線螺栓、出線螺栓、形狀記憶合金、導(dǎo)電片、固定螺栓、限位孔、導(dǎo)電塊、墊片各三組，分別針對電機(jī)三相定子繞組設(shè)置。下底板1、進(jìn)線螺栓3、出線螺栓4、導(dǎo)電片6和導(dǎo)電塊9均為銅材料制成，上底板2為絕緣體材料。上下底板兩者對應(yīng)固定開設(shè)有四個螺紋孔11，可將裝置固定在電機(jī)內(nèi)部合適的位置。進(jìn)線螺栓3和固定螺栓7與下底板接觸處均有階梯狀的墊片10進(jìn)行活動連接。形狀記憶合金5與導(dǎo)電片6上下重疊放置，一端通過進(jìn)線螺栓3固定，另一端通過螺栓7固定。導(dǎo)電片6的底面固定連接記憶合金5的上表面，另一端活動連接于限位孔8內(nèi)。出線螺栓4固定連接在上底板2的右側(cè)，其頂端固定連接導(dǎo)電塊9。

保護(hù)裝置適用于帶有短路保護(hù)器的電機(jī)控制線路。裝置里三組進(jìn)線螺栓3分別接電動機(jī)三相定子繞組的進(jìn)線，三組出線螺栓4分別錯相接出線，比如三組進(jìn)線螺栓3分別接L1、L2、L3，三組出線螺栓4可接L2、L3、L1。當(dāng)電機(jī)正常工作時，周圍環(huán)境溫度正常，形狀記憶合金5如圖2所示長度較短，并不彎曲變形，導(dǎo)電片6和導(dǎo)電塊9如圖2所示并不接觸。當(dāng)電機(jī)長時間運(yùn)行或者因過載、通風(fēng)系統(tǒng)異常等現(xiàn)象導(dǎo)致發(fā)熱時，所接觸環(huán)境的高溫使得形狀記憶合金5產(chǎn)生變形，長度變長。由于形狀記憶合金兩端通過螺栓3和螺栓7固定，下方階梯狀的墊片10對其產(chǎn)生向上的支撐力，形狀記憶合金5必定會向上拱起彎曲變形。此時導(dǎo)電片6就會在形狀記憶合金5的推力下和導(dǎo)電塊9相接觸，電路經(jīng)由進(jìn)線螺栓3、導(dǎo)電片6、導(dǎo)電塊9、出線螺栓4導(dǎo)通，此時發(fā)生短路情況，將會觸發(fā)電機(jī)的短路保護(hù)器或空氣開關(guān)工作，及時切斷電機(jī)供電源，從而保護(hù)電機(jī)在發(fā)熱情況下不會發(fā)生部件損壞或燒毀的情況。當(dāng)電機(jī)發(fā)熱故障排除，內(nèi)部溫度恢復(fù)到常溫時，由于形狀記憶合金的形狀記憶效應(yīng)，形狀記憶合金5會恢復(fù)到圖2所示的常態(tài)，為以后的電機(jī)熱保護(hù)做好準(zhǔn)備。

3 結(jié)束語

作為一種新型機(jī)電保護(hù)裝置，利用形狀記憶合金的形狀記憶效應(yīng)，通過進(jìn)線螺栓、出線螺栓、導(dǎo)電片、導(dǎo)電塊等一系列裝置，在電機(jī)過熱時觸發(fā)短路保護(hù)器，及時切斷供電電源，避免了高溫情況下電機(jī)部件損壞或燒毀的情況發(fā)生。此裝置結(jié)構(gòu)簡單，工作性能穩(wěn)定可靠，價格低廉，實(shí)施安裝方便，適用于多種電機(jī)以及其他需要熱保護(hù)的機(jī)電設(shè)備上。

本裝置已獲國家使用新型專利，專利號：ZL 2016 2 0421192.8，具備一定的工業(yè)應(yīng)用與推廣價值。

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作者簡介：文曉娟（1982-），女，河南駐馬店人，碩士，講師，鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系專任教師，研究方向：軌道交通機(jī)電，人才培養(yǎng)模式。

岳麗敏（1980-），女，河南新鄉(xiāng)人，碩士，副教授，鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系專任教師，研究方向：機(jī)電一體化技術(shù)。