一种基于离心开关的异步电机分级过载保护装置及方法与流程

本发明涉及异步电机安全防护，尤其涉及一种基于离心开关的异步电机分级过载保护装置及方法，适用于三相异步工业电机、防爆异步电机、重载输送及搅拌类异步电机的过载和堵转防护。本发明针对异步电机负载升高时转差率增大、转速跌落的固有特性设计纯机械保护结构，可适配粉尘、高温、潮湿等不适宜布置电子控制设备的恶劣工业工况。

背景技术：

1、异步电机在工业驱动领域应用广泛，其过载保护一直是行业关注的重点技术问题。目前，异步电机过载保护主要存在以下几种技术方案及其各自的缺陷：

2、1.电气采样式保护方案；

3、现有技术中，较为常见的过载保护方式包括依靠电流互感器、热继电器、绕组测温元件等电气采样手段间接判定过载。该类方案存在明显短板：电网谐波、电压波动易造成采样信号失真，导致误判或漏判；轻度过载工况下电流变化微弱，保护装置无法有效识别；在高温、强电磁干扰环境下，电子元件易老化漂移，导致保护阈值失准；在防爆应用场景下，电子电路本身存在引燃风险，防护改造成本高昂。

4、2.尾部轴向窜动机械式保护方案；

5、现有技术中还存在一种依靠电机过载时转子轴向窜动位移触发保护的机械式方案。该方案通过在电机尾部设置顶杆，利用过载产生的转子轴向位移推动顶杆触碰单一开关实现断电保护。该方案的核心缺陷如下：

6、（1）检测物理量为转子轴向位移，与异步电机的转速和转差率无直接关联，仅能定性判断是否发生过载，无法区分轻微过载与重度堵转，轻微负载波动即可能导致直接停机，中断生产线连续作业；

7、（2）整套机构集成于电机尾部，依赖转子轴向间隙与轴向推力，对于轴向受力极小的卧式、立式异步电机无法适配；

8、（3）无阈值调节结构，一款机构仅适配固定负载的电机，通用性差；

9、（4）无故障预警功能，仅具备断电这一单一被动防护手段；堵转断电后无防反转机械结构，负载惯性拖拽易造成电机扫膛（即转子与定子发生摩擦碰撞）、传动链条断裂等二次设备损坏；

10、（5）依靠静态顶杆触碰触发，频繁过载工况下顶杆、开关易疲劳损坏，耐久度差。

11、3.外置测速及扭矩传感方案；

12、独立串联式扭矩仪、霍尔测速组件等外置传感方案，占用传动安装空间，小型集成电机无法装配；电子传感件在防爆、防尘场景下的密封成本高，长期重载工况维护频次高。

13、现有技术痛点总结

14、目前行业缺少一种依托异步电机转速跌落固有特性、纯机械无电子元件、前端布置不占用尾部空间、具备分级预警加断电锁止双重功能、且现场可调阈值的一体化过载保护结构。现有尾部轴向窜动保护专利仅解决低成本断电需求，无法适配异步电机转差率负载特性，无分级管控、无防反转冗余防护，通用性不足。

技术实现思路

1、针对现有尾部轴向窜动保护专利检测原理单一、无分级保护、阈值不可调、无防反转结构、适配性差的缺陷，以及电子控制保护易受干扰、防爆改造成本高的问题，本发明提供一种基于离心开关的异步电机分级过载保护装置及方法。

2、本发明依托异步电机过载时转速跌落、离心力同步衰减的物理机理，设计纯机械前端机构，实现轻微过载预警和重度过载断电锁止双级防护，外部刻度可调转速阈值，彻底规避现有专利尾部轴向窜动检测的保护边界，兼顾防爆可靠性、设备连续运行需求与通用适配性。

3、为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于离心开关的异步电机分级过载保护装置，包括：电机本体；离心座，固定装配于电机本体的前端输出主轴上，随转子同步旋转；离心块，多组设置，铰接于离心座并能够在离心力作用下径向运动；复位弹簧，连接于离心块与离心座之间；联动推套，滑动套接于离心座外侧并由离心块顶推而轴向平移；分级触发基座，固定于电机本体的前端端盖，分级触发基座上沿联动推套的轴向平移方向依次设置有一级预警行程开关和二级断电行程开关，联动推套轴向平移时依次触发一级预警行程开关和二级断电行程开关；以及锁止组件，与二级断电行程开关联动，在二级断电行程开关被触发时锁死前端输出主轴；离心随转组件和分级触发基座均布置于电机本体的前端；所述保护装置不依赖转子轴向窜动位移进行过载检测。

4、通过上述技术方案，本发明将整套离心检测机构全部布置于电机前端，不占用尾部空间，不依赖转子轴向窜动位移，检测物理量、安装位置、触发机理与现有尾部轴向窜动保护方案完全差异化。

5、优选地，分级触发基座设有调节螺套，调节螺套螺纹连接于分级触发基座的外周壁，调节螺套的末端抵接复位弹簧的端部，旋转调节螺套时改变复位弹簧的预压缩量，以调整联动推套触发一级预警行程开关和二级断电行程开关所对应的转速阈值。该结构中，通过旋转调节螺套即可线性改变复位弹簧的预压缩量，从而连续调整两级行程开关对应的触发转速阈值，无需拆解电机即可完成现场调校，适配不同极对数、不同额定负载的异步电机。

6、优选地，调节螺套的外壁设有对应异步电机额定转差率的刻度标识。该结构中，操作人员可参照刻度标识快速将触发阈值调整至与当前电机额定转差率相匹配的档位，调校直观、便捷。

7、优选地，离心块沿离心座周向均布，全部离心块同步顶推同一个联动推套。该结构中，多组离心块同步动作，共同驱动同一根联动推套轴向平移，确保触发动作的可靠性和一致性。

8、优选地，锁止组件包括锁止插销和手动复位连杆，锁止插销用于锁止与前端输出主轴同步转动的负载法兰，以锁死前端输出主轴，手动复位连杆用于手动操作以解除锁止插销对负载法兰的锁止。该结构中，堵转紧急停机时锁止插销同步锁死转子轴，彻底解决负载惯性拖拽电机反转导致定子扫膛、传动件断裂的问题；故障排除后通过手动复位连杆即可完成解锁复位。

9、优选地，还包括全包覆式密封防护壳体，密封防护壳体包覆离心随转组件与分级触发基座，密封防护壳体与前端端盖的贴合处设有密封圈。该结构中，全包覆式密封防护壳体将前端离心随转组件与分级触发基座整体包覆，配合密封圈实现防水防尘防爆，可直接应用于矿山、化工、锂电等高危重载驱动场景。

10、优选地，密封防护壳体的侧壁设有操作窗口，操作窗口配备可拆装的防尘密封堵头，操作窗口用于暴露调节螺套以供操作。该结构中，操作人员打开防尘密封堵头后，无需拆解壳体即可通过操作窗口旋转调节螺套完成阈值调校，调校完成后封堵窗口即可恢复密封防护。

11、优选地，一级预警行程开关为无源触点开关，用于向外接报警设备和/或上位控制柜输出预警信号；二级断电行程开关串联接入电机主供电回路，用于在触发时切断电机主供电回路。该结构中，一级预警开关向外输出无源预警信号，电机维持全速运行，运维人员可提前排查负载故障；二级断电开关同步执行断电和锁止两路动作，实现重载故障的紧急安全停机。

12、优选地，联动推套在电机本体处于额定转速工况下由离心块顶推至远离一级预警行程开关及二级断电行程开关的位置；在电机本体过载转速跌落时，离心块内收，联动推套向电机本体方向轴向平移。该结构中，联动推套的位置与转速一一对应，额定转速下处于安全的远端位置，过载转速跌落时随离心力衰减而向电机侧平移，依次触发两级开关。

13、优选地，离心块外侧设有楔形凸台，联动推套内壁设有对应的斜面导槽；离心块径向外张时，楔形凸台沿斜面滑动，将径向力分解为轴向分力，推动联动推套向负载侧平移。

14、优选地，锁止组件包括l形杠杆和锁止插销；二级断电行程开关的拨片通过l形杠杆与锁止插销尾端铰接；二级断电行程开关被触发后，拨片下压l形杠杆的一端，l形杠杆的另一端翘起并拉动锁止插销脱离限位槽，同时复位弹簧驱动锁止插销伸出并锁止负载法兰。

15、本发明还提供了一种基于离心开关的异步电机分级过载保护方法，应用于上述分级过载保护装置，包括以下步骤：

16、s1：电机额定或轻载运行时，离心块在离心力作用下向外张开，顶推联动推套使其保持远离一级预警行程开关及二级断电行程开关的位置，一级预警行程开关和二级断电行程开关均保持断开，电机正常输出动力；

17、s2：电机过载转速跌落时，离心力衰减，复位弹簧拉动离心块内收，联动推套轴向平移并触发一级预警行程开关，向外输出预警信号，电机维持全速运行；

18、s3：电机重度过载或堵转致使转速进一步跌落时，联动推套持续轴向平移并触发二级断电行程开关，二级断电行程开关被触发后，其触点断开以切断电机主供电回路，并同步驱动锁止组件锁死前端输出主轴；

19、s4：根据异步电机极对数与额定负载工况，旋转调节螺套调整复位弹簧的预紧力，以标定一级预警行程开关和二级断电行程开关的触发转速阈值；

20、s5：故障排除后，手动解除锁止组件对前端输出主轴的锁止，并将联动推套复位至远离一级预警行程开关及二级断电行程开关的远端位置，重新启动电机。

21、通过上述步骤，本发明实现了基于转速实时监测的分级过载保护——轻微过载仅预警不停机，保障生产线连续作业；重度过载或堵转时断电停机并锁止防反转，杜绝二次设备损坏。

22、本发明与现有技术相比具有以下明显的优点和有益效果：

23、（1）检测原理与安装位置完全规避现有尾部轴向窜动保护专利：本发明依靠旋转离心力随转速变化的物理特性判定过载，检测物理量为转速而非轴向位移，力学维度无交集；全部机构布置于电机前端，尾部无任何检测、顶杆、开关结构；触发形式为随轴旋转的离心块主动分级位移——离心块随转子同步旋转，其位移量由转速实时决定，无需任何外部触发信号；区别于现有技术中静态顶杆仅在被转子轴向推动时才被动触碰开关的触发方式，两者在触发机理上存在本质差异，无任何重叠技术特征，不存在新颖性冲突。

24、（2）精准适配异步电机独有的转差率负载特性：本发明依托异步电机负载越大、转速越低、转差率越高的固有机理，直接通过转速变化判定过载，相比电流采样保护无谐波、电压波动干扰，可提前预判过载风险，保护响应更前置。

25、（3）纯机械结构，恶劣工况通用性强：本发明无电子芯片、传感器、控制电路，防爆场景无引燃隐患，高温、强粉尘、潮湿环境长期稳定运行，维护简单、物料成本低、抗电磁干扰能力极强。

26、（4）双级分级柔性保护，保障生产线连续作业：区别于传统机械式保护过载即一刀切停机，本发明设置轻微过载预警、重度过载断电两级逻辑，仅严重故障才停机，轻微负载异常仅预警提示，最大程度减少生产线非必要停机损耗。

27、（5）外部可调阈值结构，适配多规格异步电机：前端调节螺套带转速及转差率刻度标识，现场无需拆解电机即可调校触发阈值，可适配2极、4极、6极、8极不同极对数、不同额定负载的异步电机，通用性大幅提升。

28、（6）断电锁止冗余防护，杜绝二次设备损坏：堵转紧急停机时同步锁死转子轴，彻底解决负载惯性拖拽电机反转、定子扫膛、传动件断裂的行业痛点，现有尾部窜动保护专利无任何防反转防护结构。

29、（7）一体化密封防爆设计：整套前端机构全包覆密封壳体，防水防尘防爆，可直接应用于矿山、化工、锂电等高危重载驱动场景。