振动电机变转矩启动结构的探究

王立臣,梁金钢,王忠文,段海鹏,梁 浩

（中煤科工集团唐山研究院有限公司，063012）

0 引言

2011 年底国家能源局在其发布的《国家能源科技“十二五”规划（2011-2015）》中提到我国面临资源消耗的瓶颈，能源利用效率低，节能减排压力大。

振动电机是一种通过电机驱动偏心块产生离心力的通用机械，在工程实践中有着广泛的应用。然而在振动电机启动过程中由于偏心块启动静矩很大，导致振动电机在启动过程中需要很大的功率，而振动电机在正常工况下由于惯性力作用，所需求的功率又远小于在启动过程中配用的功率，正常工作时功率一般是配用功率的1/3 ～1/2，振动电机未在额定状态下工作，效率大幅降低，这就造成了能源的浪费。本论文通过对变转矩启动结构的探究，用以提高振动电机工作效率。

1 振动电机启动概述

振动电机的激振力来源于偏心块，偏心块静矩越大，振动电机激振力越大。由于偏心块静矩的存在，其配用的电机功率也越大。振动电机偏心块示意见图1：

激振力的计算公式：

式中：

F-激振力（N）；

m-偏心质量（kg）；

r-偏心距（m）；

ω-角速度（rad/s）.

激振力的计算公式中偏心质量一旦确定不易改变，而偏心距r 和角速度ω 易于改变。变频启动是通过增加变频器来改变角速度ω，实现小转速启动，大转速运行，可以实现低能耗工作。但因其需要配备变频器使制造成本提高很大，另外，低转速启动过程中电机处在堵转状态，电机易于损坏，所以变频启动没有得到广泛的应用。变转矩启动是通过改变偏心距r，实现小转矩启动，大转矩运行，仅通过对偏心块结构的调整来实现节能启动，降低成本，也不存在堵转问题。

2 振动电机变转矩启动机理及优势

图1.振动电机偏心块示意图

实现变转矩启动的关键在于偏心块的结构，通过对偏心块的结构的探究，使得振动电机在启动初期具有较小静矩，所需启动功率较小，当振动电机转速达到一定数值时，偏心块运动到较大转矩位置（较大激振力位置），此时由于振动电机惯性力的存在此时并不需要较大功率。这样一来既可以保证振动电机小转矩、小电流启动，又不会影响振动电机激振力的大小，通过对偏心块运行位置的控制反而可以提高激振力的大小。

3 振动电机变转矩启动结构的模型

通过对偏心块运动机理的分析，对于变转矩启动机构有了初步的设想，其简化模型见图2:

图2.偏心块启动初期位置示意图和三维模型

其中：

1-偏心块上挡板

2-偏心块

3-电机轴套

偏心块启动初期如上图所示，偏心距r 很小，启动静矩较小，此时可以实现小转矩小电流启动。

而当振动电机运行到一定转速后通过机构的控制使偏心块运动到上挡板位置，偏心块稳定运行时其简化模型见图3：

图3.偏心块稳定运行状态位置示意图和三维模型

偏心块稳定运行时，偏心块运动到上挡板位置，偏心距r 此时具有较大值，稳定运行时的激振力也将增大。

4 振动电机变转矩启动结构的试验设计

振动分析的一般步骤包括四步：a）建立数学模型；b）推导控制方程；c）求控制方程的解；d）结果分析。

振动试验系统简见图4：

图中：1-激振器

2-工作机体 3-弹性元件

对应实际振动试验系统，序号1 为振动电机，序号2 为T 型槽振动平台，序号3 为减震弹簧。

通过理论振动分析与实际试验结果的对应来验证振动电机变转矩启动结构的优越性。

具体试验步骤如下：

外购一台振动电机，以钟祥市新宇机电制造有限公司的振动电机为例，其参数见表1：

首先，在把所购振动电机安装到振动平台上，测试其启动电流、输入功率和振幅；

然后，用变转矩启动偏心块替换所购振动电机上的原有偏心块，同样测试其启动电流、输入功率和振幅。

最后，对比分析试验数据，计算振动电机变转矩启动结构节约的具体能耗。

5 结语

目前实验室已初步研制试验成功，实现了通过对振动电机偏心块偏心距r 的控制，来降低振动电机的启动静矩和启动电流，初步解决了目前振动电机低效率问题。通过优化结构，提高稳定性和疲劳寿命，有实现产业化的前景，对振动电机行业将会带来一次变革，同时也为节能减排贡献一份力。

图4.振动试验系统简图

表1.试验所用振动电机参数表

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