CN102783000A - 接地功能受监控的电机和方法 - Google Patents

Abstract

应更好地对电机的接地质量进行监控。因此本发明提出一种电机，该电机具有定子（1）、转子（2）、其上固定有转子（2）的轴（3）以及用于使轴接地的接地装置（5）；另外，该电机还具有用于测量接地装置（5）的接地电流并且用于提供相应的测量值的测量装置（6）。此外，电机还具有监控装置（7），用于根据测量值监控接地装置（5）的接地功能。以此方式能够持续地检验例如接地电刷的关于脏污和磨损的状态。

Description

接地功能受监控的电机和方法

技术领域

本发明涉及一种电机，该电机具有定子、转子、其上固定有转子的轴，以及用于使轴接地的接地装置。此外，本发明还涉及一种用于监控电机的接地功能的方法。

背景技术

电机能够具有接地电刷，以例如维持转子无电势地（例如对于风力发电装置）。此外，电机被用于例如轨道车辆，其中，工作电流通过接地电刷从转子排出。由于功能原因或者说防护原因，始终需要监控接地电刷的接地功能。

目前，只能通过机械系统，监控接地电刷是否低于剩余长度。其中，一旦电刷低于最低长度，就通过微型开关断开接触。目前不可能监控接地电刷的接地能力。

如之前所做的说明，在技术领域中，电刷通常用于将电能传输至整个系统的活动部件。其中，通过滑动接触建立连接，而滑动接触经受磨损。在许多应用（例如轨道驱动装置）中，必须通过轨道闭合通向变电站的电动机回路。因为轨道具有回线的功能，所以必须越过车轮轴承，将整个电动机电流传输至车轮轨道触点。为了避免通过滚动轴承传送电流以及为了避免该部件的快速毁坏，通过电刷滑动接触桥接轴承。在此，对于长使用寿命来讲，重要的是监控电刷火花的接地功能、接地电刷的功能以及接地系统中的非特定的高电流。

目前没有持续监控接地电刷。由于受限的使用寿命以及在特定的使用寿命前失灵，例如在电气过载和机械过载时，部分冗余地设计接地电刷并且定期对其进行检查。其中，例如通过专门的接触电刷从轴中减少供电，而非通过轴的轴承。通常，对于四轴机车，三个轴用于供电，第四个轴用于机车的接地。第四个轴的电刷与机车的壳体连接。三个接地电刷的电流的总量与牵引电流相比。如果牵引电流和三个轴的接地电流之间的差不为零（故障电流），则接地系统中一定有故障。以此方式，实现故障电流保护开关的功能，该故障电流保护开关即在对地短路（接地）的情况下触发机车的主开关。

在电机接地的情况下，如果过晚对损坏的接地电刷进行维修，则可能已经在电动机或者发电机轴上造成了后续损坏。此类例子是滚动轴承中不允许的过高的电流传输（轴承电流）。在此也可以指人身保护以及所连接的机器（例如传动装置或者测量装置）上的滚动轴承的保护。此外，接地系统中不期望的高的电流也会导致问题。该电流能够通过磁感应、电势中的差别或者轨道车辆的轨道中的外部电流引起，并且能够通过电磁效应产生轴承电流或者误操作。

发明内容

本发明的目的在于，更好地监控电机的接地装置的接地功能。

根据本发明，该目的通过一种电机得以实现，该电机具有定子、转子、其上固定有转子的轴，以及用于使轴接地的接地装置，此外还包括用于测量接地装置的接地电流以及用于提供相应的测量值的测量装置和用于根据测量值，监控接地装置的接地功能的监控装置。

此外，根据本发明，还提供一种用于监控电机的接地功能的方法，该电机具有定子、转子、其上固定有转子的轴，以及用于使轴接地的接地装置，该方法还用于测量接地装置的接地电流并且提供相应的测量值，以及用于根据测量值，监控接地装置的接地功能。

在有利的方式下，也检测电机的接地电流，该接地电流的类型和/或大小允许推断接地装置的接地功能。通过持续监控接地电流，能够以此保证持续监控接地功能。

优选地，能够通过测量装置，无接触地测量接地电流。特别地，能够通过测量装置，检测由接地电流引起的磁场或者电场。通过该无接触的测量方法，可以实现无磨损的测量。

替换方式为，测量装置能够具有电流探头。因此，可以实现不依赖于外部电场和磁场的无故障的测量。

对于一种优选的实施方式，通过测量装置，在10kHz至10MHz的频率范围内测量接地电流。在该范围内，大多产生足够高的耦合（Einkopplung），并且传播效应（Ausbreitungseffekte）尚未起到任何重要作用。

另外，接地装置能够具有接地电刷，该接地电刷的接地电流间接通过其上的压降由测量装置确定。以此方式，可以极精确地监控接地电刷的质量。此外，测量装置具有分流电阻，接地电流流过该分流电阻，并且由测量装置进行测量。此类测量电阻能够容易地集成于该系统内，并且同样能够容易地监控通过该测量电阻的压降。

在一个优选的应用中，轨道车辆装备有上述的电机；除此之外，轨道车辆还具有车轮轴承，该车轮轴承由接地装置电桥接(ueberbrueckt)，以便电机的接地电流预期地通过接地装置，而非通过车轮轴承流出。因此，能够有目的地避免轴承电流。

在一个特别的实施方式中，轨道车辆具有防止高电流的保护电阻，其中，接地电流流过保护电阻，并且测量装置测量或者说确定保护电阻中的接地电流。

附图说明

现在，根据附图进一步阐述本发明，在这些附图中示出：

图1具有接地装置和监控装置的电机的简图，以及

图2用于监控电机的接地装置的接地功能的原理图。

具体实施方式

接下来进一步描述的实施例是本发明的优选实施方式。

在图1的实施例中，显示有一种电机（elektrische Maschine），在此为电动机，具有定子1和转子2。转子2安装在轴3上。借助于第二轴承4，轴3被放置在定子1上。

除此之外，在电机中还标记有用于确定轴承电流的等效电路图部件。一方面存在在定子的绕组和壳体之间的电容C_WG。另一方面存在在定子的绕组和转子之间的电容C_WR。此外，在转子和壳体之间产生电容C_RG。除此之外，在轴3和壳体之间，能够测量阻抗Z_w。通过电容性的分压器，变流器运行中常见的定子的绕组上的共模电压被“分配”到轴上（BVR）。结果就是轴承电压。如果轴承上的润滑油膜不能继续保持电压，则产生电弧，而电弧会导致轴承电流。除此之外，从图1中可以看出，电机的壳体已接地。另外，轴3也借助于电刷5接地。电动机自身有可能不具有接地电刷，但是电机整体具有一个需要对其进行监控的接地装置，例如在轮对上。在此，无接触地借助于测量装置6和监控装置7，对电刷5的接地功能进行监控。监控装置7对外发出相应的监控信号S，通过该监控信号S，控制电机或者为操作者传送相应的消息。

尽管早在几十年前就有要充分监控接地功能的问题，然而，迄今为止仍没有真正让人满意的补救措施。发明者已经认识到，现在流行的这样的前提是错误的，即除了在滑动接触（Schleifkontakt）上不会在接地电刷上产生任何压降。因此，现在可以实现持续的对接地功能的监控。

接地电刷或者说接地功能的监控能够通过例如测量系统实现，该测量系统能够无接触地检测交流和直流电压电势。通过利用该传感器，例如将该传感器安装到电机定子的静止的轴瓦或者说轴承瓦套上，能够在轴承电流事件前识别到轴上存在的电势。如果电刷不能继续排导电势，则能够因此监控电刷的功能。

由接地电流产生的电压降能够在例如标准接地电刷5的或者附加的分流电阻的一部分上测得。电压降即能够作为指示电刷是否足够长或者说是否脏污的指示。如下文中进一步的阐述，如果在特定的频率下测量电压降，则可以达到特别好的结果。

监控的另一实现能够在于，通过符合技术条件的接地电阻观察电压降。此类接地电阻是例如保护接地中的保护电阻，例如对于轨道车辆来说，为50mOhm。如果该保护电阻上的电压降到低于特定的阈值，则接地不正确，其中，该阈值必须考虑到运行状态（“干扰发射机是否已接通？”）并且能够考虑到频率范围或者时间过程或者说脉冲形式。

在一种实现形式中，能够为接地电流的测量预设单独的测量电刷。在另一实施方式中，唯一的电刷被用于接地以及测量。在这种情况下，能够预设转换开关，以在一般运行模式和测量模式之间来回切换。对于电机的另一实施方式，存在有多个接地电刷，并且（也）使用其中一个进行测量。与此无关，为了监控接地功能，也能够存在用于监控电刷长度的长度传感器。

对于车轮轴承，接地功能质量的检验能够具有重要意义。特别是对于轨道车辆，车轮轴承的此类监控是有必要的。在此，接地电刷桥接车轮轴承，并且通过车轮轨道触点，用作牵引电流的回线。如果有损坏，则接地接触的电阻上升，并且可能增加通过车轮轴承自身的电流。这会在短时间内毁坏轴承。

电机内可能存在的电流回路也可能导致不期望的效果。因此，要尽量避免电流回路。通过测量接地电流，可能也能够识别到电流回路。在某些应用下，监控接地质量的这一附加功能能够绝对有利。

对于通过接地电刷流出的电流，接地电刷代表阻抗。该阻抗由下列部分形成：材料、滑动接触、存在于电刷材料中冲击接触（Stampfkontakt）中的铜绞线、冲击接触（其可能在运行中由于振动而变差）以及绞合线与电动机壳体的接触。接地功能在持续的运行中可能的恶化与滑动接触条件的恶化一同出现。灰尘、油、腐蚀等可能是改变的原因。接触条件的恶化始终与通过电刷流出的电流的改变相关。如果对该电流进行测量（例如通过分流电阻）并且将其与驱动装置投入运行时的数值（理想接触条件）联系起来，则可以由此得出关于电刷的接地能力的断言。除了单纯的RMS（Route Mean Square（均方根），有效值）形式的测量值和PK值（Peak Wert，峰值），在此还能将在定义的较长的时间间隔内的电流的直方分类关联起来。

在使用测量系统，如用于监控轴承电流的装置，例如被分配用于测量单纯的轴承电压的“轴承电流传感器”的情况下，可以借助于开关，将测量任务和接地任务彼此分开。目前，只能通过借助于电刷进行的电势相关的电压测量，来利用轴承电流传感器。然而，只用于测量目的的电刷会对电机的容积和成本产生不良影响。

现在，根据图2，进一步阐述原则上如何能够实现接地电流的测量。为此，显示了（例如用于保护接地的）导电体8，该导电体8或者说导线双向接地。通过电场9或者说磁场10，能够在导体8中感应出杂散电流I_s。特别是通过寄生电感耦合（即通过例如电动机的磁杂散场10或者针对与保护接地电连接的结构的导线的磁杂散场10）或者寄生电容耦合（即通过例如电动机的定子绕组和电动机壳体之间的或者电动机电缆的导线及其屏蔽之间的电杂散场9），安全引线8始终带有高频电杂散电流I_s，而不会存在绝缘故障。该高频电流导致接地电刷上的电压降，安全引线8内的附加的分流电阻或者保护接地或者说保护电阻。在图2中，通过阻抗Z_b表示接地电刷。接地电刷通常具有复杂的成分，如寄生电感。通过接地电刷，可以测量电压降U_b。

但是，如上所述，也可以借助于在图2中通过阻抗Z_s表示的附加的分流电阻或者保护电阻，确定接地电流。阻抗也具有复杂的成分，如寄生电感。为了确定接地电流，在此也测量电压降U_s。有利地，在10kHz至10MHz的频率范围内测量电压降。对于还更高的频率，耦合（Einkopplung）往往更低（例外情况：例如对于电动机频率来说，高电流的电感耦合）。对于更高的频率，即便接地电刷损坏，电流也能够通过传播效应流入保护电阻（例如：Lambda四分之一波长变换器；特殊情况λ/4：对于30MHz，具有2.5m长的线路的接地电阻“识别出”对地短路，即便接地电刷损坏，并且显示针对地电位（Masse）的空转（Leerlauf））。然而，借助于昂贵的技术/评估，也可以在较高的频率下进行测量。

替换方式为，也能够直接借助于电流传感器，测量安全引线系统内的电流。保护接地上的该杂散电流测量能够通过例如电流探头（Stromzange）进行，然而，该电流探头及其昂贵。在图2中，通过参考标号11标记电流传感器。

此外，也能间接通过接地电流的影响（即电场和磁场）测量接地电流。为此，在图2中显示用于磁场的传感器12以及用于电场的另一传感器13。

同样能够通过电流测量或者通过磁场的间接测量或者分流电阻上的电压降的间接测量进行，测量电流回路中的例如基于电场的不期望或者甚至不允许的高电流。

通过因此可能的持续监控，能够避免电机的损坏和危险状态。另外，能够延长保养间隔。例如对于风力发电装置，需要发电机轴的接地，以免滚动轴承中的高轴承电流。能够如此在因为波纹形成而损坏轴承之前，发现功能故障。这最终如此实现，即通过下游的电子装置或者说逻辑电路，对测得的接地电流进行评估。必要时，可以提供例如关于保养间隔的相应的信息。可选地，测得的电流也能够直接用于控制电机，例如用于强制切断。

参考标号列表

1        定子

2        转子

3        轴

4        轴承

5        电刷

6        测量装置

7        监控装置

8        导体

9        电场

10       磁场

11       电流传感器

12       传感器

13       传感器

C_WG      电容

C_WR      电容

C_RG     电容

S       监控信号

Z_b,Z_w,Z_s阻抗

U_b,U_s   电压降

Claims (10)

1.电机，具有：

-定子（1），

-转子（2），

-轴（3），在所述轴（3）上固定有所述转子（2），以及

-接地装置（5），用于使所述轴（3）接地，

其特征在于

-测量装置（6），用于测量所述接地装置（5）的接地电流，并且用于提供相应的测量值，以及

-监控装置（7），用于根据所述测量值，监控所述接地装置（5）的接地功能。

2.根据权利要求1所述的电机，其中，能够通过所述测量装置（6），无接触地测量所述接地电流。

3.根据权利要求2所述的电机，其中，能够通过所述测量装置（6），测量由所述接地电流引起的磁场或者电场。

4.根据权利要求1所述的电机，其中，所述测量装置（6）具有电流探头（11）。

5.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其中，通过所述测量装置（6）在10kHz至10MHz的频率范围内测量所述接地电流。

6.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其中，所述接地装置（5）具有接地电刷，由所述测量装置（6）测量所述接地电刷的接地电流。

7.根据权利要求1所述的电机，其中，所述测量装置（6）具有分流电阻，所述接地电流流过所述分流电阻并且由所述测量装置（6）进行测量。

8.轨道车辆，具有根据前述权利要求中任一项所述的电机以及车轮轴承（4），所述车轮轴承（4）电桥接所述接地装置（5），以便所述电机的接地电流预期地通过所述接地装置（5）而非通过所述车轮轴承（4）流出。

9.根据权利要求8所述的轨道车辆，具有防止高电流的保护电阻（Zs），其中，所述接地电流流过所述保护电阻，并且所述测量装置（6）测量所述保护电阻中的所述接地电流。

10.用于监控电机的接地功能的方法，所述电机具有定子（1），转子（2），其上固定有所述转子（2）的轴（3），以及用于使所述轴接地的接地装置（5），其特征在于

-测量所述接地装置（5）的接地电流，并且提供相应的测量值，以及

-根据所述测量值，监控所述接地装置（5）的接地功能。

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