CN104426039B - 集电环单元以及用于检测集电环单元的状态的方法 - Google Patents

集电环单元以及用于检测集电环单元的状态的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于传输电流(S)的集电环单元，其中第一构件组和第二构件组(1，2)能相对彼此旋转地布置。集电环单元具有第一滑道和第二滑道(S1，S2)，在不同的旋转位置上电刷(1.1，1.2)与集电环(2.1，2.2；2.1′)沿着滑道(S1，S2)中的一个相接触。第一构件组(1)具有第一接口(10)和用于状态监测的电路(1.6)，而第二构件组(2)具有第二接口(20)。电流(S)能够通过第一滑道(S1)由第一接口(10)传输到第二接口(20)，电压(U)能够通过第二滑道(S2)传输到电路(1.6)。集电环单元设置为使得第一滑道(S1)与第二滑道(S2)电连接。

Description

集电环单元以及用于检测集电环单元的状态的方法
技术领域
本发明涉及一种集电环单元以及一种用于监测集电环单元的状态的方法。
本发明涉及一种用于在两个能相对彼此旋转的构件组之间传输电流的集电环单元以及一种特别是用于风力设备的、用于监测这种集电环单元的状态的方法。
集电环单元通常包括两个构件组、即定子和转子。定子通常包括电刷，相反，转子大多具有一组集电环。在运行中电刷沿着所谓的滑道与旋转的集电环滑动地接触。这种集电环单元使用在多个技术领域，以便将电信号或电功率从位置固定传输到旋转的电子单元上。
例如这种集电环单元构造在风力设备的转子套筒或吊舱中，例如用于为驱动装置传输控制信号和/或电信号，该驱动装置用于调节转子叶片的迎角。
刚好在这种高质量的设备或机器中重要的是，不会由于集电环单元降低了该设备或机器的可用性。
背景技术
在专利文献US 6 034 531中公开了一种用于对直升机的转子叶片加热装置的滑动电触点的进行摩擦监测的装置。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种集电环单元，以简单的和经济的方式监测该集电环单元的状态。
用于传输电流的集电环单元包括第一构件组和第二构件组，其中两个构件组能相对彼此绕着轴线旋转地来布置或支承。此外集电环单元具有至少一个第一和第二滑道。集电环单元设置为使得经过不同的旋转位置时电刷沿着所述滑道中的一个与集电环相接触。第一构件组具有第一电接口和用于状态监测的电路。第二构件组具有第二电接口。在此，电流能够通过第一滑道由第一接口传输到第二接口或者电流流过第一滑道。电压能够通过第二滑道传输到电路。集电环单元设置为使得第一滑道与第二滑道电连接。电路具有用于产生检测电流的电源，其中集电环单元设置为使得检测电流流过第一滑道和第二滑道，其中这个电流回路能够通过开关装置来接通，该开关装置通过计算单元的信号来触发。
也就是说集电环单元设置用于将电流通过第一滑道从第一接口传输到第二接口并且用于将电压通过第二滑道传输到电路。
电流这一概念在下文中理解为电信号(即具有最小电流强度的电流)或者也理解为用于传输电功率的电流。
可拆卸的连接例如插接式连接器或电子耦合器或压合接头可以用作接口，或者然而也根据条件使用可拆卸的或不可拆卸的电连接、例如锡焊或钎焊接头。
在本发明的进一步方案中，该电路可以具有装置、例如开关装置或用于断开和/或接通检测电流的开关、特别是半导体。
第一滑道与第二滑道的电连接可以通过导线来实现或者通过以下方式使得滑道布置在同一个导电的集电环上。第一滑道与第二滑道的电连接有利地具有低电阻，从而第一滑道和第二滑道实际具有相同的电势。
也就是说滑道是一个面，在第一和第二构件组之间的相对旋转中电刷和集电环沿着该面相接触。因此在相对旋转中沿着滑道滑动地连续地建立电接触。这个面或这个滑道尤其可以环绕地布置在集电环的圆柱状的外周面上。可替换地例如在所谓的圆盘集电环中，该滑道可以环绕地在圆柱状的端面上延伸，或者多个滑道可以与轴线同轴地以不同的直径来布置。
第一构件组通常用作定子，而第二构件组作为转子来工作。
集电环单元尤其可以构造为使得第一构件组具有多个电刷和第二构件组具有至少一个由导电材料、特别是金属构成的集电环。在这种情况中，滑道布置在同一个集电环上，该集电环与多个电刷、特别是两个电刷相接触。
可替换地集电环单元可以构造为使得第二构件组具有至少一个由导电材料构成的电刷，并且第一构件组具有多个集电环。在这种情况中，滑道沿着同一个电刷延伸，该电刷与两个或更多的集电环接触。
因此集电环单元可以构造为使得第一构件组具有多个电刷并且第二构件组具有至少一个集电环，或者第二构件组具有至少一个电刷并且第一构件组具有多个集电环。
电刷和集电环有利地由金属、特别是由黄铜、青铜、特种钢或贵金属的合金构成。优选地，电刷和集电环至少在第一滑道的区域中具有银合金。
此外，然而所述滑道也可以布置在不同的集电环上，集电环通过导体电连接。
在本发明的另一个构造方案中，用于状态监测的电路包括用于测量通过第二滑道传输的电压的装置。可替换地或补充地，该电路包括用于测量通过第一滑道传输的电流和/或检测电流的装置。集电环单元特别是可以设置为使得在运行期间传输电流或信号并且同时流过检测电流，从而在连续的运行期间、特别是在预定的检测时间间隔期间实现集电环单元的状态的判断。
在本发明的改进方案中，集电环单元可以具有多个电刷和多个集电环并且因此具有多个滑道，其中可以没有电压通过至少一个滑道传输到电路。虽然集电环单元可以具有多个滑道或集电环以及电刷，从而在接口之间设置多个电流通路，不需要通过状态监测来观测这些所有的电流通路。当相应地检测选择的电流通路或信号通路或者选择的滑道时，通常是足够的。从第一接口传输到第二接口的电流有利地构造为电信号。因此第一滑道配属于一个信号通路。在这种情况中，特别是检测电流大于从第一接口传输到第二接口的电流。
集电环单元有利地设置用于输送旋转传感器的传感器测量信号。旋转传感器特别是可以集成在集电环单元中。旋转传感器理解为用于测量在第一和第二构件组之间的相对旋转位置。旋转传感器也可以构造为使得这个旋转传感器可替换地或补充地相对于当前的旋转位置输出第一和第二构件组之间的转数，该转数在确定的时间间隔内实现。集电环单元可以设置为使得旋转传感器的测量信号能够在监测状态过程中能够输送用于继续评估的电路的旋转传感器的测量信号。
集电环单元特别是可以构造为使得所述集电环在轴线的方向上彼此错开地来布置。
根据另一个方面，本发明涉及一种监测集电环单元的状态的方法。在此集电环单元包括第一和第二构件组，其中这两个构件组能相对彼此绕着轴线旋转地来布置。集电环单元具有第一滑道和第二滑道并且设置为使得经过不同的旋转位置时电刷沿着滑道与集电环相接触，从而将电流通过第一滑道从第一构件组的第一接口传输到第二构件组的第二接口。在此，电压通过第二滑道传输到电路。通过该电路以这种方式进行状态监测使得基于电压测定集电环单元的状态的特征值。在此，该电路具有用于产生检测电流的电源，并且集电环单元设置为使得检测电流流过第一滑道和第二滑道，其中这个电流回路能够通过开关装置来接通，该开关装置通过计算单元的信号来触发。
有利地确定或测量检测电流的数值，该检测电流通过第一滑道来传输或者流过第一滑道，其中输送用于监测状态的电路的这个测量值，从而用于监测状态的电路以这种方式来进行使得基于电压和通过第一滑道传输的检测电流来测定集电环单元的状态的特征值。
在本发明的另一个构造方案中，检测电流可以通过电源来产生，该检测电流特别是仅仅暂时地传导经过第一滑道和第二滑道，而在其他情况下这种检测电流不流通(经过第一滑道和第二滑道)。
当检测电流仅仅暂时地传导经过第一滑道和第二滑道，在这段时间期间、即在检测电流流过第一滑道和第二滑道期间可以确定检测电流的数值。
此外通过这个电路能够以这种方式进行状态监测使得基于通过第二滑道传输到电路的电压以及至少通过第一滑道的电流，测定集电环单元的状态的特征值。接触电阻和/或噪声电平特别是在传输电流中被确定并且用作特征值。这种特征值或参数可以给出关于集电环单元的状态的信息。
此外可以测量第一和第二构件组之间的相对旋转位置或者第一和第二构件组之间的转数。接着由此得出的测量信号可以输送给电路，从而通过该电路以这种方式进行状态监测使得基于电压和测量信号来测定集电环单元的状态的特征值。可以对于确定的时间间隔来测定转数，这个数值可以采用从集电环单元的运行开始直至相应地当前的时间点的总转数的数值。同样在测量期间在形成特征值时或者为了判断集电环单元的状态可以考虑转数或转速。
在本发明的其他的构造方案中，本发明可以例如借助湿度传感器来测量相对湿度。相对湿度的测量值输送给电路。此外在集电环单元中布置温度传感器，从而例如可以进行精确的露点测定(Taupunktermittlung)。特别是为了找到干扰的原因也可以在集电环单元中布置振动传感器，该振动传感器的信号会输送给用于状态监测的电路。
通过这个电路能够执行状态监测使得基于电压和相对湿度和/或温度和/或测定的露点和/或振动信号来测定集电环单元的状态的特征值。
特别是可以在集电环单元中存储极限值，该极限值通过电路与集电环单元的状态的特征值相比较，其中在超过集电环单元的极限值时发出警报。
根据本发明的另一个方面，集电环单元可以使用在风力设备的吊舱中，特别是用于为调节转子叶片的电驱动装置来传输控制信号和/或电流。
附图说明
根据附图由实施例的下述的说明得出根据本发明的集电环单元的其他的细节和优点。
附图示出：
图1是集电环单元的纵剖面图，
图2a是在正常运行期间根据第一实施例的集电环单元的元件的简图，
图2b是在监测运行期间根据第一实施例的集电环单元的元件的简图，
图3是在监测运行期间根据第二实施例的集电环单元的元件的简图。
具体实施方式
根据图1，集电环单元包括能称为定子的第一构件组1和以下能作为转子起作用的第二构件组2。集电环单元用于在第一构件组1的第一电接口10和第二构件组2的第二电接口20之间多通道地传输电流。这两个构件组1，2能相对于彼此绕着轴线A旋转地来布置。
第二构件组2包括以下例如构造为空心轴的轴2.9。首先基本上管状的部件2.10径向地位于轴第二构件组2.9的外部，该部件例如可以由铝来制造。此外托架管2.11接着径向地在外部布置在该部件上，该托架管具有在轴向方向上延伸的间隙2.111。与轴线A同轴的旋转的集电环2.1-2.4固定在电绝缘的托架管2.11上，该托架管优选地可以由塑料或陶瓷来制造。为了简明在图中取消了电线的图示。尽管如此，在实施例中每个以轴向间隔彼此排列的集电环2.1-2.4在该集电环的内侧与电线连接，电线相应地沿着间隙2.111在轴向方向上来布线并且接着穿过凹槽2.12和孔1.13来布线。因此电线与电接口20的导线接通，该导线在此构造为插接连接器并且安置在轴向的端部。
量具2.8在集电环单元2.1-2.4附近抗扭地安装在托架管2.11上，在所述的实施例中，该量具构造为基本管状的。在所示的实施例中，量具2.8在径向地位于该量具外侧的外周面上具有磁性的分度或刻度。这种布置构造为使得量具2.8按照集电环2.1-2.4的顺序排列并且因此与轴线A同轴地以轴向的偏移部相对于集电环2.1-2.4来安装。
第一构件组1包括电接口10，该电接口在此以插销连接器的形式来构造。接口10(插销连接器)具有多个在图中虚线示出的导线插针，该导线插针与电线连接，为了简明，在图1中未示出电线本身。所述电线穿过孔1.11在第一构件组1的内部被导向并且与导线电连接，该导线由绝缘材料固定在保持器1.10上。
电刷1.1-1.4固定在保持器1.10上，电刷配属于第一构件组1并且弹性地与集电环2.1-2.4相接触。电刷1.1-1.4由金属、特别是由银合金来构造。
此外用于状态监测的电路1.6以及扫描头1.8位于保持器1.10上，该探测头适用于例如借助磁阻传感器来探测量具2.8。此外另一个传感器1.7布置在保持器1.10上，该传感器在此构造为湿度传感器。
第一构件组1和第二构件组2能借助滚动轴承3相对彼此旋转地来布置。滚动轴承3包括外环3.1、内环3.2以及滚动体3.3和特别是滑动的密封件3.4。
根据这个实施例，集电环单元可以安装在风力设备的吊舱中并且用于在中心控制单元和转子侧的仪器X、例如变流器之间传输例如在数据总线系统中的信号的意义下的电流S。例如为了驱控用于调节转子叶片的迎角的电驱动装置或电动机需要信号。此外用于供电的电流传输给用于调节转子叶片的迎角的电驱动装置或电动机。这种电驱动装置安装在风力设备的转子套筒中并且因此随着风力设备的转子旋转。也就是说集电环单元的第一部件组合1抗扭转地与转子套筒连接。
因为集电环单元的故障导致整个风力设备的故障，所以重要的是监测集电环单元的状态，从而需要时在按计划的维修间隔期间可以修理或更换这个集电环单元。
在图2a，2b中示例性地示出集电环单元的简化的剖面图，其中另外为了简明取消了绝缘环2.7的视图。集电环单元设置为使得在不同的旋转位置上电刷1.1-1.4中的一个分别沿着所谓的滑道S1，S2，S3，S4与集电环2.1-2.4相接触。也就是说来自集电环2.1-2.4的外周面的剖面图在此可以理解为滑道，在图2中所述滑道轴向地布置在虚线之间。在不同的旋转位置上、例如在旋转期间电刷1.1-1.4中的一个分别沿着这些滑道S1，S2，S3，S4中的一个与对应的集电环2.1-2.4相接触。在所述的实施例中，集电环2.1-2.4在滑道S1，S2，S3，S4的区域内具有银合金。
两个集电环2.1，2.2通过导线2.6电连接，从而这些集电环2.1，2.2具有相等的电势或被短路。
借助电刷1.1和集电环2.1，电流S通过第一滑道1.1从第一接口10传输到第二接口20。此外例如通过另一个电刷1.4并且通过另一个集电环2.4把电流i传输到另一个负载。
在风力设备的运行中，例如由定子侧的控制装置把信号或电流S经过接口10导入集电环单元中并且通过电刷1.1沿着滑道S1滑动地传输到集电环2.1上。电流S经过导线2.6流到相邻的集电环2.2。这个集电环与第二接口20电连接，该第二接口布置在第二构件组2上。此外电子仪器X与这个第二接口20连接。
为了获得关于集电环单元的状态的信息，在预定的时间间隔内(例如每天一次)或者在确定的转数之后，暂时地通过滑道1把检测电流I从电刷1.1传输到集电环2.1(图2b)。因为集电环2.1，2.2通过导线2.6连接，所以检测电流I从集电环2.2流到电刷1.2。出于这个目的设置电源1.63，其中通过开关装置1.65来接通相关的电流回路，该电流回路通过计算单元1.64的信号来触发。因为接触电阻是非常小的，所以电源1.63在相对低的电压下提供直流电流。例如电池(优选地为可充电的电池)可以作为电源1.63与电阻一起用于限制检测电流I。
沿着滑道S2即从集电环2.2经过电刷2.1建立至电路1.6的电连接，从而电压U能够经过第二滑道S2从集电环2.2经过电刷2.1传输到电路1.6。在电刷1.1和1.2之间施加的电压U通过第二测量装置1.61来确定并且传输到计算单元1.64。此外，检测电流I的数值通过第二测量装置1.62来确定，其中这个数值接着输送到计算单元1.64。
此外，把借助探测头1.8获得的、关于实际转数和已经由集电环单元执行的转数的信息传输到计算单元1.64。关于相对湿度的信息同样转送到计算单元1.64上，传感器1.7提供了相对湿度。
在计算单元1.64中，首先基于检测电流I的测量的数值和电压U确定作为的集电环单元的状态的特征值的接触电阻。刚好在集电环单元的第一运行或试运行阶段中，这个基础电阻是相对高的。然而根据经验在集电环单元的继续的运行中，接触电阻降回到标准数值。通过引入已经执行的旋转，可以例如确定使得集电环单元还处于试运行阶段，从而不必发出警报。同样地为了判断接触电阻可以引入在集电环单元中的空气的当前测量的相对湿度，以便确定测量的接触电阻是否应该触发警报。因此也就是说可以通过引入所执行的旋转和/或空气的相对湿度来确定集电环单元的状态的简化的特征值。接着这个特征值存储在存储器1.66中并且随时可以通过随动电子部件的相应的接口来读取。
根据图3的第二实施例，集电环单元包括集电环2.1′，该集电环在轴向方向上构造为比较宽的，从而两个电刷1.1，1.2沿着两个轴向上间隔开的滑道S1和S2与集电环2.1′相接触。也就是说两个滑道S1，S2在集电环2.1′上。集电环2.1′由导电的金属来制造并且沿着滑道S1，S2具有带银成分的涂层。因为集电环2.1′是导电的，所以可以取消用于使第一滑道S1与第二滑道S2电连接的单独的导线。在这种结构中，检测电流I通过电刷1.1滑动地沿着滑道S1传输到集电环2.1′上。集电环2.1′与第二接口20电连接，该第二接口布置在第二构件组2上。电子仪器X又与第二接口20连接。通过在集电环2.1′上的第二滑道S2，电压U能够从集电环2.1经过电刷2.1传输到电路1.6。
此时在电路1.6中可以相应于第一实施例执行状态监测，从而基于电压U测定集电环单元的状态的特征值必要时包括所执行的旋转或在集电环单元中的空气的相对湿度。

Claims (13)

1.一种用于传输电流(S)的集电环单元，包括第一构件组和第二构件组(1，2)，其中两个构件组(1，2)能相对彼此围绕着轴线(A)旋转地布置，并且所述集电环单元具有第一滑道和第二滑道(S1，S2)并且所述集电环单元设置为使得在经过不同的旋转位置时，电刷(1.1，1.2)与集电环(2.1，2.2；2.1′)沿着滑道(S1，S2)中的一个相接触，其中
-所述第一构件组(1)具有第一接口(10)和用于状态监测的电路(1.6)，并且
-所述第二构件组(2)具有第二接口(20)，其中
所述电流(S)能够通过所述第一滑道(S1)由所述第一接口(10)传输到所述第二接口(20)，
电压(U)能够通过所述第二滑道(S2)传输到所述电路(1.6)，并且
所述集电环单元设置为使得所述第一滑道(S1)与所述第二滑道(S2)电连接，其中
所述电路(1.6)具有用于产生检测电流(I)的电源(1.63)并且所述集电环单元设置为使得所述检测电流(I)流过所述第一滑道(S1)和所述第二滑道(S2)，其中这个电流回路能够通过开关装置(1.65)来接通，所述开关装置通过计算单元(1.64)的信号来触发。
2.根据权利要求1所述的集电环单元，其中所述滑道(S1，S2)布置在一个或同一个集电环(2.1′)上。
3.根据权利要求1所述的集电环单元，其中所述滑道(S1，S2)布置在不同的集电环(2.1-2.5)上，所述集电环通过导线(2.6)电连接。
4.根据权利要求1所述的集电环单元，其中所述电路(1.6)包括用于测量所述电压(U)的装置(1.61)。
5.根据权利要求1所述的集电环单元，其中所述电路(1.6)包括用于测量所述检测电流(I)的装置(1.62)。
6.根据权利要求1所述的集电环单元，其中所述集电环单元设置为使得旋转传感器(1.8，2.8)的传感器(1.8)的测量信号能够输送到所述电路(1.6)。
7.根据权利要求1所述的集电环单元，其中为了测量所述第一构件组和所述第二构件组(1，2)之间的相对旋转位置或者所述第一构件组和所述第二构件组(1，2)之间的转数，所述集电环单元具有旋转传感器(1.8，2.8)，其中所述旋转传感器(1.8，2.8)的测量信号能够输送到所述电路(1.6)。
8.一种用于监测集电环单元的状态的方法，其中
-所述集电环单元包括第一构件组和第二构件组(1，2)，并且两个构件组(1，2)能相对彼此围绕轴线(A)旋转地布置，
-所述集电环单元具有第一滑道和第二滑道(S1，S2)并且所述集电环单元设置为使得经过不同的旋转位置时电刷(1.1，1.2)与集电环(2.1，2.2；2.1′)沿着滑道(S1，S2)中的一个相接触，从而电流(S)通过所述第一滑道(S1)由所述第一构件组(1)的第一接口(10)传输到所述第二构件组(2)的第二电流接口(20)，其中
-电压(U)通过所述第二滑道(S2)传输到电路(1.6)，
-通过所述电路(1.6)执行状态监测，使得基于所述电压(U)测定用于所述集电环单元的所述状态的特征值，其中所述电路(1.6)具有用于产生检测电流(I)的电源(1.63)，并且所述集电环单元设置为使得所述检测电流(I)流过所述第一滑道(S1)和所述第二滑道(S2)，其中这个电流回路能够通过开关装置(1.65)来接通，所述开关装置通过计算单元(1.64)的信号来触发。
9.根据权利要求8所述的方法，其中由所述电源(1.63)产生的所述检测电流(I)传导经过所述第一滑道(S1)和所述第二滑道(S2)。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述检测电流(I)仅仅暂时地传导经过所述第一滑道(S1)和所述第二滑道(S2)。
11.根据权利要求8所述的用于监测集电环单元的状态的方法，其中
-测量所述第一构件组和所述第二构件组(1，2)之间的相对旋转位置或者所述第一构件组和所述第二构件组(1，2)之间的转数，并且将由此产生的测量信号输送到所述电路(1.6)，并且
-通过所述电路(1.6)执行状态监测，使得基于所述电压(U)和所述测量信号测定用于所述集电环单元的所述状态的特征值。
12.根据权利要求8所述的用于监测集电环单元的状态的方法，其中
-测量相对湿度并且将所述相对湿度的测量值输送到所述电路(1.6)，并且
-通过所述电路(1.6)执行状态监测，使得基于所述电压(U)和所述相对湿度测定所述集电环单元的所述状态的特征值。
13.根据权利要求8所述的用于监测集电环单元的状态的方法，其中在所述集电环单元中存储极限值，所述极限值通过所述电路(1.6)与用于所述集电环单元的所述状态的特征值相比较，其中在超过所述集电环单元的所述极限值时发出警报。
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