CN109891687A - 电机中的电流传输装置的电刷的磨损监测设备 - Google Patents

Abstract

一种电机中的电流传输装置的电刷的磨损监测设备，包括测量元件，该测量元件被布置成距电刷一定距离，并且与电刷一起形成电容器，该电容器的电容取决于电刷与测量元件的相对位置。

Description

电机中的电流传输装置的电刷的磨损监测设备

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的电机中的电流传输装置的电刷的磨损监测设备。

背景技术

电机中的电流传输装置(如换向装置)被用于将电流传输到电机的电枢上，并且包括电刷架中的电刷，该电刷通过绞合线供电。该电刷被电刷弹簧径向地压靠在与电枢集电极一起旋转的侧表面上。由于与集电极壳体表面的摩擦接触，电刷受到磨损，这可以通过磨损监测设备来检测。

从DE 197 55 232 A1中已知一种磨损监测设备，包括在碳刷上的信号发生器，该信号发生器在达到电刷的预定磨损极限时，相对电弯曲接触而移动，该电弯曲接触是信号电路的一部分。然后触发信号，指示已达到磨损极限。

从DE 10 2013 204 426 A1中已知一种磨损监测设备，其中检测与电刷固定连接的导体的当前位置，其中从导体的位置推断电刷的磨损。

发明内容

根据本发明的磨损监测设备用于监测电机中的电流传输装置的电刷的磨损。电刷可滑动地容纳在电刷架中，并且通过弹簧元件的力压在电机的电枢侧的载流部件的侧面上，并通过该部件将电流传输到电枢绕组。电刷的电流供给通过导体实现，该导体连接到电源或电接地。

电流传输装置例如可以是具有电枢侧集电极的换向装置，用于电流传输和转动，电刷紧靠在该装置的圆柱形外表面上，该电刷被弹簧元件径向地压靠在集电极的侧表面上。集电极具有集电极片，它们与电枢绕组电连接。这种换向装置优选用于直流电动机。

根据备选实施例，电流传输装置也可以构造为滑环转子电机中的滑环系统。电流通过电枢侧滑环传输到电枢绕组，电刷靠在该滑环上。滑环转子电机是三相异步电机，例如用作发电机。

由于电刷架中可滑动地容纳的电刷的端面与周向转动的电枢侧部件之间的摩擦接触，电刷会受到永久性磨损。通过根据本发明的磨损监测设备，可以监测电刷的磨损，并且特别地可以检测临界磨损极限。

磨损监测设备包括与电刷对应的导电的测量元件，该测量元件的电压取决于电刷在电刷架中的位置。如果电刷在电刷架中的位置发生变化，则导电的测量元件的电压也会改变，这可以通过磨损监测设备的电测量装置来检测。

电测量元件被布置成距电刷一定距离，并且与电刷一起构成电容器，该电容器的电容取决于电刷与测量元件的相对位置。因此，电刷和测量元件分别形成电容器半部，在电容器半部之间，由于电刷的通电而产生电场，并且因此在测量元件中产生电压，该电压可以借助于测量装置检测。

该实施例的优点是，实现非接触式电容测量，而不需要测量元件和电刷之间的接触。测量元件与电刷相距一定距离，测量元件和电刷之间没有接触。因此，测量元件也不会受到污染或腐蚀，从而可能损害磨损监测设备的功能。

根据优选实施例，测量元件固定到壳体上，并且相对于壳体没有任何相对运动。当磨损时，电刷的长度以及电刷相对于测量元件的相对位置发生改变，这改变了由电刷和测量元件组成的电容器的电容，并且导致测量元件中相应的变化的电压，该电压可以通过测量装置被确定。

测量元件或者布置在电流传输装置的壳体部件上，或者根据优选实施例布置在电刷架中或电刷架上，该电刷在电刷架中被可滑动地引导，并且电刷架还有利地容纳弹簧元件，弹簧元件将电刷压在集电极的侧表面上。例如，测量元件可以集成在电刷架的壁中，该电刷架由非导电材料构成。该实施例具有以下优点：测量元件紧靠电刷，并且因此可以在测量元件和电刷之间形成显著的电场，而没有测量元件和电刷之间立即短路接触的风险。

根据其他有利实施例，处于未磨损状态的电刷是测量元件的面积的至少50％。必要时有利地，基于测量元件和电刷的相对侧和相背侧的面积，未磨损的电刷的面积具有与测量元件相对面的至少90％、例如95％。在未磨损的初始状态下，测量元件和电刷有利地彼此相对，以实现相对高的电容器电容。因此，在电刷的初始状态下，电刷和测量元件具有较高的覆盖度。在电刷的磨损期间，这改变了电刷相对于测量元件的相对位置，由此电刷相对测量元件的面积部分减小，并且改变电容器电容。

根据其他有利的实施例，测量元件部分地或完全地围绕电刷。因此，例如，将测量元件集成到电刷架中可能是有利的，电刷架优选地具有矩形横截面几何形状，用于容纳电刷，测量元件恰好布置在电刷架中或电刷架的一侧、两侧、三侧或四侧。当定位在测量元件的所有四个侧面上时，测量元件完全围绕电刷；而当定位在测量元件的两个或三个侧面上时，则测量元件仅部分地围绕电刷；并且当仅定位在电刷一侧时，测量元件仅与电刷的一侧相对。有利地，测量元件集成在电刷架的壁中，从而防止电刷和测量元件之间的直接接触。

测量元件例如被构造为电流板，该电流板与电刷相对地布置，并且特别地平行于电刷布置。在部分或完全相互包围的情况下，在电刷架的各个壁中相应地集成电流板，它们相互连接并一起形成测量元件。

根据其他有利的实施例，磨损监测设备具有驱动电路，用于在电刷中产生激励电压。通过驱动电路在电刷中产生激励电压信号，其中由于电刷与测量元件的电容耦合，在测量元件中也产生相应的电压曲线，该电压曲线可以通过电测量装置确定，该电测量装置有利地也属于磨损监测设备。作为激励电压信号，例如产生具有矩形电压波形的PWM形式的激励电压(脉冲宽度调制)，该矩形电压波形也在测量元件中设定。

测量元件与构造成评估电子装置的测量装置之间例如通过冲压格栅实现电连接。例如，驱动电路被构造为场调节器，该调节器包括晶体管(例如MOSFET)或H桥，其中通过驱动电路将限定的电压信号施加到电刷上。

测量元件中的测量电压可以相对于工作电压来设定，电刷通过该驱动电压来激励电枢绕组。

根据其他有利的实施例，将工作电压用作激励电压。在测量元件中设定的电压与电刷中的工作电压具有已知的关系，其中当电刷磨损时，由电容变化而引起测量元件中的电压变化。

附图说明

其他优点和有利的实施例可以从其他权利要求、附图说明和附图中获得。其中：

图1示出了电机中的电流传输装置的电刷架中的电刷的示意图，并示出了未磨损的初始状态和磨损状态，相应地具有测量元件；

图2示出了激励电压的曲线和测量元件中电压的曲线(作为激励电压的响应)，并示出初始状态和磨损状态的电刷；

图3示出图1中电刷的初始状态和磨损状态的相应图示，但在刷架上布置有三个测量元件；

图4示出图2中第一测量元件中的激励电压和响应电压的相应图示；

图5至图8示出了具有测量元件的不同实施例的电刷架中的电刷的横截面图；

图9示出了用于产生激励电压的驱动电路。

在图中，相同的部件具有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出了电机中的电流传输装置的电刷架2中的电刷1的两种不同的磨损状态。电枢绕组通过电流传输装置供电。电流传输装置例如是换向装置，其具有与电枢一起转动的集电极3，电刷1靠在集电极3的外表面上。电刷1可滑动地安装在电刷架2中，并且通过弹簧元件4压靠在集电极3的侧表面上，弹簧元件4支撑在电刷架2的底部上。由于电刷1的端面和集电极3的侧表面之间的摩擦接触，电刷易于磨损。在图1中，未磨损的初始状态的电刷显示在上图中，下图显示了磨损状态的电刷，其中电刷长度与未磨损状态相比减小。电刷1通过导体5通电。

为了能够检测当前磨损状态，并且必要时在达到磨损极限时产生警告信号，电流传输装置设置有磨损监测设备，该磨损监测设备包括分配给电刷1的导电测量元件6。测量元件6例如被构造为导体或导电板，并且与电刷1间隔开，但与电刷1平行布置。测量元件6例如位于电刷架2的壁中。在任何情况下，都避免了电刷1和测量元件6之间的直接接触。

电刷1和导电的测量元件6相应地构成电容器半部，并且共同构成电容器，该电容器的电容取决于电刷1和测量元件6之间的相对位置。测量元件6固定到壳体上，特别地与电刷架2固定连接，特别地集成到电刷架2的壁中。随着磨损的增加，电刷1的长度缩短，结果电刷1和测量元件6之间的相对位置也发生变化。由此，出现(具有电刷的电容半部和测量元件6的)电容器的电容变化。

可以通过测量元件6的电势U₁检测具有电刷1和测量元件6的电容器的电容变化。在电刷1和测量元件6之间产生电场E，该电场E在测量元件6中产生电势U₁。电刷6的电压U₁可以通过电测量装置确定。当电压U₁变化时，由于电刷1的磨损有关的缩短和位置变化而触发电容变化，一旦测量元件6的电压U₁达到阈值，则可以产生警告信号。

测量元件6轴向地布置在距电刷架的开口端侧或集电极3一定距离处。在电刷1的未磨损的初始状态下，该电刷具有比测量元件6更长的长度，并且与测量元件6相对地布置，使得电刷1完全在测量元件6的高度上延伸。根据图1下图中所示的使用过的磨损状态，电刷1由于磨损而在集电极3的方向上移动很远，在电刷1和测量元件6之间仅存在部分重叠，由此给出较小的电容量。

在根据图1的实施例中，电测量装置包括恰好一个测量元件6，该测量元件固定到壳体上或布置在电刷架2上。

在图2中，激励电压U_err(上图)和测量元件电压U₁(下图)的电压曲线U是时间相关的。例如，激励电压U_err通过图9所示的驱动电路施加到电刷1上。激励电压U_err被构造为矩形PWM信号(脉冲宽度调制)，其引起上图中所示的激励电流曲线I_err。由于(施加有激励电压U_err的)电刷1与测量元件6之间的电容耦合，根据下图出现测量元件电压U₁。下图示出了电刷1的未磨损的初始状态下的测量元件电压U_1,A，以及电刷(根据图1的下图，通过磨损而减小)的测量元件电压U_1,B。在未磨损的初始状态中，测量元件电压U_1,A高于磨损状态下的测量元件电压U_1,B。通过测量装置能够检测该差异，一旦测量元件电压下降到阈值以下就产生警告信号。

图3示出了具有多个、特别是三个叠置的导电测量元件6的实施例，上述测量元件相应地与电刷1形成电容器。由电刷1和测量元件6组成的每个电容器具有特定的电容量，然而，该电容量取决于电刷1在电刷架2中与每个测量元件6的相对位置。

图4的上图示出了激励器电压U_err和激励器电流I_err，它们与图2的激励器电压和激励器电流相同。激励器电压U_err作为矩形PWM信号存在。

图4的下图示出了第一测量元件的测量元件电压U₁。其他测量元件的电压表示为U₂和U₃。从图中可以看出，测量元件电压U_1,A在未磨损的初始状态下具有高振幅，而在电刷1磨损状态下，其具有缩短的长度，测量元件电压U_1,B下降到零。根据图3的下图，电刷1被缩短到不再与位于上部的测量元件6重叠，因此相应地，电容下降到零，并且测量元件电压U_1,B也为零。对于具有测量元件电压U₂的第二测量元件和具有测量元件电压U₃的第三测量元件，同样也可以确定该电压完全下降到零。例如，一旦测量元件电压U₂或测量元件电压U₃下降到零，就产生警告信号。

图5至图8示出了测量元件6的不同实施例。所有实施例的共同之处在于，测量元件6完全集成在电刷架2的壁中，因此不会与电刷1接触。

根据图5，测量元件6仅以板的形式在电刷架2的一侧上延伸，并且与电刷1相对。在图6中，测量元件6被构造为成角度的，并且与测量元件1的两侧相对。

在图7中，测量元件6是U形的，并且与电刷1的三个侧面相对。在图8中，测量元件6被构造为环绕矩形的，并且完全包围电刷1，使得测量元件6与电刷1的所有侧面相对。

图9示出了用于在电刷中产生激励电压U^err的驱动电路7。驱动电路7包括晶体管8，例如MOSFET，其漏极端子8a与电压源9的电压B+相连接，而晶体管的源极端子8b通过电刷与电枢绕组的正极端子F+相连接。电枢绕组的负端子F-通过另一个电刷连接到地GND。平行于电枢绕组，续流二极管10沿相反方向连接。晶体管通过时钟信号驱动，其中激励电流或激励电压的电平可以通过该信号的占空比来调节。

如果需要，驱动电路7也可以配备H桥，其在激励电路中能够实现其他功能。

Claims (12)

1.一种电机中的电流传输装置的电刷(1)的磨损监测设备，其中，所述电刷(1)的磨损能够根据所述电刷(1)在电刷架(2)中的位置来确定，所述磨损监测设备包括与所述电刷(1)对应的导电的测量元件(6)，所述测量元件的电压取决于所述电刷(1)在所述电刷架(2)中的位置，其特征在于，所述测量元件(6)被布置成距所述电刷(1)一定距离，并且与所述电刷(1)一起形成电容器，所述电容器的电容取决于所述电刷(1)与所述测量元件(6)的相对位置。

2.根据权利要求1所述的磨损监测设备，其特征在于，所述测量元件(6)固定地布置在所述电刷架(2)中或所述电刷架(2)上，所述电刷(1)在所述电刷架中被可滑动地引导。

3.根据权利要求2所述的磨损监测设备，其特征在于，所述测量元件(6)被集成到所述电刷架(2)的壁中。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的磨损监测设备，其特征在于，所述测量元件(6)部分地或完全地围绕所述电刷(1)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的磨损监测设备，其特征在于，所述测量元件(6)被构造为电流板，所述电流板与所述电刷(1)相对地布置，特别地彼此平行地相对布置。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的磨损监测设备，其特征在于，在未磨损状态下，所述电刷(1)占所述测量元件(6)的面积的至少50％，特别地至少90％。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的磨损监测设备，其特征在于，所述电流传输装置被构造为换向装置。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的磨损监测设备，其特征在于，所述电流传输装置被构造为滑环转子电机中的滑环系统。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的磨损监测设备，具有驱动电路(7)以用于在所述电刷(1)中产生激励电压。

10.一种用于操作根据权利要求9所述的磨损监测设备的方法，其中在所述驱动电路(7)中，产生PWM形式的激励电压。

11.一种电流传输装置，具有根据权利要求1至9中任一项所述的磨损监测设备。

12.一种电机，具有根据权利要求11所述的电流传输装置。