DE102005060324B4 - Erfassung des Verschleißes einer Motoransteuerung - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Erfassung des Verschleißes der Kohlebürstenansteuerung eines elektrisch kommutierten Gleichstromotors, wobei die Ansteuerung mehrere Kohlebürsten aufweist, und wobei der Verschleiß wenigstens einer Kohlebürste in Abhängigkeit vom zeitlichen Verhalten der generatorischen Motorspannung (UG) erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erkennung des Verschleißes der Kohlebürsten gezielt eine einzelne Kohlebürste kürzer als wenigstens eine andere Kohlebürste gestaltet wird.

Description

• Stand der Technik
• Die Erfindung geht aus von einem Verfahren bzw. einer Vorrichtung zur Erfassung des Verschleißes der Ansteuerung eines Elektromotors nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
• Bei elektrisch kommutierten Motoren, insbesondere Gleichstrommotoren, kann es aufgrund elektrochemischer, elektrischer und/oder mechanischer Vorgänge zu einem Verschleiß der Kohlebürsten und des Kommutators kommen. Dieser Verschleiß kann im Extremfall zu einem Ausfall des elektrisch-kommutierten Motors führen, da bei einem entsprechenden kritischen Abrieb der Kohlebürsten kein Strom mehr durch die Ankerwicklungen des Elektromotors geführt werden kann.
• Speziell bei der Verwendung eines derartigen elektrisch-kommutierten Gleichstrommotors in einem Bremsensystem, beispielsweise als Pumpenmotor, muss deshalb eine frühzeitige Erkennung eines kritischen Verschleißes bzw. Abriebs der Kohlebürsten erkannt werden. Um einen derartigen Verschleiß beispielsweise in einem elektro-hydraulischen Bremssystem, wie es in der DE 199 23 689 A1 beschrieben ist, rechtzeitig zu erkennen, können verschiedene Verfahren verwendet werden. So ist es beispielsweise möglich, den Verschleiß der Kohlebürste an einem Pumpenmotor des hydraulischen Teils des Bremssystem durch die Anzahl der Bremsungen während des Betriebs des Fahrzeugs abzuschätzen.
• Aus der nicht vorveröffentlichten Schrift DE 10 2004 035 318 A1 ist ein weiteres Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Erfassung des Verschleißes der Ansteuerung eines Elektromotors bekannt.
• Dabei wird als Verschleiß der Abrieb der Kohlebürsten eines Elektromotors durch eine Verschleißgröße erfasst. Diese Verschleißgröße wird in Abhängigkeit einer die Drehzahl des Elektromotors repräsentierenden Drehzahlgröße bestimmt. Mit Hilfe dieser Drehzahlgröße wird ein Maß für die Zahl der Umdrehungen abgeleitet, die der Elektromotor absolviert hat. Unter der Annahme eines entsprechenden Verschleißes kann so der der Abrieb der Kohlebürsten erfasst werden.
• Aus den Offenlegungsschriften US 2005 / 0 122 227 A1 und DE 30 31 915 A1 und EP 1 507 320 A1 sind weitere Verfahren und Vorrichtungen zum Ermitteln des Verschleiß von Kohlenbürsten bereits bekannt.
• Vorteile der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Erfassung des Verschleißes der Kohlebürstenansteuerung eines elektrisch kommutierten Gleichstrommotors, wie er beispielsweise in Form eines Pumpenmotors in einem Kraftfahrzeug verwendet wird. Dabei ist vorgesehen, dass der Gleichstrommotor wenigstens mittels zweier Kohlebürsten angetrieben wird und Mittel zur Erfassung der generatorischen Nachlaufspannung aufweist. Erfindungsgemäß kann aus dem zeitlichen Verhalten der generatorischen Motorspannung der Verschleiß wenigstens einer Kohlebürste abgeleitet und dem Fahrer angezeigt werden.
• Durch den Einsatz einer derartigen Detektierung des Verschleißes bzw. Abriebs einer zum Betrieb des Gleichstrommotors benötigten Kohlebürste kann rechtzeitig ein Ausfall des Motors erkannt werden, insbesondere wenn er als Pumpenmotor in der Bremsanlage eines Fahrzeugs verwendet wird. Somit kann der Fahrer vor einem drohenden Leistungsverlust der Pumpe gewarnt werden, so dass rechtzeitig eine Werkstatt angefahren werden kann, bevor ein Ausfall der Pumpe zu einer Gefährdung führen kann.
• In einer Weiterbildung der Erfindung wird der Verschleiß der Kohlebürsten während des Motoranlaufs erfasst. Dies hat den Vorteil, dass der Abrieb der Kohlebürsten bzw. der Kontakt zwischen Kohlebürsten und Rotor des Motors gerade während der Anlaufphase den grössten Einfluss auf die Motorspannung hat.
• Durch die Ausgestaltung der Erfindung kann gezielt der Verschleiß einer einzelnen Kohlebürste erkannt werden.
• Erfindungsgemäß wird eine der Kohlebürsten, die bei der Ansteuerung des Gleichstrommotors verwendet werden, kürzer als die anderen ausgeführt. Dadurch wird die Gesamtbetriebsdauer des Gleichstrommotors durch die Kürzung zwar eingeschränkt, kann jedoch noch je nach Kürzung der einen Kohlebürste über die 3 noch kommutierenden Bürsten für eine gewisse Zeit (Restbetriebsdauer) weitergeführt werden. Durch eine derartige Kürzung kann gezielt bei einem vorgegebenen Abrieb der Verschleiß durch Verminderung der generatorischen Motorspannung erkannt werden.
• Eine weitere Möglichkeit, gezielt die generatorische Motorspannung beim Erreichen eines vorgegebenen Abriebs zu vermindern und somit einen Verschleiß zu erkennen, besteht in der Hemmung einer Kohlebürste durch einen entsprechenden Anschlag in der Bürstenhalterung. Dabei wird automatisch bei einer vorgegebenen Abnutzung der Kohlebürste der Kontakt zum Kommutator unterbrochen bzw. vermindert und somit die generatorische Motorspannung herabgesetzt. Die Hemmung kann beispielsweise über die Ausgestaltung der Kohlebürste mit einer entsprechenden Kontur erzeugt werden. So ist denkbar, dass in der Kontur eine Ausnehmung (Nase) vorgesehen ist, die jedoch nur stückweise in die Kohlebürste eingebracht ist. Dadurch kann die Kohlebürste nach dem vorgegebenen Abrieb daran gehindert werden, weiter in Richtung des Kommutators gedrückt zu werden.
• In einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, die Erkennung eines Verschleißes bei der Ansteuerung eines Elektromotors an einem Pumpenmotor in einem Antiblockiersystem, einem elektronischen Stabilitätsprogramm oder einem elektrohydraulischen Bremssystem eines Fahrzeugs vorzunehmen.
• Mit der vorliegenden Erfindung kann der tatsächliche Motorbürsten Verschleiß genauer erkannt werden, so dass die Motoren bzw. die Kohlebürsten nicht vor der Zeit getauscht werden müssen. Dies hat erhebliche wirtschaftliche Vorteile.
• Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
• Zeichnungen
• In den 1a und 1b sind zwei typische Spannungsverläufe dargestellt, wie man sie bei der Ansteuerung an einem elektrisch kommutierten Gleichstrommotor erfassen kann. Die 1c zeigt die Reduzierung der Motorspannung des Gleichstrommotors bei deutlich vermindertem Kontakt einer Kohlebürste zum Rotor des Gleichstrommotors. In der 2 wird schematisch anhand eines Blockschaltbildes die Erfassung der generatorischen Motorspannung und die Anzeige eines Verschleißes der Kohlebürsten gezeigt. Das Flussdiagramm in 3 stellt die Erkennung des Verschleißes wenigstens einer Kohlebürste über den Mittelwert der generatorischen Motorspannung dar. In 4 wird der Verschleiß über einen Vergleich der (absoluten) Motorspannung mit einem abgespeicherten Wert erkannt.
• Ausführungsbeispiel
• Im folgenden Ausführungsbeispiel soll die Anwendung der vorliegenden Erfindung anhand eines Pumpenmotors beschrieben werden, wie er beispielsweise in einem elektro-hydraulischen Bremssystem eines Fahrzeugs verwendet wird. Darüber hinaus kann die Erfindung jedoch bei jeder Art von kommutierten (Gleichstrom-)Elektromotoren auch außerhalb des Kraftfahrzeugsbereichs Verwendung finden, dessen Ansteuerung einem Verschleiß durch eine Stromübertragung mittels Kohlebürsten unterliegt.
• Beim Einsatz von Elektromotoren in Bremshydrauliksystemen ist eine erhöhte Sicherheitsanforderung hinsichtlich Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit unverzichtbar. Mit zunehmender Laufzeit bzw. Beanspruchung der Systeme ist jedoch zu berücksichtigen, dass der Motor an seine Lebensdauergrenze stößt. Wird diese Grenze erreicht, kann die Funktion des Motors und somit auch das Bremssystem unvermittelt ausfallen, ohne dass der Fahrer vorgewarnt wurde. Über die im nachfolgenden ausgeführte Erkennung des Verschleißes der zur Ansteuerung eines elektrisch kommutierten Gleichstrommotors verwendeten Kohlebürsten kann der Ausfall des Motors im Fahrzeugbetrieb rechtzeitig erkannt und unnötige Gefahrsituationen im Straßenverkehr verhindert werden.
• Ausgehend von 2 soll schematisch eine Vorrichtung erläutert werden, die den Verschleiß der Kohlebürsten eines Gleichstrommotors erkennt und eine entsprechende Warnung an den Fahrer vornimmt. Dazu ist in einem Steuergerät 200 eine Rechnereinheit 210 vorgesehen, die die generatorische Spannung U_G eines (Pumpen-)Motors 220 erfasst. Diese generatorische Spannung U_G kann in der Rechnereinheit 210 direkt mit einem Spannungswert U_Neu verglichen werden, der bei neuen Kohlebürsten zu erwarten ist. Alternativ kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Mittelwert der generatorischen Spannung U_G gebildet wird, bevor dieser Mittelwert mit einem Schwellenwert SW₁ verglichen wird. Sowohl der Spannungswert U_Neu als auch der Schwellenwert SW₁ können in einem Speicher 230 abgelegt sein, auf dem die Rechnereinheit 210 zugreifen kann. Beide Werte können darüber hinaus auch von extern 240 mittels einer geeigneten Schnittstelle 260 eingespeichert oder ausgelesen werden, beispielsweise im Rahmen des Austausches von Motorkomponenten bei einem Werkstattaufenthalt. Wird ein entsprechender Verschleiß erkannt, kann der Fahrer durch ein akustisches und/oder optisches Signal 250 informiert werden. Darüber hinaus ist auch möglich, den Verschleiß durch eine entsprechende Information im Speicher 230 für einen Servicetechniker bei einem Werkstattaufenthalt bereitzustellen.
• 1a zeigt den typischen zeitlichen Spannungsverlauf am Motor bei der Verwendung von neuen Kohlebürsten. Figur lb zeigt hingegen Spannungseinbrüche an, die durch das Abheben bzw. durch einen ungenügenden Kontakt der Kohlebürsten zum Motor zustande kommen. Ist eine der Kohlebürsten derart abgenutzt, dass gar kein Kontakt mehr zum Motor besteht, so tritt ein Spannungseinbruch von ca. 30 % auf, wie in 1c zu erkennen ist. Während im Bereich 100 alle 4 Kohlebürsten eines Gleichstrommotors in Funktion sind, wird der Motor im Bereich 120 nur noch durch 3 Kohlebürsten betrieben. Dadurch kann der Betrieb des Motors zwar noch aufrecht erhalten werden, jedoch ist die Leistung, die der Motor erzeugen kann eingeschränkt. Ein Austausch der Kohlebürsten ist somit dringend angeraten, um einen Totalausfall zu vermeiden.
• Das Flussdiagramm in 3 zeigt ein erstes Programm, welches in der Rechnereinheit 210 ablaufen kann. Nach dem Start der Programms wird in einem ersten Schritt 300 die generatorische Motorspannung U_G erfasst und aus zeitlich zurück liegenden Werten für U_G ein Mittelwert abgeleitet, beispielsweise durch eine zeitliche Gewichtung. Weiterhin wird aus dem Speicher 230 ein Schwellenwert SW₁ eingelesen, der den Mittelwert der Spannung bei noch voll funktionstüchtigen Kohlebürsten repräsentiert. Überschreitet der Mittelwert den Schwellenwert SW₁, so wird das Programm beendet und im nächsten Taktzyklus, beispielsweise innerhalb des gleichen generatorischen Zyklus' des Motors, erneut gestartet. Unterschreitet der Mittelwert jedoch den Schwellenwert SW₁, so wird auf einen Verschleiß bzw. auf ein Abheben der Kohlebürsten geschlossen. Daraufhin wird im Schritt 340 der Fahrer mittels einer akustischen und/oder optischen Anzeige 250 darüber informiert, dass die Stromversorgung der Pumpe beeinträchtigt ist und ein Serviceaufenthalt geraten wird. Gleichzeitig kann eine entsprechende Information auch im Speicher 230 abgelegt werden, um bei einem Werkstattaufenthalt abgefragt zu werden. Denkbar ist auch, dass die Mittelwerte der generatorischen Motorspannung U_G ebenfalls abgespeichert werden, um bei einem Werkstattaufenthalt kontrolliert zu werden. Wird dabei ein oberhalb des Schwellenwerts SW₁ liegender Mittelwert festgestellt, der sich jedoch deutlich vom maximal möglichen Mittelwert unterscheidet, kann frühzeitig ein Austausch der Kohlebürsten vorgenommen werden.
• Alternativ kann statt dem Mittelwert der generatorischen Motorspannung U_G auch der Absolutwert der Motorspannung zur Erfassung des Verschleißes herangezogen werden. Dabei wird wie im Schritt 400 des Flussdiagramms der 4 dargestellt, ebenfalls zunächst der Momentanwert der generatorischen Motorspannung U_G erfasst. Darüber hinaus wird aus dem Speicher 230 ein Vergleichswert U_Neu eingelesen, der die maximale generatorische Motorspannung bei neu eingebauten und einwandfrei funktionierenden Kohlebürsten repräsentiert. Im nachfolgenden Schritt 420 wird die erfasste generatorische Motorspannung U_G mit dem Wert U_Neu verglichen. Liegt die Differenz gemäß $${\text{U}}_{\text{Neu}}-{\text{U}}_{\text{G}}<{\text{SW}}_2$$

  

  unterhalb eines zweiten vorgegebenen Schwellenwerts SW₂, so wird das Programm beendet und im nächsten Taktzyklus, beispielsweise innerhalb des gleichen generatorischen Zyklus des Motors, erneut gestartet. Überschreitet die Differenz jedoch den Schwellenwert SW₂, so wird auf einen Verschleiß der Kohlebürsten erkannt und entsprechend dem Schritt 340 im Schritt 440 der Fahrer des Fahrzeugs informiert. Auch beim Vergleich des Absolutwerts der generatorischen Motorspannung ist eine Speicherung der aktuell erfassten Werte im Speicher für spätere Servicezwecke möglich.
• Beide dargestellten Programme können zu vorgebbaren Zeiten manuell oder automatisch gestartet werden. Vorteilhafterweise ist jedoch vorgesehen, dass die Programme nach der Erkennung eines generatorischen Betriebs gestartet werden, wobei das Programm insbesondere zur Bildung des Mittelwerts innerhalb eines generatorischen Zykluses mehrmals durchgeführt werden kann.
• Die Schwellenwerte SW₁ und SW₂ können individuell an die Motoreigenschaften bzw. an die ausgetauschten Kohlebürsten angepasst im Speicher 180 abgelegt werden. Dabei ist, wie bereits erwähnt, auch eine nachträgliche Einspeicherung beispielsweise durch einen Servicetechniker im Rahmen eines Austauschs möglich.
• Die Programme nach 3 und 4 können darüber hinaus dazu genutzt werden, gezielt die Abnutzung einer einzelnen Kohlebürste festzustellen. So ist in einem weiteren Ausführungsbeispiel denkbar, bewusst eine der Kohlebürsten kürzer auszugestalten, um bewusst nach einer vorgegebenen Abnutzung einen Spannungseinbruch zu erzeugen. So kann beispielsweise in dem Programm nach 4 der Schwellenwert SW₂ auf einen typischen Wert von ca. 20 bis 30 % des Wertes von U_Neu gesetzt werden, um beim Erreichen der vorgegebenen Abnutzung einen derartigen Spannungseinbruch sicher zu detektieren (siehe u.a. auch 1c).
• Eine weitere Möglichkeit, gezielt einen Spannungseinbruch nach einer vorgegebenen Abnutzung herbeizurufen besteht darin, dass die Halterung der Kohlebürsten für eine einzelne Bürste einen Anschlag aufweist. Dadurch wird ebenfalls der Kontakt zwischen einer Kohlebürste und dem Motor unterbrochen, so dass ein Spannungseinbruch detektiert werden kann. Denkbar ist bei dieser Alternativen beispielsweise, dass die Kohlebürste eine Kontur aufweist, mittels der sich die Bürste nur eine vorgegebene Strecke auf den Motor zu bewegen kann, bevor sie einen Anschlag erreicht. Weiterhin kann auch die Litze, die die elektrische Verbindung mit der Kohlebürste darstellt, derart gestaltet sein, dass sie während die Kohlebürste in der Halterung in Richtung des Motors geschoben wird, nach einem vorgegebenen Verschleiß der Kohlebürste einen Anschlag erreicht und somit die Kohlebürste hemmt.
• Allgemein ist vorgesehen, die generatorische Motorspannung U_G beim Anlauf des Motors, während des pulsweitenmodulierten Betriebs und/oder bei der Abschaltung zu messen. Dabei führt eine Verschlechterung des Kohlenbürstenkontakts durch Abnutzung und Abrieb zu einem nicht konstanten Kommutierungsstrom bzw. zu einem Stromabriss. Die damit verbundenen Spannungseinbrüche deuten auf ein Abheben der Bürsten hin. Ist dagegen ein Kohlenbürstenkontakt gänzlich abgenutzt, so dass diese Kohlenbürste gar keinen bzw. kaum noch Kontakt zum Motor aufweist, ist anhand des damit verbundenen Spannungseinbruchs ebenfalls ein Verschleißzustand zu erkennen.
• Durch die verminderte Kommutierung bei der Abnutzung der Kohlebürsten reduziert sich das Anzugsmoment des Motors, welches in einer reduzierten Anlaufdynamik resultiert. Somit ist der größte Einfluss der Abnutzung der Kohlebürsten bei der Motoranlaufphase zu beobachten, weswegen die vorstehende Erkennung des Verschleißes vorzugsweise dort erfolgt.

Claims (8)

1. Verfahren zur Erfassung des Verschleißes der Kohlebürstenansteuerung eines elektrisch kommutierten Gleichstromotors, wobei die Ansteuerung mehrere Kohlebürsten aufweist, und wobei der Verschleiß wenigstens einer Kohlebürste in Abhängigkeit vom zeitlichen Verhalten der generatorischen Motorspannung (UG) erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erkennung des Verschleißes der Kohlebürsten gezielt eine einzelne Kohlebürste kürzer als wenigstens eine andere Kohlebürste gestaltet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschleiß während des Motoranlaufs erfasst wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der zur Ansteuerung verwendeten Kohlebürsten bei einem vorgegebenen Verschleiß an der Weiterführung gehindert wird.
4. Vorrichtung zur Erfassung des Verschleißes der Ansteuerung eines elektrisch kommutierten Gleichstromotors, wobei der Gleichstrommotor mittels mehrerer Kohlebürsten angetrieben wird und Mittel (200) vorgesehen sind, die die generatorische Motorspannung erfassen, und wobei der Verschleiß wenigstens einer Kohlebürste in Abhängigkeit vom zeitlichen Verhalten der generatorischen Motorspannung (UG) erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erkennung des Verschleißes der Kohlebürsten eine einzelne Kohlebürste kürzer gestaltet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel den Verschleiß während des Motoranlaufs erfassen.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, mit einer Halterung der Kohlebürsten, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung einer einzelnen Kohlebürste derart gestaltet ist, dass bei einer vorgegebenen Abnutzung der Kohlebürste diese Kohlebürste am Ablauf gehindert wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlebürste eine Kontur aufweist, die die Kohlebürste bei der vorgegebenen Abnutzung an einen Anschlag der Halterung drückt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Litze, die den elektrischen Kontakt zur Kohlebürste erzeugt, bei der vorgegebenen Abnutzung an einen Anschlag der Halterung drückt.

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