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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft allgemein einen Durchgangsprüfer und insbesondere einen Durchgangsprüfer mit einer speziell konfigurierten leitfähigen Bürste, die eine besondere Anwendung bei der Isolationsinspektion für Beschädigungen an Statorwicklungen in einer elektrischen Maschine hat.
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2. Diskussion des Standes der Technik
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Es werden verschiedene Arten von elektrischen Maschinen in Fahrzeugen verwendet, um gewisse Fahrzeugbetriebsarten bereitzustellen. Beispielsweise verwenden Elektrofahrzeuge oder Elektrohybridfahrzeuge Traktionsmotoren, die oft als Dreiphasen-Elektromaschinen ausgebildet sind, die einen Stator aufweisen, der eine Reihe von am Umfang angeordneten Schlitzen aufweist, und einen Rotor, der eine Reihe von am Umfang angeordneten Leitern aufweist. Elektrische Wicklungen werden innerhalb der Statorschlitze vorgesehen in einer Konfiguration, um die drei separaten Schaltkreise für die drei Phasen bereitzustellen, wobei die Wicklungen leitfähige Stäbe umfassen können, die sich in den Schlitzen befinden. Die leitfähigen Stäbe umfassen eine äußere Isolationsschicht, die typischerweise durch Abscheiden mehrfacher Beschichtungen von einem nichtleitfähigen Material umfassen.
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Während der Montage der elektrischen Maschinen dieser Art werden Arbeiter den Stator handhaben, um die verschiedenen Maschinenelemente in einem Montageprozess zu konfigurieren und zu verbinden. Während dieser Handhabung kann der Stator unerwarteterweise gegen die Montageausrüstung stoßen oder reiben und andere Dinge können auftreten, wobei Kerben, Schnitte, Abschürfungen und andere Defekte manchmal in der Isolation der Statorwicklungen auftreten, welche auf den leitfähigen Teil der Wicklung wirken. Beispielsweise kann nach der Montage des Stators das Verfahren für das Positionieren des Rotors innerhalb einer zentralen Bohrung des Stators diese Statorwicklungen an verschiedenen Orten beschädigen. Solche Defekte in der Isolation der Statorwicklungen beeinträchtigen oft die Maschinenleistungsfähigkeit und könnten in einer inakzeptabel kürzeren Maschinenlebensdauer resultieren.
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Verschiedene Kontrollmaßnahmen können durchgeführt werden, um die Schäden und Defekte an der Isolation der Statorwicklungen zu identifizieren. Beispielsweise kann eine Sichtprüfung ausgeführt werden, wobei ein Qualitätskontroll-Techniker ein Vergrößerungsglas verwendet, um nach Defekten in der Isolation zu suchen. Eine solche Inspektion ist selbstverständlich arbeitsintensiv und unterliegt den Beschränkungen des Technikers. Darüber hinaus ist im Stand der Technik bekannt, einen Durchgangsprüfer zu verwenden, der einen elektrischen Strom durch die Statorwicklungen liefert, wobei die Schaltung an dem Ort, wo der Effekt in der Isolation auftritt, geschlossen ist. Einige Durchgangsprüfer verwenden signifikant hohe Spannungen, um sicherzustellen, dass kleine Effekte detektiert werden. Bekannte Durchgangsprüfer inklusive derjenigen, die eine leitfähigen Bürste aufweisen, können jedoch dahingehend verbessert werden, um mit Sicherheit kleinere Defekte zu detektieren, ein automatisiertes Prüfen bereitzustellen, schnellere Reaktionszeiten zu gewährleisten etc.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Im Einklang mit den Lehren der vorliegenden Erfindung wird ein Durchgangsprüfer offenbart, der eine besondere Anwendung beim Inspizieren der Isolation auf den Statorwicklungen in einer elektrischen Maschine hat. Der Durchgangsprüfer umfasst eine Stromversorgung, eine Bürste, die leitfähige Borsten aufweist, und einen Analog-zu-Digital (A/D) Wandler. Ein Anschluss der Stromversorgung ist elektrisch mit der Bürste gekoppelt und ein anderer Anschluss der Stromversorgung ist elektrisch mit dem A/D-Wandler und dem zu testenden Stator gekoppelt. Die leitfähige Bürste wird selektiv gegen die freigelegten Wicklungen des Stators positioniert und das Potenzial am Eingang des A/D-Wandlers, fällt ab, wenn sich ein elektrischer Schaltkreis aufgrund eines Verlustes der Isolation ausbildet, welches detektiert werden kann. In einer Ausführungsform ist die leitfähige Bürste eine handbetätigte Bürste, die über die Statorwicklungen bewegt wird, und in alternativen Ausführungen ist die leitfähige Bürste speziell dazu konfiguriert, um gegen die leitfähigen Wicklungen in einem automatisierten Verfahren positioniert zu werden.
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Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen in Verbindung mit den beigefügten Figuren deutlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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1 ist ein schematisches Blockdiagramm für einen Durchgangsprüfer, der elektrisch mit einem Stator einer elektrischen Maschine gekoppelt ist;
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2 ist eine perspektivische Ansicht des Stators der elektrischen Maschine, welche U-förmige Bürsten zeigt, die relativ zu diesem positioniert sind;
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3 ist eine perspektivische Ansicht des Stators der elektrischen Maschine, welche eine leitfähige Bürste zeigt, die innerhalb des Stators positioniert ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf einen Durchgangsprüfer gerichtet ist, ist rein beispielhafter Natur und in keiner Weise dazu gedacht, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen einzuschränken. Beispielsweise, wie hier diskutiert wird, findet der Durchgangsprüfer nach der vorliegenden Erfindung eine besondere Anwendung beim Identifizieren von Defekten in der Isolation von Statorwicklungen einer elektrischen Maschine. Fachleute können jedoch leicht erkennen, dass der Durchgangsprüfer nach der vorliegenden Erfindung auch eine Anwendung beim Prüfen anderer Vorrichtungen haben kann.
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1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Durchgangsprüfers 10 mit einer Stromquelle, beispielsweise einer Batterie 12. Wie unten im Detail diskutiert werden wird, wird der Durchgangsprüfer 10 dazu verwendet, Defekte in der Isolation von Statorwicklungen im Stator einer elektrischen Maschine zu detektieren. Die Batterie 12 kann jeden geeigneten Spannungspegel für eine einzelne Durchgangsprüfung bereitstellen. In einer nichteinschränkenden Ausführungsform stellt die Batterie 12 24 V bereit, was als ein Potenzial angesehen wird, dass unterhalb dessen liegt, was normalerweise als ein unsicheres Potenzial angesehen wird, aber hoch genug ist, um genügend kleine Defekte in den Statorwicklungen zu detektieren. Ein positiver Anschluss 16 der Batterie 12 ist mit einem Anschluss 18 des Stators 14 auf der Leitung 20 elektrisch gekoppelt. Der Anschluss 18 ist einer von drei Anschlüssen des Stators 14, wobei jeder dieser drei für die Dreiphasenschaltungen der Maschine dient. Ein Strombegrenzungswiderstand 22, beispielsweise 24.000 Ohm, wird aus Sicherheitsgründen auf der Leitung 20 bereitgestellt. In einer alternativen Ausführungsform kann eine ausgeklügeltere Stromquelle die Strombegrenzung bereitstellen. Der Durchgangsprüfer 10 umfasst ferner einen A/D-Wandler 24, der einen Eingang aufweist, der elektrisch mit dem positiven Anschluss 16 der Batterie 12 über die Leitung 26 gekoppelt ist. Der Durchgangsprüfer 10 umfasst ferner eine Bürste 30 mit leitfähigen Borsten 32, welche mit einem negativen Anschluss 34 der Batterie 12 über die Leitung 36 gekoppelt ist. Die Borsten 32 können aus jedem geeigneten leitfähigen Material, beispielsweise Carbonfasern, silberbeschichteten Fasern, feinen Metalldrähten etc. ausgebildet sein. Die Größe der Borsten 32 wird nach der allgemeinen Grüße der Defekte, die identifiziert werden sollen, ausgewählt. Die Masseverbindung des A/D-Wandlers 24 ist darüber hinaus mit dem negativen Anschluss 34 der Batterie 12 über die Leitung 38 gekoppelt. Der Durchgangsprüfer 10 umfasst ferner eine Datenverarbeitungsvorrichtung oder einen Controller 40, beispielsweise einen Laptopcomputer, welcher mit dem A/D-Wandler 18 über die Leitung 42 verbunden ist, welcher die Anzeige eines Fehlers liefert, wie unten diskutiert werden wird.
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2 ist eine perspektivische Ansicht des Stators 14 der Maschine, welcher von dem Durchgangsprüfer 10 getrennt ist. Der Stator 14 umfasst einen Statorkern 44, der eine Reihe von gestapelten laminierten Blechen 46 umfasst, die eine innere Bohrung 48 vorgeben, wie es Fachleuten gut bekannt ist. Jedes laminierte Blech 46 umfasst eine Reihe von am Umfang angeordneten Nocken durch eine innere Oberfläche, so dass wenn diese mit den Nocken von allen Blechen 46 kombiniert wird, am Umfang angeordnete Statorschlitze 50 um die innere Bohrung 48 ausbilden. In dieser nichteinschränken Ausführungsform umfasst der Stator 14 eine Anzahl von leitfähigen Statorstäben 52, die sich durch die Schlitze 50 erstrecken und die speziell ausgebildete Enden aufweisen, die es gestatten, dass die Stäbe 52 miteinander elektrisch gekoppelt werden, um die Wicklungen der Dreiphasenschaltungen auszubilden, wobei jeder Anschluss 18 eine elektrische Verbindung zu einer dieser Schaltungen ist. In dieser besonderen Ausführungsform umfasst jede der Schlitze 50 vier der Statorstäbe 52, die sich hindurcherstrecken, wobei zwei der Stäbe 52 durch eine einzelne Länge an Metall hergestellt werden, welche zwei Reihen, welche jeweils zwei der Stäbe 52 aufweisen. Insbesondere besitzt jede Kombination der zwei der Statorstäbe 52, welche eine der Reihen am oberen Ende des Stators 14 ausbilden, eine Haarnadel-Ausgestaltung und die Statorstäbe 52 weisen eine verdrillte elektrische Verbindung am unteren Ende des Stators 14 auf, um die elektrischen Schaltungen auszubilden. In einer nicht beschränkenden Ausführungsform weist jeder Stab 52 eine Dimension im Querschnitt von ungefähr 3,4 mm × 3,6 mm auf.
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Wie oben erwähnt, sind die Statorstäbe 52 leitfähig und mit mehrfachen Beschichtungen bedeckt, die auf ihnen eine Isolation ausbilden. Die Enden der Stäbe 52, die sich aus den Schlitzen 50 heraus erstrecken, können möglicherweise während der Montage der elektrischen Maschine beschädigt werden, wobei die Isolation eingeschnitten werden kann und der leitfähige untere Teil des Stabes freigelegt werden kann. Dies ist an der inneren Oberfläche der inneren Reihe der Statorstäbe 52 oder an der äußeren Oberfläche der äußeren Reihe der Statorstäbe 52 wahrscheinlicher. Demzufolge sind genau diese Bereiche diejenigen, bei denen Inspektionen oft ausgeführt werden, um potentielle Ausfälle zu identifizieren.
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Wie diskutiert wird, schlägt die vorliegende Erfindung zwei allgemeine Arten von Durchgangsprüfer vor, nämlich einen manuellen Durchgangsprüfer und einen automatisierten Durchgangsprüfer. Der Durchgangsprüfer 10 ist ein manueller Prüfer, wobei ein Techniker die Bürste 30 hält und dann die leitfähigen Borsten 32 entlang der freigelegten Oberflächen der Stäbe 52 bewegt. Wenn die Isolation auf den Stäben intakt ist, werden die leitfähigen Borsten 32 keinen Schaltkreis ausbilden, so dass der Widerstand zwischen den Borsten 32 und dem leitfähigen Teil der Stäbe 52 hoch ist, d. h. es wird ein offener Schaltkreis ausgebildet. In dieser Situation wird der Eingang des A/D-Wandlers 24 auf einem hohen Potenzial an dem positiven Anschluss 16 der Batterie 12 gehalten. Wenn eine oder mehrere der Borsten 32 den leitfähigen Bereich des Stabes 52 berühren, aufgrund dessen, das die Isolation beschädigt ist, dann bildet sich ein leitfähiger Pfad zwischen dem positiven Anschluss 16 und dem negativem Anschluss 34 der Batterie 12 aus. Dieser Stromfluss lässt die Spannung am Eingang des A/D-Wandlers 24 nach unten abfallen, was von dem Controller 40 detektiert wird.
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Die Größe der Borsten 32 kann so bereitgestellt werden, um die kleinste angemessene Größe eines Defekts in einem bestimmten Statorstab 52 zu detektieren. Für eine Batteriespannung von 24 V muss die freigelegte offene Fläche des Stabes 52 grösser als der Borstendurchmesser sein, um einen elektrischen Kontakt herzustellen. In einer besonderen Ausführungsform ist die Größe der Bürste 32 so bemessen, dass eine minimal detektierbare Größe eines Defekts in der Isolation ungefähr 0,01 mm × 0,03 mm ist. Darüber hinaus kann der Controller 40 einen Spannungsschwellwert zum Auslösen des Alarms einstellen. Insbesondere kann der Schwellenwert selektiv eingestellt werden, wobei die Eingangsspannung des A/D-Wandlers 24 unter den Schwellenwert fallen muss, bevor der Alarm ausgelöst wird. Darüber hinaus kann der Controller 40 auf verschiedene Reaktionszeiten, beispielsweise 10 ms, eingestellt werden.
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Wie oben erwähnt, liefert der Durchgangsprüfer 10 ein manuelles Inspektionsverfahren, wobei der Techniker die Bürste 30 entlang der Stäbe 52 bewegen muss. In dieser Ausführungsform ist es wünschenswert, eine niedrigere Stromversorgungsspannung zu haben, um die Wahrscheinlichkeit zu reduzieren, dass der Techniker Schaden nimmt. In einer alternativen Ausführungsform kann die Bürste 30 durch andere Arten von Bürsten ersetzt werden, die in einem automatisierten Prüfverfahren verwendet werden können.
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Wiederum bezugnehmend auf die 2 ist dort eine speziell ausgebildete U-förmige Bürstenvorrichtung 60 gezeigt, die eine erste und eine zweite Seite mit elektrisch leitfähigen Bürsten 62 und 64 und an ihrer oberen Spitze eine elektrisch leitfähigen Bürste 66 aufweist, die auf einen U-förmigen Rahmen 68 montiert sind. Die Bürstenvorrichtung 60 ist für eine bestimmte Größe eines Stators geeignet dimensioniert und über den oberen Enden aller Stäbe 52 angeordnet, so dass die erste Seitenbürste 62 die äußere Oberfläche der äußeren Reihe der Stäbe 52 kontaktiert, die zweite Seitenbürste 64 die innere Oberfläche der inneren Reihe 52 kontaktiert und die obere Bürste 66 die obere Oberfläche aller Stäbe 52 kontaktiert. Eine geeignetermaßen automatisierte Vorrichtung, welche allgemein durch den Kasten 70 dargestellt ist, steuert die Position der Bürstenvorrichtung 60 und liefert eine elektrische Verbindung zwischen der Batterie 12 und den Stäben 62–66, wobei die Vorrichtung die Bürstenvorrichtung 60 um die Stäbe 52 in einem automatisierten Prüfverfahren rotiert. Demzufolge wird kein Techniker benötigt, um die Bürstenvorrichtung 60 zu halten oder zu bewegen. Wenn eine der Borsten der Bürsten 62–66 einen Defekt in der Isolation berührt und ein elektrischer Schaltkreis ausgebildet wird, wobei die Eingangsspannung des A/D-Wandlers 24 abfällt, wie oben erwähnt wurde, wird der Controller einen Alarm auslösen, der einen Defekt anzeigt. Der Controller kann die Position der Bürstenvorrichtung 60 darüber hinaus überwachen, so dass der Defekt lokalisiert werden kann. Alternativ dazu kann der Stator 14 anstelle der Bürstenvorrichtung 60 rotiert werden.
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Eine andere Bürstenvorrichtung 74 ist um die unteren Enden der leitfähigen Stäbe 52 in der 2 positioniert gezeigt und kann in der gleichen Weise wie die Bürstenvorrichtung 60 für diesen Bereich der Stäbe 52 betrieben werden. Fachleute erkennen leicht, dass die Bürstenvorrichtungen 60 und 74 miteinander mechanisch gekoppelt werden können, so dass diese um die Statorstäbe 52 gleichzeitig rotieren und gleichzeitig mit der Batterie 12 elektrisch gekoppelt werden können. Alternativ dazu kann eine einzelne Bürstenvorrichtung verwendet werden, wobei diese zuerst die oberen Enden der leitfähigen Stäbe 52 inspizieren kann und danach positioniert werden kann, um die unteren Ende der leitfähigen Stäbe 52 zu inspizieren.
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3 ist eine andere perspektivische Ansicht des Stators 14, der eine stabförmige Bürste 80 zeigt, die in die Bohrung 48 des Statorkerns 44 eingesetzt ist, wobei die Bürste 80 elektrisch leitfähige Borsten 82 aufweist, die sich in alle Richtungen erstrecken. Die Bürste 80 wird von einer Vorrichtung gedreht, die allgemein durch den Kasten 84 dargestellt ist, und die mit der Bürste 80 über eine Welle 86 verbunden, so dass die Borsten 82 gegen die innere Oberfläche der inneren Reihe der Stäbe 52 reiben. Die Vorrichtung 84 liefert darüber hinaus die elektrische Verbindung zwischen den Borsten 82 und der Batterie 12. Wenn die Bürste 80 rotiert wird, werden die Borsten 82 verschiedene Orte an den Stäben 52 kontaktieren, um die hier vorliegenden Defekte zu identifizieren. Die Vorrichtung 84 muss nicht in der Lage sein, den spezifischen Ort des Defekts zu identifizieren. Sie wird aber in der Lage sein, dass ein Defekt existiert.
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Wie von Fachleuten gut verstanden wird, können verschiedene oder einige Schritte und Verfahren, die hier erörtert wurden, um die Erfindung zu beschreiben, von einem Computer, einem Prozessor oder einer anderen elektronischen Recheneinheit ausgeführt werden, die mit Hilfe elektrischer Phänomene Daten manipuliert und/oder transformiert. Diese Computer und elektrischen Geräte können verschiedene flüchtige und/oder nicht flüchtige Speicher inklusive einem festen computerlesbaren Medium mit einem darauf befindlichen ausführbaren Programm beinhalten, das verschiedene Codes oder ausführbare Instruktionen beinhaltet, die von dem Computer oder Prozessor ausgeführt werden, wobei der Speicher und/oder das computerlesbare Medium alle Formen und Arten von einem Speicher und anderen computerlesbaren Medien beinhalten kann.
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Die vorhergehende Diskussion zeigt und beschreibt rein exemplarische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann kann leicht aus der Diskussion an den beigefügten Figuren und Patentansprüchen erkennen, dass zahlreiche Änderungen, Modifikationen und Variationen gemacht werden können, ohne dabei den Geist und den Bereich der Erfindung zu verlassen, wie er mit den folgenden Patentansprüchen definiert ist.
