DE102014226322A1

DE102014226322A1 - Bürstenverschleiß im Gleichstrommotor

Info

Publication number: DE102014226322A1
Application number: DE102014226322.0A
Authority: DE
Inventors: Björn Weigel; Georg Richter; Bahram Basiri; Markus Schlewek; Christof Hadamek
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2014-12-17
Filing date: 2014-12-17
Publication date: 2016-06-23

Abstract

Beschrieben ist ein Verfahren und eine Vorrichtung (100) zum Ermitteln einer Eigenschaft einer Bürste eines Gleichstrommotors mit einer Bürste (101) und mindestens einer weiteren Bürste (103), aufweisend: Kontaktherstellen zwischen der Bürste (101) und mindestens einer Kontaktlamelle (157) eines Kommutators (155), der in Umfangsrichtung mehrere nebeneinander angeordnete Kontaktlamellen (157, 158) aufweist; Kontaktherstellen zwischen der weiteren Bürste (103) und mindestens einer weiteren Kontaktlamelle (158); Messen eines Wertes (w1, w2) eines elektrischen Widerstands zwischen der Bürste und der weiteren Bürste bei verschiedenen Drehpositionen des Kommutators (155); Bestimmen einer ersten Position (P1), bei der der Wert des Widerstands abrupt abfällt; Bestimmen einer zweiten Position (P2), bei der der Wert des Widerstands abrupt ansteigt; und Ermitteln der Bürsteneigenschaft (b, l, Δl) aus der ersten Position (P1) und der zweiten Position (P2).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Eigenschaft einer Bürste eines Gleichstrommotors, eine Bürste für einen Gleichstrommotor und ein System zum Ermitteln einer Eigenschaft einer Bürste eines Gleichstrommotors.
Ein Gleichstrommotor oder Kommutatormotor ist eine rotierende elektrische Maschine, die mit Gleichstrom betrieben wird, um ein Drehmoment zu erzeugen. Der Gleichstrommotor umfasst dabei einen mechanischen Wechselrichter, welcher als Kommutator (Polwender) bezeichnet wird und auf der Achse der rotierenden Maschine angebracht ist. Der Stator des Gleichstrommotors, welcher im Außenbereich angeordnet sein kann, kann eine Erregerwicklung tragen oder kann permanent magneterregt sein, in welchem Fall er Permanentmagnete aufweist. Der Gleichstrommotor kann als Innenausläufer ausgeführt sein, wobei der Rotor der innere Teil ist und der Stator der äußere Teil ist. Der Gleichstrommotor kann jedoch auch als Außenläufer ausgeführt sein, wobei der Rotor der äußere Teil ist und der Stator der innere Teil ist. Wenn der Elektromotor Permanentmagneten im Stator aufweist, wird dieser auch als permanent erregter Gleichstrommotor bezeichnet. Der Rotor umfasst Wicklungen, welche über den Kommutator an die Gleichspannung angeschlossen werden. Die Bürsten (auch Kohlebürsten oder Schleifkontakte genannt) kontaktieren Kontaktlamellen des Kommutators und wechseln während der Drehung die Polung der Ankerwicklung derart, dass immer diejenigen Wicklungen von Strom in entsprechender Richtung durchflossen werden, die sich quer zum Erregerfeld bewegen.
Bei Gleichstrommotoren befindet sich somit im Inneren des Stators ein Rotor, der aus einer Spule(n) mit Eisenkern(en) bestehen kann, welcher drehbar im Magnetfeld zwischen den Polschuhen des Stators gelagert ist. Die Stromzuführung für den Anker (insbesondere für die Wicklungen des Ankers) erfolgt über einen Kommutator und Schleifkontakte (auch Bürsten oder Kohlebürsten genannt). Der Kommutator kann dabei aus Metallsegmenten (auch Kontaktlamellen genannt) bestehen, die durch schmale Streifen nicht leitenden Materials (Kunststoff, Luft) unterbrochen sind. An den Kontaktlamellen bzw. Segmenten des Kommutators sind die Ankerwicklungen angeschlossen. An dem Kommutator, insbesondere an den Kontaktlamellen des Kommutators liegen, durch Federn angedrückt, meist zwei Kohlebürsten an, die den Gleichstrom zuführen. Mit jeder Drehung des Rotors wird die Stromrichtung durch die Ankerwicklungen geändert, sodass diejenigen Leiter in das Magnetfeld des Stators gelangen, deren Stromfluss so gerichtet ist, dass ein Drehmoment erzeugt wird. Die Bürsten weisen hierbei eine Breite (in Umfangsrichtung) auf, die kleiner ist als die Breite einer Kontaktlamelle des Kommutators. Über die Betriebsdauer des Gleichstrommotors unterliegen die Bürsten sowohl einer mechanischen als auch einer elektrischen Abnutzung, wodurch sich die Länge (in Radialrichtung) der Bürsten verändern kann. Diese Abnutzung (insbesondere Verkürzung der Bürste in Radialrichtung, auch Verschleiß genannt) kann hierbei einen Lebensdauer limitierenden Effekt darstellen.
Um das Lebensdauerende der Bürsten anzuzeigen, sind teilweise Verschleißfühler, Alarmkontakte oder Sensoren verbaut. Hierbei kann entweder ein Kontakt geschlossen bzw. geöffnet werden oder die Länge der Bürste kann über einen Sensor vermessen werden. Somit können entsprechende Maßnahmen zur Wartung bzw. zum Austausch des Motors eingeleitet werden. Nachteil dieser Lösung ist die Notwendigkeit, eine entsprechende Hardware in Form von Verkabelung, Sensorik oder Eingängen auf dem Steuergerät vorzusehen. Zudem muss eine entsprechende Anzeige in Form einer Lampe oder Anzeige in der Software vorgesehen werden.
Alternativ wird im Stand der Technik unter gewissen Umständen auf eine solche Lebensdaueranzeigevorrichtung komplett verzichtet. Stattdessen wird in der Entwicklung solch eines Motors eine Lebensdauer bei gegebenem Einsatzbereich bestimmt und nach einer definierten sicheren Betriebszeit der Austausch der Bürsten vorgenommen oder der Motor wird einfach bis zum Versagen betrieben. Nachteil dieser Lösung ist zum einen, dass die Lebensdauer der Motoren eventuell nicht ausgereizt wird und zum anderen, dass es bei leichten Änderungen im Lastprofil zu einem nominell verfrühten Ausfall des Motors kommen kann.
Die Druckschrift DE 10 2005 060 324 A1 offenbart die Erfassung des Verschleißes einer Kohlenbürstenansteuerung eines elektrisch kommunizierten Gleichstrommotors, welcher mittels zweier Kohlebürsten angetrieben wird. Die Vorrichtung weist ferner Mittel zur Erfassung der generatorischen Nachlaufspannung auf, aus deren zeitlichem Verhalten der Verschleiß einer Kohlebürste abgeleitet wird. Dabei erfolgt eine Reduzierung der Motorspannung bei vermindertem Kontakt der Bürste und der Verschleiß der Bürste kann über einen Mittelwert der generatorischen Motorspannung bestimmt werden.
Die Druckschrift DE 10 2008 054 730 A1 offenbar einen Elektromotor mit Bürstenverschleißfassung, wobei die Bürste einen sich verjüngenden Längsquerschnitt aufweist, wobei die Bürste, insbesondere trapezförmig oder keilförmig bzw. mit einer Einschnürung ausgebildet sein kann. Eine elektrische Impedanz wird in Abhängigkeit von einer Frequenz zwischen zwei Bürsten erfasst. Dabei wird eine über zwei Bürsten abfallende Spannung erfasst, die Impedanz ermittelt und daraus der Verschleiß ermittelt.
Die Druckschrift DE 10 2010 040 525 A1 offenbart ein Verfahren zur Verschleißüberwachung einer Bürste eines Kommutatorsystems, wobei sich eine Kontaktfläche zwischen Kommutator und Bürste in Abhängigkeit des Verschleißes ändert, was über eine Messgröße erfassbar ist. Wenn sich eine Kontaktfläche bei Erreichen eines bestimmten Verschleißes reduziert, erfolgt eine Änderung eines elektrischen Kennwertes. Insbesondere führt der verminderte Querschnitt zum erhöhten Widerstand und bewirkt einen Spannungseinbruch, der gemessen werden kann.
Die Druckschrift EP 1 801 938 A2 offenbart eine Vorrichtung zur Überwachung der Abnutzung einer Bürste, wobei ein Impedanzsensor einen bestimmten Abschnitt der Bürste detektiert, welcher eine elektrische Leitfähigkeit aufweist, die sich von der elektrischen Leitfähigkeit der Grundsubstanz der Bürste deutlich unterscheidet.
Es ist beobachtet worden, dass die herkömmlichen Verfahren und Vorrichtungen zum Bestimmen eines Verschleißes einer Bürste eines Gleichstrommotors relativ kompliziert sind und aufwendige Hardware, insbesondere Mess-Sensorik, erfordern.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Eigenschaft einer Bürste, insbesondere Bürstenverschleiß, zu bestimmen, welche auf einfache Weise durchgeführt werden kann und keine besondere Ausstattung oder komplexe Hardware erfordert.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Besondere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen spezifiziert.
Die Erfindung kann auf verschiedene Elektromotoren, insbesondere Gleichstrommotoren oder auch Gleichstromgeneratoren angewendet werden. Insbesondere kann der Elektromotor in einer Hinterachs-Quersperre eines Automobils zum Einsatz kommen. Andere Anwendungsmöglichkeiten sind möglich.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren (was insbesondere in Software und/oder Hardware implementierbar) ist, zum Ermitteln einer (insbesondere physikalischen) Eigenschaft (insbesondere verbleibende Betriebslänge, Abrieblänge bzw. aktuelle Breite einer Kontaktfläche zu einer Kontaktlamelle eines Kommutators) einer Bürste (bzw. Schleifkontakt, insbesondere Kohlebürste) eines Gleichstrommotors mit einer Bürste und mindestens einer weiteren Bürste (insbesondere insgesamt genau zwei Bürsten oder insgesamt genau vier Bürsten) bereitgestellt. In dem Verfahren wird ein Kontakt zwischen der Bürste und mindestens einer Kontaktlamelle (auch als Segment des Kommutators bezeichnet), eines Kommutators hergestellt, der in Umfangsrichtung (entlang derer sich der Kommutator innerhalb des Gleichstrommotors drehen kann), mehrere nebeneinander angeordnete Kontaktlamellen (bzw. Segmente) aufweist. Ferner wird ein Kontakt zwischen der weiteren Bürste und mindestens einer weiteren Kontaktlamelle der Kontaktlamellen des Kommutators hergestellt. Hierbei kann zum Beispiel eine Feder die jeweilige Bürste gegen die jeweilige Kontaktlamelle bzw. die mehreren Kontaktlamellen drücken. Die Bürste kann dabei zum Beispiel einen Kontakt zu genau einer Kontaktlamelle oder zu genau zwei Kontaktlamellen haben. Die weitere Bürste kann dabei Kontakt zu genau einer Kontaktlamelle oder Kontakt zu genau zwei Kontaktlamellen haben. Wenn die Bürste einen Kontakt zu genau einer Kontaktlamelle hat, sollte auch die weitere Bürste nur Kontakt zu genau einer weiteren Kontaktlamelle haben. Wenn die Bürste Kontakt zu genau zwei Kontaktlamellen hat, sollte auch die weitere Bürste Kontakt zu genau zwei weiteren Kontaktlamellen haben. In dem Verfahren wird ferner ein Wert eines elektrischen Widerstands gemessen, welcher zwischen der Bürste und der weiteren Bürste bei verschiedenen Drehpositionen des Kommutators vorherrscht. Die von der Bürste kontaktierte Kontaktlamelle (oder zwei Kontaktlamellen) sind dabei über Wicklungen mit der weiteren Kontaktlamelle (bzw. den zwei weiteren Kontaktlamellen) verbunden, mit welchen die weitere Bürste in Kontakt steht. Ferner wird in dem Verfahren eine erste Position (z.B. Drehwinkelposition oder Zeitpunkt während einer Drehung) bestimmt, bei der der Wert des Widerstandes abrupt abfällt. Ein abrupter Abfall des Wertes des Widerstands kann beispielsweise dann gegeben sein, wenn der Wert des Widerstands auf einen Wert abfällt, welcher +–20 % bzw. +–10 % bzw. +–5 % um einen Wert von 5/6 des Widerstandswertes vor dem Abfallen abgesunken ist. Bei dem Verfahren wird ferner eine zweite Position bestimmt, bei der der Wert des Widerstandes abrupt ansteigt (insbesondere von ungefähr 5/6 eines Referenzwiderstandes auf den Referenzwiderstand). Der Abfall bzw. der Anstieg kann dabei innerhalb eines gewissen Intervalls von Drehpositionen bzw. Zeit erfolgen, welches Intervall klein ist gegen einen gesamten Umlauf des Rotors. Der Anstieg oder Abfall kann nahezu abrupt (z.B. innerhalb von 1 bis 50000 Mikrosekunden, innerhalb von 1 bis 1000 Mikrosekunden, innerhalb von 1 bis 100 Mikrosekunden, innerhalb von 10 bis 50000 Mikrosekunden, innerhalb von 100 bis 10000 Mikrosekunden, innerhalb von 100 bis 1000 Mikrosekunden) erfolgen. In dem Moment, in dem die zweite L Kontaktlamelle kontaktiert wird, ändert sich auch der Widerstand. Ferner umfasst das Verfahren, die Bürsteneigenschaft aus der ersten Position und der zweiten Position zu ermitteln, was insbesondere ein Zugreifen auf gespeicherte Parameter wie Geometrieinformation der eingesetzten Bürsten, Geometrieinformation des Kommutators und Ähnliches umfassen kann.
Die Erfindung kann auf der Erkenntnis beruhen, dass sich der Gesamtwiderstand des Motors über die Bürsten verändert, wenn durch die Bürste zwei Lamellen des Kommutators an jedem Pol kurzgeschlossen werden. Bei langsamem Drehen des Motors lassen sich somit sowohl die Zeiten bestimmen, in denen die Bürste nur auf einer Lamelle aufliegt (d.h. sie kontaktiert), als auch die Zeiten, in denen die Bürste auf beiden Lamellen aufliegt (d.h. heißt sie kontaktiert und somit elektrisch verbindet). Die notwendigen Werte (Strom, Spannung, Zeit) können bei herkömmlichen Steuerungen für Elektromotoren vorhanden sein und können gemäß der Erfindung ausgewertet werden. Zum Beispiel kann sich zu einer Diagnose der Motor sehr langsam drehen, um die Auswertung der Zeitbestimmung beziehungsweise die Bestimmung der beiden Positionen zu verbessern. Zum Beispiel kann das Bestimmen der beiden Positionen während der Nachlaufphase des normalen Motorbetriebes durchgeführt werden. Verändert sich die Breite (in Umlaufrichtung) der Bürste mit zunehmendem Abrieb, d.h. mit zunehmender Zeit, so ändert sich auch die Zeit, in denen zwei Lamellen (welche in dem Kommutator in Umfangsrichtung benachbart sind) kurzgeschlossen werden. Diese Zeit kann kleiner sein als bei unbearbeiteten Bürsten, d.h. Bürsten, welche eine größere Breite aufweisen. Zum Beispiel kann aus einem Vergleich des Tastverhältnisses der Zustand der Bürste abgeleitet werden. Zum Beispiel kann bei der Fertigung der Bürste, zum Beispiel kurz vor dem Ende der Bürste, eine Kerbe vorgesehen sein, durch welche die Auflagefläche der Bürste auf den Kontaktlamellen des Kommutators verkleinert werden kann. Eine derartige Kerbe könnte mehrfach vorgesehen sein. Somit kann durch Mitzählen der Anzahl von Kerben während des Verschleißes immer der Status der Bürste bestimmt beziehungsweise verfolgt werden. Anstelle einer Kerbe könnte auch eine Kontur (oder Profilierung) in die Bürste eingebracht werden und somit ein charakteristisches Tastverhältnis gemessen werden. Alternativ kann die Bürste angespitzt werden. Über den Verschleiß der Bürste kann sich das Tastverhältnis somit kontinuierlich ändern, wodurch der Zustand der Bürste und somit die Bürsteneigenschaft ableitbar sein kann. Zudem könnte eine angespitzte Bürste dazu verwendet werden, mit diesem Verfahren den Einlauf des Motors zu untersuchen. Im Rahmen einer Befundung ließe sich der Motor somit zerstörungsfrei untersuchen und die bisherige Betriebsdauer des Motors bestimmen.
Damit kann ein Verfahren zum Ermitteln eines Verschleißes einer Bürste bereitgestellt werden, welches keine zusätzliche Hardware erfordert und somit einfach durchzuführen ist. Das Verfahren kann auch auf einen Gleichstromgenerator angewendet.
Die Bürsteneigenschaft kann zum Beispiel aus einer Differenz zwischen der ersten Position und der zweiten Position ermittelt werden. Insbesondere kann eine Breite der Bürste (in Umfangsrichtung) aus der Differenz zwischen der ersten Position und der zweiten Position in einfacher Weise ermittelt werden.
Die Bürsten weisen eine Breite, in Umfangsrichtung, einer Kontaktfläche aus, welche je nach Drehstellung des Kommutators eine oder zwei Kontaktlamellen kontaktiert. Die Breite ist dabei mindestens so groß wie ein Abstand in Umfangrichtung zweier benachbarter Kontaktlamellen und die Breite hängt in vorbekannter Weise (beispielsweise durch eine mathematische Gleichung, durch eine vorgegeben Tabelle beziehungsweise vorgegebene Geometrie oder ähnliches) von einer Abrieblänge oder einer verbleibenden Länge der Bürste ab. Wenn ein Zusammenhang zwischen der Breite der Bürste und einer Abrieblänge beziehungsweise einer verbleibenden Länge bekannt ist, und wenn ferner die Breite der Bürste basierend auf der ersten Position und der zweiten Position ermittelt werden kann, so kann folglich aus der ersten Position und der zweiten Position auf die Abrieblänge beziehungsweise die noch verbleibenden Länge der Bürste rückgeschlossen werden. Somit kann ein einfaches Verfahren zum Bestimmen einer Eigenschaft einer Bürste, insbesondere eines Bürstenverschleißes bereitgestellt werden.
Die Bürste kann dabei derart ausgebildet sein, dass die Breite der Bürste mit zunehmender Abrieblänge nicht konstant ist beziehungsweise gleichbleibend ist, sondern sich insbesondere kontinuierlich oder stufenweise, vergrößert beziehungsweise verkleinert oder insbesondere stufenweise, verkleinert und sich dann, insbesondere stufenweise, vergrößert, ferner, insbesondere in sich wiederholender Weise. Eine Bürste mit einer sich vergrößernden Breite mit zunehmender Abrieblänge kann dabei zum Beispiel einfach durch Anspitzen hergestellt werden. Eine stufenweise Verkleinerung beziehungsweise Vergrößerung der Breite kann durch ein Ausbilden einer Kerbe beziehungsweise Nut zum Beispiel durch Feilen in einfacher Weise hergestellt werden. Wenn die Bürste insbesondere mehrere Kerben beziehungsweise Nuten aufweist, bei denen sich die Breite über ein gewisses Längsintervall verkleinert, kann das Verfahren weiterhin umfassen, dass die Anzahl der stufenweisen Änderungen der Breite gezählt wird. Jede stufenweise Änderung der Breite kann dabei einem Abrieb einer vorbekannten Länge entsprechen. Werden somit die Anzahlen der stufenweisen Änderungen der Breite mitgezählt, so kann auf eine Gesamtabriebslänge rückgeschlossen werden. Die Bestimmung der abrupten Änderungen der Breite kann dabei durch ein vereinfachtes Auswerteverfahren erreicht werden, wodurch das Verfahren insgesamt vereinfacht beziehungsweise beschleunigt werden kann.
Die Bürsteneigenschaft (insbesondere Breite der Bürste) kann ferner basierend auf einem Abstand in Umfangrichtung, zwischen benachbarten Kontaktlamellen bestimmt sein. Damit ist eine Größe zum Durchführen des Verfahrens erforderlich, welche leicht aus den Datenblättern des Elektromotors oder Nachmessen entnommen werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, sind die erste Position und die zweite Position jeweils Drehpositionen des Kommutators (zum Beispiel eine Winkelangabe oder eine daraus abgeleitete Größe, wie Längenmaß), wobei die Bürsteneigenschaft ferner basierend auf einer Abmessung, insbesondere Radius, Durchmesser oder Umfang des Kommutators bestimmt wird. Auch diese Parameter sind leicht für den Elektromotor bestimmbar oder aus Datenblättern erhältlich. Die Drehposition kann beispielsweise durch einen Encoder oder einen geeigneten Sensor bestimmt werden.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform sind die erste Position und die zweite Position jeweils Zeitpunkte während einer Drehbewegung des Kommutators, wobei die Bürsteneigenschaft ferner basierend auf einer Drehgeschwindigkeit (z.B. Winkelgeschwindigkeit oder Anzahl Umdrehungen pro Minute) des Kommutators bestimmt wird.
Zeitpunkte können dann verwendet werden, wenn das Verfahren bei sich kontinuierlich drehendem Rotor durchgeführt wird. Genaue Drehpositionen des Rotors sind in diesem Falle nicht notwendig. Über die bekannte Drehgeschwindigkeit können zwei Zeitpunkte einer dazwischen befindliche Strecke zugeordnet werden. Damit kann das Verfahren vereinfacht durchgeführt werden.
Die Kontaktlamellen können mit Wicklungen eines mit dem Kommutator mitdrehenden Rotors in alternierender Weise in Reihe geschaltet sein. Somit kann eine Kontaktlamelle in Reihe mit einer Wicklung, einer weiteren Kontaktlamelle, einer weiteren Wicklung usw. geschaltet sein. Es kann eine gerade Zahl von Kontaktlamellen sowie auch eine gleiche gerade Zahl von Wicklungen vorgesehen sein. Kontaktiert die Bürste genau eine Kontaktlamelle und die kontaktiert die weitere Bürste genau eine weitere Kontaktlamelle, so kann zwischen der Bürste und der weiteren Bürste eine Parallelschaltung zweier hintereinander Schaltungen der Hälfte der Anzahl von Wicklungen gebildet sein, was zu einem Widerstandswert zwischen der Bürste und der weiteren Bürste führt, welcher das Dreifache des Widerstandswertes einer Wicklung ist. Im Gegensatz dazu kann, wenn die Bürste genau zwei benachbarte Kontaktlamellen kontaktiert und die weitere Bürste genau zwei weitere benachbarte Kontaktlamellen kontaktiert, zwischen der Bürste und der weiteren Bürste eine Parallelschaltung aus zwei Hintereinanderschaltungen von der Hälfte der um eins verminderten Anzahl Wicklungen gebildet sein, so dass der Widerstandswert zwischen der Bürste und der weiteren Bürste das 2 1/2-fache (2,5-fache) des Widerstandwertes einer Wicklung ist.
Es können verschiedene Wicklungsschemata eingesetzt werden, um das Verfahren durchzuführen, so lange verschiedene Widerstandswerte zwischen der Bürste und der weiteren Bürste angenommen werden, die sich unterscheiden, wenn die Bürsten jeweils nur eine Kontaktlamelle kontaktieren oder die Bürsten jeweils genau zwei Kontaktlamellen kontaktieren.
Der Wert des Widerstands kann sich in einem Intervall um die erste Position herum von einem ersten Wert auf einen davon verschiedenen zweiten Wert ändern und der Wert des Widerstands kann sich von dem zweiten Wert auf den ersten Wert in einem Intervall um die erst zweite Position herum ändern. Das Intervall sollte relativ klein sein.
Der erste Wert kann zumindest approximativ einem dreifachen eines Widerstandswertes einer zwischen zwei benachbarten Kontaktlamellen geschalteten Wicklung entsprechen und der zweite Wert kann zumindest approximativ einem 2,5-fachen eines Widerstandswert einer zwischen zwei benachbarten Kontaktlamellen geschalteten Wicklung entsprechen. Diese Ausführungsform kann insbesondere zum Einsatz kommen, wenn das Wicklungsschema eine Schaltung definiert, bei der Wicklungen mit Kontaktlamellen der Kommutators abwechseln. Andere Wicklungsschemata können zu anderen Werten der Widerstände führen, können jedoch entsprechend bestimmt und ausgewertet werden.
Somit kann gezielt nach einer entsprechenden Änderung des Wertes des Widerstands in den aufgenommen Daten gesucht werden, um Übergangspositionen zu finden. Dabei kann bei der ersten Position ein Übergang von einer Kontaktierung nur einer Kontaktlamelle jeweils durch die Bürste und die weitere Bürste auf eine Kontaktierung zweiter benachbarter Kontaktlamellen jeweils durch die Bürste und die weitere Bürste erfolgen. Ferner kann bei der zweiten Position ein jeweils umgekehrter Übergang erfolgen. Der Übergang beziehungsweise die Position des Übergangs ist dabei von der aktuellen Breite der Kontaktfläche der Bürste abhängig. Eine genaue Bestimmung der Positionen der Übergänge beziehungsweise der Übergänge selbst, kann somit Rückschluss auf eine Breite der Bürste ermöglichen.
Das Verfahren kann ferner aufweisen, eine dritte Position zu bestimmen, bei der der Wert des Widerstands abermals abrupt abfällt. Ferner kann eine erste Differenz zwischen der zweiten Position und der ersten Position bestimmt werden und es kann eine zweite Differenz zwischen der dritten Position und der zweiten Position bestimmt werden. Ferner kann die Bürsteneigenschaft aus der ersten Differenz und der zweiten Differenz, insbesondere aus einem Tastverhältnis, welches als Quotient zwischen der ersten Differenz und der zweiten Differenz oder umgekehrt gebildet ist, bestimmt werden. Insbesondere muss es nicht notwendig sein, genaue Widerstandswerte zu bestimmen, solange die erste Position, zweite Position und dritte Position bestimmbar sind. Insbesondere muss es nicht auf Absolutwerte der Widerstandswerte ankommen. Wesentlich kann das Bestimmen der Positionen sein, bei denen sich der Wert des Widerstands abrupt ändert.
In dem Verfahren kann, gemäß einer Ausführungsform, der Kommutator kontinuierlich (z.B. mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit oder zumindest approximativ konstanten Winkelgeschwindigkeit, zum Beispiel zwischen 5 Umdrehungen/Minute und 20 Umdrehungen/Minute, insbesondere zwischen sieben Umdrehungen/Minute und 12,5 Umdrehungen/Minute, insbesondere etwa 10 Umdrehungen/Minute) gedreht werden. Ferner können Werte des Widerstandes, welche insbesondere zeitlich in Intervallen, insbesondere periodisch, abgetastet werden, über mehrere Kommutatorumläufe gemittelt werden. Ferner können eine Mehrzahl von ersten Positionen der gemittelten Widerstandswerte und insbesondere auch eine Mehrzahl von dritten Positionen bestimmt werden, bei der jeweils der Wert des Widerstands abrupt abfällt. Auch kann eine Mehrzahl von zweiten Positionen der gemittelten Widerstandswerte, bei der der Wert des Widerstands abrupt ansteigt, bestimmt werden. In den gemittelten Widerstandswerten kann ein in den Messwerten enthaltenes Rauschen vermindert sein und andere Messfehler können dadurch reduziert werden. Innerhalb eines Kommutatorumlaufes können mehrere Übergänge des Widerstandswertes von dem ersten Wert zu dem zweiten Wert und von dem zweiten Wert zu dem ersten Wert auftreten. Diese Übergänge können aufeinanderfolgend (insbesondere zeitlich aufeinanderfolgend bzw. aufeinanderfolgend in Bezug auf eine Drehposition) erfolgen. Weiter kann eine Differenz zwischen einer bestimmten zweiten Position (aus der Mittlung erhalten) und einer davor liegenden ersten Position (welche ebenfalls durch Mittlung erhalten ist) gebildet werden. Eine solche Differenz repräsentiert somit den Unterschied in der Position einer ersten Position von einer benachbarten zweiten Position.
Ferner kann die Bürsteneigenschaft aus der mindestens einen Differenz oder insbesondere auch aus einer Mittlung der mindestens einen Differenz ermittelt werden. Die gemittelte Differenz kann dabei zum Beispiel durch Mitteln der Differenzen der zweiten und ersten Position über einen gesamten Kommutatorumlauf (oder mehrere Kommutatorumläufe) gebildet werden, um somit weiterhin ein Rauschen zu vermindern. Der Kommutator kann zum Beispiel dadurch kontinuierlich gedreht werden, dass das Verfahren während eines normalen Betriebszustandes des Motors bei Betreiben des Motors mit konstanter Drehzahl durchgeführt wird oder auch in einer Auslaufphase des Motors, in welcher der Motor nicht angetrieben wird, das heißt, kein Antriebsstrom der Bürste und der weiteren Bürste zugeführt wird. Der Widerstand kann dann durch Anlegen einer Messspannung und Messen des Stroms mittels einer Division von Spannung und Strom erhalten werden. Damit kann insbesondere der Verschleiß einer Bürste im normalen Betrieb des Elektromotors bestimmt werden, ohne eine besondere Diagnoseprozedur ausführen zu müssen.
Die Bürsteneigenschaft kann z.B. eine Breite, in Umfangsrichtung einer Kontaktfläche der Bürste sein, kann eine Abrieblänge der Bürste sein oder kann eine noch verbleibende Länge, in Radialrichtung der Bürste sein. Auch eine Kombination dieser Eigenschaften kann als Bürsteneigenschaft ermittelt und insbesondere auch ausgegeben werden. Damit kann eine hinreichende Charakterisierung der Bürste im Bezug auf ihre Verwendbarkeit innerhalb des Elektromotors gegeben sein.
Der Wert des elektrischen Widerstands kann aus einer Messung von Spannung und Strom bestimmt werden, während der Gleichstrommotor betrieben wird oder nicht betrieben wird, sich insbesondere im Nachlauf befindet. Somit sind keine besonderen Vorkehrungen erforderlich, das Verfahren durchzuführen.
Es sollte verstanden werden, dass Merkmale, welche individuell oder in irgendeiner Kombination in Bezug auf ein Verfahren zum Ermitteln einer Eigenschaft einer Bürste eines Gleichstrommotors beschrieben, erwähnt, bereitgestellt oder erläutert wurden, ebenso individuell oder in irgendeiner Kombination auf eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Eigenschaft einer Bürste eines Gleichstrommotors anwendbar sind und dafür eingesetzt werden können, und umgekehrt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung (insbesondere in einer Motorsteuerung enthaltend, insbesondere Hardware und Software umfassend) zum Ermitteln einer Eigenschaft einer Bürste eines Gleichstrommotors (oder eines Gleichstromgenerators) mit einer Bürste und mindestens einer weiteren Bürste bereitgestellt. Die Vorrichtung weist dabei ein Messmodul (insbesondere Spannungsmesssensor und Strommesssensor aufweisend und/oder Software aufweisend) auf, welches ausgebildet ist (zum Beispiel durch entsprechende Programmierung) einen Wert eines elektrischen Widerstands zwischen der Bürste, welche mit mindestens einer Kontaktlamelle eines Kommutators, der in Umfangsrichtung mehrere nebeneinander angeordnete Kontaktlamellen aufweist, in Kontakt steht und der weiteren Bürste, welche mit mindestens einer weiteren Kontaktlamelle in Kontakt steht, bei verschiedenen Drehpositionen des Kommutators zu bestimmen. Die Vorrichtung umfasst ferner ein Auswertemodel, welches ausgebildet ist, eine erste Position zu bestimmen, bei der der Wert des Widerstands abrupt abfällt, eine zweite Position zu bestimmen, bei der der Wert des Widerstands abrupt ansteigt und die Bürsteneigenschaft aus der ersten Position und der zweiten Position zu ermitteln.
Die Vorrichtung kann dabei insbesondere ausgebildet sein, ein Verfahren gemäß einer der vorangehend erläuterten Ausführungsformen auszuführen. Die Vorrichtung kann beispielsweise in einem Fahrzeug zum Steuern und zum Überwachen eines Gleichstromelektromotors vorgesehen sein.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ferner eine Bürste (oder Schleifkontakt, insbesondere Kohlebürste) für einen Gleichstrommotor mit einem Kommutator mit Kontaktlamellen bereitgestellt, wobei die Bürste einen elektrisch leitfähigen Körper aufweist, welcher eine Breite, in Umfangsrichtung, einer Kontaktfläche hat, welche je nach Drehstellung des Kommutators eine oder zwei Kontaktlamellen kontaktiert. Dabei verkleinert und nachfolgend vergrößert sich die Breite der Bürste mit zunehmender Abrieblänge in wiederholender Weise, oder die Breite der Bürste vergrößert und nachfolgend verkleinert sich mit zunehmender Abrieblänge in wiederholender Weise. Entlang einer Längsrichtung oder Radialrichtung der Bürste können zum Beispiel Kerben oder Nuten vorgesehen sein, welche insbesondere einen gleichen Abstand voneinander haben können. Durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Eigenschaft einer Bürste kann zum Beispiel detektiert werden, wenn sich die Breite der Kontaktfläche ändert, woraufhin auf den Zustand der Bürste bzw. auf eine Eigenschaft der Bürste rückgeschlossen werden kann, insbesondere auf eine noch verbleibende Länge der Bürste oder auf eine Abrieblänge. Die Bürste kann dabei zum Beispiel durch Verpressen oder Sintern in einer geeigneten Form gebildet werden.
Ferner ist ein System zum Ermitteln einer Bürsteneigenschaft eines Gleichstrommotors bereitgestellt, welches eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Eigenschaft einer Bürste gemäß einer der vorangehend erläuterten Ausführungsformen und eine Bürste aufweist, die in dem Gleichstrommotor angeordnet ist. Insbesondere kann eine Bürste gemäß einer der vorangehend erläuterten Ausführungsformen in dem System zum Einsatz kommen.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen oder illustrierten Ausführungsformen beschränkt.
1 zeigt schematisch einen Rotor eines Gleichstrommotors zusammen mit einer Vorrichtung zum Ermitteln einer Eigenschaft einer Bürste des Gleichstrommotors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt Verfahrensschritte zum Ermitteln einer Eigenschaft einer Bürste eines Gleichstrommotors, welche von der Vorrichtung ausgeführt werden, welche unter anderem in 1 illustriert ist;
3A, 3B und 3C zeigen eine Axialansicht eines Kommutators mit zwei Bürsten, gemittelte Messergebnisse während eines Verfahrens zum Ermitteln einer Eigenschaft einer Bürste gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sowie eine Detailansicht derartiger Messergebnisse;
4A, 4B und 4C illustrieren in schematischer Axialansicht einen Kommutator mit Bürsten, die einen gegenüber 3A größeren Verschleiß aufweisen, Messergebnisse sowie eine Detailansicht der Messergebnisse, welche in einem Verfahren zum Ermitteln einer Eigenschaft einer Bürste gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bestimmt sind;
5, 6 und 7 illustrieren Bürsten gemäß Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sowie in schematischer Weise ein Herstellungsverfahren derartiger Bürsten; und
8 illustriert Messergebnisse zur Diagnose von Bürsten eines Gleichstrommotors.
1 illustriert in einer Axialansicht in schematischer Weise einen Rotor 150 eines Elektromotors zusammen mit einer Illustration einer Reihenschaltung 160 von Kontaktlamellen und Wicklungen des Rotors 150 sowie mit einer Vorrichtung 100 zum Ermitteln einer Eigenschaft einer Bürste des Gleichstrommotors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Rotor 150 umfasst Kerne 151 aus einem ferromagnetischen Material, wie etwa Ferrit oder Eisen, Wicklungen 153 welche um die Kerne 151 gewickelt sind (insbesondere gemäß Wicklungsschema Nidec) sowie einen zylinderförmigen Kommutator 155, welcher Kontaktlamellen 157 aufweist. In diesem illustrierten Fall umfasst der Kommutator 155 zwölf Kontaktlamellen 157, welche jeweils durch eine isolierende Schicht bzw. ein isolierendes Material 159 voneinander elektrisch, insbesondere galvanisch, getrennt sind. Jede Kontaktlamelle 157 ist mit einer bzw. mehreren Wicklungen 153 über einen elektrischen Leiter 162 verbunden und versorgt die entsprechenden Wicklungen bzw. die entsprechende Wicklung 153 mit einem Gleichstrom, wenn eine Bürste 101 eine Kontaktlamelle 157 kontaktiert und wenn eine weitere Bürste 103 eine weitere Kontaktlamelle 158 kontaktiert, welche insbesondere 180 Grad von der Kontaktlamelle 157 in Umfangsrichtung 161 beabstandet ist. Dabei sind die Bürsten 101, 103 mit einer Gleichspannungsquelle verbunden, welche eine Gleichspannung U erzeugt. Die Ersatzschaltung 160 illustriert, dass die Kontaktlamellen 157 alternierend mit den Wicklungen 153 in Reihe geschaltet sind und einen geschlossenen Stromkreis bilden.
Die Vorrichtung 100 umfasst ein Messmodul 102, welches ausgebildet ist, einen Wert eines elektrischen Widerstands zwischen der Bürste 101, welche mit mindestens einer Kontaktlamelle 157 des Kommutators 155 in Kontakt steht, und der weiteren Bürste 103, welche mit mindestens einer weiteren Kontaktlamelle 158 in Kontakt steht, bei verschiedenen Drehpositionen des Kommutators zu bestimmen. Dazu erhält das Messmodul 102 einen Spannungswert 105 von einem Spannungssensor 107, welcher die Spannung U misst, welche zwischen der Bürste 101 und der weiteren Bürste 103 angelegt ist. Ferner erhält das Messmodul 103 ein Messsignal 109, welches den Strom I repräsentiert, welcher von einem Stromsensor 107 als der Strom gemessen ist, welcher zwischen der Bürste 101 und der weiteren Bürste 103 aufgrund der angelegten Spannung U fließt.
Werte 114 des Widerstands, welcher durch Division der Spannung U und des Stromes I gebildet ist, werden für verschiedene Drehpositionen des Kommutators 155 bestimmt und an ein Auswertemodul 113 weitergegeben. Das Auswertemodul 113 ist ausgebildet (aus den Messwerten) eine erste Position P1 zu bestimmen, bei der der Wert 114 des Widerstands abrupt abfällt, sowie eine zweite Position P2 zu bestimmen, bei der der Wert des Widerstands abrupt ansteigt. Ferner ist das Auswertemodul 113 ausgebildet, die Eigenschaft der Bürsten 101, 103 aus der ersten Position und der zweiten Position zu ermitteln. Dazu wird ein Verfahren zum Ermitteln einer Eigenschaft einer Bürste gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung von der Vorrichtung 100 ausgeführt, welches nachfolgend näher erläutert wird.
Aus der Schaltung 160 ist ersichtlich, dass zwischen der Bürste 101 und der weiteren Bürste 103 für den Fall, dass die Bürste 101 genau eine Kontaktlamelle 157 kontaktiert und die weitere Bürste 103 genau eine weitere Kontaktlamelle 158 kontaktiert, eine Parallelschaltung zweier Reihenschaltungen, welche jeweils sechs Wicklungen 153 umfassen, gebildet ist. Der Widerstandswert dieser Parallelschaltung von Reihenschaltungen beträgt das Dreifache des Widerstandes einer einzigen Wicklung 153. Aus dem Schaltungsschema 160 ist ferner ersichtlich, dass für den Fall, dass die Bürste 101 genau zwei benachbarte Kontaktlamellen 157 kontaktiert und die weitere Bürste 103 genau zwei benachbarte Kontaktlamellen 158 kontaktiert, zwischen der Bürste 101 und der weiteren Bürste 103 eine Parallelschaltung zweier Reihenschaltungen, welche jeweils fünf Wicklungen 153 umfassen, gebildet ist. Der Widerstand dieser Parallelschaltung von Reihenschaltungen beträgt das Zweieinhalbfache des Widerstandswertes einer einzelnen Wicklung 153. Während eines Drehens des Kommutators 155 wird somit ein sich ändernder Widerstandswert gemessen und an das Auswertemodul 113 weitergegeben.
2 zeigt Verfahrensschritte während eines Verfahrens zum Bestimmen einer Eigenschaft einer Bürste, welche von der Vorrichtung 100, die in 1 illustriert ist, ausgeführt werden. Der Graph 200 zeigt auf seiner Abszisse 201 die Zeit und auf seiner Ordinate 203 den Widerstandswert, welcher von dem Messmodul 103 ermittelt ist. n = 1 bedeutet hierbei, dass zu dieser Zeit 205 genau ein Umlauf des Kommutators 155 stattgefunden hat. n = 2 bedeutet, dass zu der Zeit 207 genau zwei Umläufe des Kommutators 155 abgeschlossen sind. Nach einer Zeit 209 sind n = N Umläufe des Kommutators abgeschlossen. Beispielhaft kann der Kommutator bei zehn Umdrehungen/Minute für 80 Umdrehungen gedreht worden sein. Währenddessen werden Strom I und Spannung U gemessen und optional aufgezeichnet. Ferner kann ein Drehgeber bzw. Drehsensor an dem Kommutator vorgesehen sein, um einen Drehwinkel bzw. eine Drehposition zu bestimmen sowie zu bestimmen, wann ein voller Umlauf vollendet ist. Die Messwerte Strom und Spannung können beispielsweise bei einer Sample-Rate von 10 kHz aufgenommen werden. Wie in 2 illustriert ist, kann zunächst zur Verminderung des Rauschens das Messsignal 210 in Teilsignale 211 jeweils eines Rotorumlaufs aufgeteilt werden. Daraufhin können die Teilsignale 211 über die n = N (N z.B. zwischen 50 und 100) aufsummiert werden, um ein gemitteltes Messsignal 213 zu erhalten, wie in dem Graphen 215 illustriert ist, welcher als Ordinate 201 wiederum die Zeit bzw. die Anzahl der Zeitschritte und auf der Ordinate 203 den Widerstandswert zeigt.
Wie aus dem Schaltungsschema 160, welches in 1 illustriert ist, ersichtlich ist, sind die Kontaktlamellen 157, 158 und die Wicklungen 153 in Reihe geschaltet. Bei einer Kontaktierung jeweils einer gegenüberliegenden Kontaktlamelle 157 beträgt der Widerstand, welcher zwischen der Bürste 101 und der weiteren Bürste 103 gemessen wird R_Rotor = 3·R_Einfachwicklung.
Bei Kontaktierung jeweils zweier gegenüberliegender Kontaktlamellen 157, 158 beträgt der Widerstand, welcher zwischen den Bürsten 101 und der weiteren Bürste 103 gemessen wird R_Rotor = 2,5·R_Einfachwicklung.
Die Widerstandsänderung bzw. der Widerstandseinbruch (und -anstieg) kann gemessen werden, wie beispielhaft in den 3B und 4B illustriert ist, wie nachfolgend beschrieben wird.
In 2 ist illustriert, dass statistische Schwankungen innerhalb des Messsignals 210 eliminiert werden können und dass ein deterministisches Signal über einen Rotorumlauf vorhanden ist (Rauschreduzierung zur besseren Datenauswertung), wie in dem Graphen 215 ersichtlich ist.
3A illustriert in einer Axialansicht schematisch den Kommutator 155 des Rotors 150 des Gleichstrommotors zusammen mit einer Bürste 101 und einer weiteren Bürste 103, welche zum Durchführen des Verfahrens speziell profiliert sind. Insbesondere weisen Kontaktflächen der Bürsten 101, 103 eine Breite b1 in Umfangsrichtung 161 auf, welche sich in Abhängigkeit eines Verschleißes der Bürsten 101, 103, d.h., eines Abriebs entlang der Radialrichtung 163 ändert, im vorliegenden illustrierten Fall vergrößert. 3A zeigt dabei einen Augenblick während einer Drehung entlang einer Drehrichtung 115, bei der die Bürste 101 sowie auch die weitere Bürste 103 jeweils nur eine Kontaktlamelle 157 kontaktieren. Dabei sind die Bürsten 101 und 103 jeweils in symmetrischer Weise profiliert, sodass in synchroner Weise die Bürste 101 wie auch die weitere Bürste 103 jeweils nur genau eine Kontaktlamelle oder jeweils genau zwei Kontaktlamellen 157 zur gleichen Zeit kontaktieren.
3B illustriert einen Graphen 300 ähnlich dem Graphen 200, welcher in 2 illustriert ist, wobei die Abszisse 301 die Zeit bzw. Zeitschritte anzeigt und die Ordinate 303 den Widerstand Ω anzeigt, welcher zwischen der Bürste 101 und der weiteren Bürste 103 während des Drehens des Kommutators 155 gemessen wird. Die Messkurve 309 illustriert, dass der Widerstand zwischen einem ersten Widerstandswert w1 und einem zweiten Widerstandswert w2 oszilliert. 3C zeigt einen Ausschnitt der Messkurve 309 des Graphen 300, welcher in 3B gezeigt ist. Bei einer ersten Position P1 ist ein abrupter Abfall des Widerstandswertes 309 innerhalb eines ersten Intervalls 311 beobachtet. Die erste Position P1 kann z.B. dadurch aufgefunden werden, dass zunächst ein Maximum des Widerstandswertes (hier zum Beispiel 0,42 Ω) aufgefunden wird und auch ein Minimum (in diesem Fall 0,36 Ω) aufgefunden wird. Sodann kann zum Beispiel der Mittelwert aus 0,42 Ω und 0,36 Ω gebildet werden, was im vorliegenden Fall 0,39 Ω ergeben kann. Für diesen Mittelwert wird nun der zugehörige Abszissenwert aufgesucht werden, was zu der Bestimmung der ersten Position P1 führen kann. Andere Verfahren sind möglich, um die (mittlere) Position des Abfalls des Widerstandswertes 309 zu bestimmen. Auf ähnliche oder auf eine andere Weise kann eine zweite Position P2 bestimmt werden, bei der der Widerstandswert 309 abrupt ansteigt. Ferner kann aus der zweiten Position P2 und der ersten Position P1 eine Differenz Δ1 gebildet werden, welche im vorliegenden Fall, bei einer vorgegebenen Sampling-Rate, ungefähr 1000 Messpunkten entspricht.
Im Falle, dass der erste Widerstandswert w1 gemessen wird, kontaktieren jeweils die Bürste 101 sowie auch die weitere Bürste 103 jeweils genau eine Kontaktlamelle 157. Im Falle, dass der zweite Widerstandswert w2 gemessen ist, kontaktieren jeweils die Bürste 101 und die weitere Bürste 103 genau zwei Kontaktlamellen 157. Aufgrund der relativ geringen Breite b1 der Bürsten 101, 103 in Umfangsrichtung 161 ist das Zeitintervall zwischen der ersten Position P1 und der zweiten Position P2 relativ gering, insbesondere geringer als die Differenz zwischen einer dritten Position P3 und der zweiten Position P2, wobei die dritte Position P3 die Position definiert, bei welcher der Widerstandswert 309 abermals (hinter der zweiten Position P2) abrupt abfällt. Wie in 3A ersichtlich ist, beträgt die Gesamtlänge der Bürsten 101, 103 in Radialrichtung 163 die Länge l1.
4A, 4B und 4C zeigen Illustrationen, welche den Illustrationen in 3A, 3B und 3C entsprechen, nachdem jedoch die Bürsten 101 und 103 einen gewissen Abrieb erlitten haben (z.B. durch anhaltenden Betrieb), sodass deren Länge, d.h., verbleibende Betriebslänge auf den Wert l2 abgenommen hat. Aufgrund des Abriebs ist auch der in 3A illustrierte vordere Abschnitt der Bürsten 101, 103 verschwunden, sodass die Breite der Kontaktfläche in Umfangrichtung 163 der Bürsten nunmehr den Wert b2 hat. Aufgrund der größeren Breite der Bürsten ist der von der Vorrichtung 100 ermittelte Widerstandswert 409, welcher in 4B in dem Graphen 400 illustriert ist, in seinem Zeitverhalten geändert. Wie insbesondere in der in 4C illustrierten Detailansicht ersichtlich ist, werden von der Vorrichtung 100, welche in 1 illustriert ist, eine erste Position P1 und eine zweite Position P2 bestimmt, deren Differenz Δ2 wesentlich größer ist, als die Differenz Δ1 der ersten Position und der zweiten Position, welche für die Bürsten mit der geringeren Breite b1 in 3C ermittelt wurde. Eine ermittelte dritte Position P3 hat dabei einen geringeren Abstand zu der zweiten Position P2, als die Differenz zwischen P2 und P1.
Durch ein Erfassen der fallenden und steigenden Flanke kann die Zeit (oder Winkelposition) des Lamellenkurzschlusses bestimmt werden. Dabei ist oder sind nur die Positionen P1, P2 bzw. allgemein die Positionen der Flanken maßgebend, die Absolutwerte der Widerstände sind weniger wichtig bzw. sind für die Auswertung nicht erheblich. Die Bürsten, welche in 3A illustriert sind, können beispielsweise durch Abfeilen von quaderförmigen Bürsten erhalten werden. Der Motor kann z.B. langsam gedreht werden und die Zeitdauer (bzw. Drehwinkelbereich) des Widerstandseinwurfs kann vermessen werden.
Die Differenzen Δ1, Δ2 können z.B. einem Zeitintervall Δt entsprechen, während welchem von jeder Bürste 101, 103 jeweils zwei Kontaktlamellen kontaktiert werden. Daraus kann eine Strecke Δs = Δt·v berechnet werden, falls die Drehgeschwindigkeit v bekannt ist. Eine Breite b der Bürsten kann dann durch die Gleichung b = a + Δs = a + Δt·v berechnet werden, falls a den Abstand (in Umlaufrichtung) zwischen zwei benachbarten Lamellen 157 bezeichnet. Die erste, zweite oder dritte Position P1, P2, P3 können z.B. Zeitpositionen, Winkelpositionen oder Längenpositionen repräsentieren.
5 illustriert ein Herstellungsverfahren zum Herstellen einer Bürste 501 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Zunächst wird ein Rohling 510 z.B. aus einem quaderförmigen elektrisch leitfähigen Material, wie etwa Kohle gefertigt. Der Rohling 510 wird z.B. durch Feilen mit einer Kerbe 512 versehen, um ein Zwischenprodukt 514 zu erhalten. Das Zwischenprodukt 514 kann mit weiteren Kerben 516, 518 versehen werden, welche eine Breite b der Bürste 501 in Abhängigkeit einer verbleibenden Länge l ändert. Das Zwischenprodukt 514 oder die Bürste 501 können in Ausführungsformen der Erfindung eingesetzt werden. In 5 kann das Tastverhältnis kontinuierlich ausgewertet werden und es kann eine Anzeige vorgesehen sein, dass bald das Lebensdauerende erreicht ist. In dem Fall mehrerer Kerben kann wiederum das Tastverhältnis kontinuierlich ausgewertet werden. Der Verschleiß der Bürste 501 kann z.B. dadurch überwacht werden, indem die Anzahl der Kerben im Steuergerät mitgezählt werden. Die Bürsten 501 können z.B. gepresst und/oder gesintert werden, indem eine geeignete Pressform verwendet wird, welche eine Form hat, welche komplementär zu der Form der Kerben 512, 516 und 518 ist.
6 illustriert eine Bürste 601, welche in einem Verfahren gemäß Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann, zu verschiedenen Abriebszuständen. Die Bürste 601 weist einen Verjüngungsabschnitt 603 auf, innerhalb dessen sich die Breite b zu dem Kommutator 655 hin verjüngt. Eine anfängliche Breite b1 ist sehr gering und vergrößert sich auf Breiten b2, b3 bzw. b4 bei zunehmendem Verschleiß der Bürste 601. Die sich ändernden Breiten b1, b2, b3, b4 können durch Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bestimmt werden, woraus der Verschleiß der Bürste ermittelt werden kann. Zum Beispiel kann aus dem Tastverhältnis (z.B. (P2 – P1)/(P3 – P2)) und einer Gleichung für einen Kreisbogen die Längenabnahme Δl der Bürste 601 berechnet werden. Bekannt kann dabei der Radius r des Kommutators sowie die Lamellenbreite lb sein. Das Tastverhältnis und die Zeiten können gemessen werden. Daraus können der Kreisbogen und eine Höhe bis zur Sehne berechnet werden.
7 illustriert verschiedene Varianten 701, 703 von Bürsten, welche in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können, und welche aus einem Rohling 710 (z.B. quaderförmig) durch Anspitzen erhalten werden können. Mit zunehmendem Abrieb nimmt dabei die Breite der Kontaktfläche zu einer Kontaktlamelle linear (mit Abrieblänge) zu. Die Zunahme und somit auch der Abrieb der Bürsten 701, 703 können gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bestimmt werden.
8 illustriert einen Graph 800, wobei eine Abszisse 801 die Messzeit anzeigt und eine Ordinate 803 die Differenz zwischen der zweiten Position P2 und der ersten Position P1 bezeichnet, d.h., eine Größe, welche einer Zeit einer gemeinsamen Kontaktierung zweier benachbarter Kontaktlamellen durch eine Bürste entspricht. Die Kurve 805 zeigt Messergebnisse beim Einlaufen eines fabrikneuen Gleichstrommotors. Wie ersichtlich ist, steigt die Zeit eines Kurzschlusses zwischen zwei benachbarten Lamellen mit der Zeit an und erreicht nach einer gewissen Einlaufzeit (im illustrierten Fall etwa sechs Stunden) einen Grenzwert, welcher anzeigen kann, dass der Motor nun in geeigneter Weise eingelaufen ist.
Bezugszeichenliste

100: Vorrichtung zum Bestimmen einer Eigenschaft einer Bürste
101: Bürste
103: weitere Bürste
105: Spannungsmesssignal
102: Messmodul
107: Spannungssensor
109: Strommesssignal
111: Stromsensor
113: Auswertemodul
150: Rotor
151: Rotorkerne
153: Rotorwicklungen
155: Kommutator
157: Kontaktlamelle
159: Isolation
161: Umfangsrichtung
162: Leiter
160: Schaltungsschema
163: radiale Richtung
200: Graph
201: Abszisse
203: Ordinate
205: Zeit eines Umlaufs
207: Zeit zweier Umläufe
209: Zeit von N Umläufen
210: Widerstandssignal
211: Widerstandsteilsignal
213: gemitteltes Widerstandssignal
215: Graph
l1, l2: Längen der Bürsten
b1, b2: Breiten der Bürsten bzw. der Kontaktfläche der Bürste
r: Radius des Kommutators
lb: Länge in Umfangsrichtung einer Kontaktlamelle
a: Abstand zwischen Kontaktlamellen
301: Abszisse
303: Ordinate
309: Widerstandssignal
w1: erster Widerstandswert
w2: zweiter Widerstandswert
P1: erste Position
P2: zweite Position
P3: dritte Position
Δ1: Differenz P2, P1
510, 710: Bürstenrohling
514, 501: Bürsten
603: Verjüngungsabschnitt
Δl: Abrieblänge
501, 514, 701,703: Bürstenvarianten
800: Graph
801: Abszisse
803: Ordinate
805: Zeit eines Lamellenkurzschlusses

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005060324 A1 [0006]
DE 102008054730 A1 [0007]
DE 102010040525 A1 [0008]
EP 1801938 A2 [0009]

Claims

Verfahren zum Ermitteln einer Eigenschaft einer Bürste eines Gleichstrommotors mit einer Bürste (101) und mindestens einer weiteren Bürste (103), aufweisend: Kontaktherstellen zwischen der Bürste (101) und mindestens einer Kontaktlamelle (157) eines Kommutators (155), der in Umfangsrichtung mehrere nebeneinander angeordnete Kontaktlamellen (157, 158) aufweist; Kontaktherstellen zwischen der weiteren Bürste (103) und mindestens einer weiteren Kontaktlamelle (158); Messen eines Wertes (w1, w2) eines elektrischen Widerstands zwischen der Bürste und der weiteren Bürste bei verschiedenen Drehpositionen des Kommutators (155); Bestimmen einer ersten Position (P1), bei der der Wert des Widerstands abrupt abfällt; Bestimmen einer zweiten Position (P2), bei der der Wert des Widerstands abrupt ansteigt; und Ermitteln der Bürsteneigenschaft (b, l, Δl) aus der ersten Position (P1) und der zweiten Position (P2).
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Eigenschaft der Bürsten aus einer Differenz (Δ1, Δ2) zwischen der ersten Position und der zweiten Position ermittelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Bürsten in Umfangsrichtung (101, 103) jeweils eine Breite (b1, b2), einer Kontaktfläche, welche je nach Drehstellung des Kommutators eine oder zwei Kontaktlamellen (157, 158) kontaktiert, aufweisen, wobei die Breite mindestens so groß ist wie ein Abstand (a) in Umfangsrichtung zweier benachbarter Kontaktlamellen (157, 158) und wobei die Breite in vorbekannter Weise von einer Abrieblänge (Δl) oder einer verbleibenden Länge (l, l1, l2) der Bürste abhängt.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei sich die Breite (b, b1, b2) der Bürste (101, 103, 514, 501, 601, 701, 703) mit zunehmender Abrieblänge, insbesondere kontinuierlich oder stufenweise, vergrößert oder insbesondere stufenweise, verkleinert und sich dann, insbesondere stufenweise, vergrößert, ferner insbesondere in sich wiederholender Weise, wobei das Verfahren ferner insbesondere aufweist: Zählen der Anzahl der stufenweisen Änderungen der Breite.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Bürsteneigenschaft ferner basierend auf einem Abstand (a), in Umfangsrichtung (161), zwischen benachbarten Kontaktlamellen (157, 158) bestimmt wird.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Position (P1) und die zweite Position (P2) Drehpositionen des Kommutators (155) sind, wobei die Bürsteneigenschaft ferner basierend auf einer Abmessung, insbesondere Radius (r), Durchmesser oder Umfang, des Kommutators (155) bestimmt wird.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste Position (P1) und die zweite Position (P2) Zeitpunkte während einer Drehbewegung des Kommutators (155) sind, wobei die Bürsteneigenschaft ferner basierend auf einer Drehgeschwindigkeit (v) des Kommutators bestimmt wird.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei, in alternierender Weise, die Kontaktlamellen (157, 158) mit Wicklungen (153) eines mit dem Kommutator mitdrehenden Rotors (150) in Reihe geschaltet sind.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sich in einem Intervall (311) um die erste Position (P1) herum der Wert des Widerstands von einem ersten Wert (w1) auf einen davon verschiedenen zweiten Wert (w2) ändert; wobei sich in einem Intervall (313) um die zweite Position (P2) herum der Wert des Widerstands von dem zweiten Wert (w2) auf den ersten Wert (w1) ändert; wobei der erste Wert zumindest approximativ einem dreifachen eines Widerstandswertes (R_Einfachwicklung) einer zwischen zwei benachbarten Kontaktlamellen geschalteten Wicklung (153) entspricht, wobei der zweite Wert (w2) zumindest approximativ einem zweieinhalbfachen eines Widerstandswertes (R_Einfachwicklung) einer zwischen zwei benachbarten Kontaktlamellen geschalteten Wicklung (153) entspricht.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Bürste (101) und die weitere Bürste (103) in Umfangsrichtung 180° beabstandet sind.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei bei der ersten Position (P1) ein Übergang von einer Kontaktierung nur einer Kontaktlamelle jeweils durch die Bürste und die weitere Bürste auf eine Kontaktierung zweier benachbarter Kontaktlamellen jeweils durch die Bürste und die weitere Bürste erfolgt, wobei bei der zweiten Position (P2) ein umgekehrter Übergang erfolgt.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend: Bestimmen einer dritten Position (P3), bei der der Wert des Widerstands abermals abrupt abfällt; Bestimmen einer ersten Differenz zwischen der zweiten Position und der ersten Position; Bestimmen einer zweiten Differenz zwischen der dritten Position und der zweiten Position; Bestimmen der Bürsteneigenschaft aus der ersten Differenz und der zweiten Differenz, insbesondere aus einem Tastverhältnis, welches als Quotient zwischen der ersten Differenz und der zweiten Differenz oder umgekehrt gebildet ist.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Kommutator kontinuierlich gedreht wird, wobei das Verfahren aufweist: Mitteln der, insbesondere zeitlich abgetasteten, Werte des Widerstandes über mehrere Kommutatorumläufe; Bestimmen einer Mehrzahl von ersten Positionen der gemittelten Widerstandswerte, und insbesondere dritten Positionen, bei der der Wert des Widerstands abrupt abfällt; Bestimmen einer Mehrzahl von zweiten Positionen der gemittelten Widerstandswerte, bei der der Wert des Widerstands abrupt ansteigt; Bestimmen mindestens einer Differenz durch jeweilige Differenzbildung aus mindestens einer der bestimmten zweiten Position der Mehrzahl von zweiten Positionen und mindestens einer der bestimmten ersten Position der Mehrzahl von ersten Positionen; Ermitteln der Bürsteneigenschaft aus der mindestens einen Differenz oder insbesondere aus einer Mittellung der mindestens einen Differenz.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Bürsteneigenschaft eine Breite (b, b1, b2), in Umfangsrichtung (161), einer Kontaktfläche, der Bürste (101, 103); und/oder eine Abrieblänge (Δl) der Bürste; und/oder eine noch verbleibende Länge (l, l1, l2), in Radialrichtung (163), der Bürste umfasst.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Wert des elektrischen Widerstands aus Messung von Spannung (U) und Strom (I) bestimmt wird, während der Gleichstrommotor betrieben wird oder nicht betrieben wird, sich insbesondere im Nachlauf befindet.
Vorrichtung (100) zum Ermitteln einer Eigenschaft einer Bürste eines Gleichstrommotors mit einer Bürste (101) und mindestens einer weiteren Bürste (103), aufweisend: ein Messmodul (102), welches ausgebildet ist, einen Wert (w1, w2) eines elektrischen Widerstands zwischen der Bürste (101), welche mit mindestens einer Kontaktlamelle eines Kommutators (155), der in Umfangsrichtung mehrere nebeneinander angeordnete Kontaktlamellen (157, 158) aufweist, in Kontakt steht und der weiteren Bürste (103), welche mit mindestens einer weiteren Kontaktlamelle in Kontakt steht, bei verschiedenen Drehpositionen des Kommutators zu bestimmen; ein Auswertemodul (113), welches ausgebildet ist, eine erste Position (P1) zu bestimmen, bei der der Wert des Widerstands abrupt abfällt, eine zweite Position (P2) zu bestimmen, bei der der Wert des Widerstands abrupt ansteigt, und die Bürsteneigenschaft (b, l, Δl) aus der ersten Position und der zweiten Position zu ermitteln, wobei die Vorrichtung insbesondere ausgebildet ist, ein Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche auszuführen.
Bürste (501) für einen Gleichstrommotors mit einem Kommutator mit Kontaktlamellen, aufweisend: einen elektrisch leitfähigen Körper, welcher eine Breite (b), in Umfangsrichtung (561), einer Kontaktfläche (504) hat, welche je nach Drehstellung des Kommutators eine oder zwei Kontaktlamellen kontaktiert, wobei sich die Breite (b) der Bürste mit zunehmender Abrieblänge, in wiederholender Weise, verkleinert und nachfolgend vergrößert oder in wiederholender Weise, vergrößert und nachfolgend verkleinert.
System zum Ermitteln einer Bürsteneigenschaft eines Gleichstrommotors, aufweisend: eine Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 16; und eine Bürste (101, 103, 514, 501, 601, 701, 703), die in dem Gleichstrommotor angeordnet ist, insbesondere gemäß Anspruch 17.