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Die Erfindung bezieht sich auf eine Verschleißüberwachungsvorrichtung einer Bürste einer Stromübertragungseinrichtung in einer elektrischen Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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Stromübertragungseinrichtungen wie zum Beispiel Kommutierungseinrichtungen in elektrischen Maschinen dienen zur Stromübertragung auf den Anker der elektrischen Maschine und umfassen Bürsten in Bürstenhalterungen, welche über Litzen mit Strom versorgt werden. Die Bürsten werden von einer Bürstenfeder radial gegen die Mantelfläche eines mit dem Anker umlaufenden Kollektors gedrückt. Aufgrund des Reibkontaktes mit der Kollektormantelfläche unterliegen die Bürsten einem Verschleiß, der mithilfe einer Verschleißüberwachungsvorrichtung detektiert werden kann.
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Aus der
DE 197 55 232 A1 ist eine Verschleißüberwachungsvorrichtung bekannt, die einen Signalgeber an der Kohlebürste umfasst, welcher beim Erreichen einer vorgegebenen Verschleißgrenze der Bürste gegen einen elektrischen Biegekontakt bewegt wird, der Teil eines Signalstromkreises ist. Daraufhin wird ein Signal ausgelöst, mit dem auf das Erreichen der Verschleißgrenze hingewiesen wird.
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Aus der
DE 10 2013 204 426 A1 ist eine Verschleißüberwachungsvorrichtung bekannt, bei der die aktuelle Position eines mit der Bürste fest verbundenen Stromleiters detektiert wird, wobei aus der Position des Stromleiters auf den Verschleiß der Bürste geschlossen wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Verschleißüberwachungsvorrichtung wird zur Überwachung des Verschleißes einer Bürste einer Stromübertragungseinrichtung in einer elektrischen Maschine eingesetzt. Die Bürste ist in einer Bürstenhalterung verschieblich aufgenommen und wird durch die Kraft eines Federelementes auf die Mantelfläche eines ankerseitigen, stromführenden Bauteils der elektrischen Maschine gedrückt, über das Strom auf eine Ankerwicklung übertragen wird. Die Stromversorgung der Bürste erfolgt über einen Stromleiter, der entweder an eine Stromquelle angeschlossen oder elektrisch auf Masse gelegt ist.
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Bei der Stromübertragungseinrichtung handelt es sich beispielsweise um eine Kommutierungseinrichtung mit einem ankerseitigen Kollektor zur Stromübertragung und -wendung, an dessen zylindrischer Mantelfläche die Bürste anliegt, die von dem Federelement radial gegen die Mantelfläche des Kollektors gedrückt wird. Der Kollektor weist Kollektorlamellen auf, die mit den Ankerwicklungen elektrisch verbunden sind. Derartige Kommutierungseinrichtungen werden bevorzugt bei Gleichstrommotoren verwendet.
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Die Stromübertragungseinrichtung kann auch, gemäß einer alternativen Ausführung, als Schleifringsystem in einer Schleifringläufermaschine ausgebildet sein. Über einen ankerseitigen Schleifring, an dem die Bürste anliegt, wird Strom auf eine Ankerwicklung übertragen. Bei der Schleifringläufermaschine handelt es sich um eine Drehstrom-Asynchronmaschine, die beispielsweise als Generator eingesetzt wird.
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Aufgrund des Reibkontaktes zwischen der Stirnseite der im Bürstenhalter verschieblich aufgenommenen Bürste und dem umlaufenden, ankerseitigen Bauteil ist die Bürste einem permanenten Verschleiß unterworfen. Mithilfe der erfindungsgemäßen Verschleißüberwachungsvorrichtung kann der Verschleiß der Bürste überwacht und insbesondere eine kritische Verschleißgrenze detektiert werden.
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Die Verschleißüberwachungsvorrichtung umfasst ein der Bürste zugeordnetes, stromleitendes Messglied, dessen elektrische Spannung von der Position der Bürste im Bürstenhalter abhängt. Ändert sich die Position der Bürste im Bürstenhalter, so ändert sich auch die elektrische Spannung des stromleitenden Messgliedes, was mithilfe einer elektrischen Messeinrichtung der Verschleißüberwachungsvorrichtung detektiert werden kann.
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Das elektrische Messglied ist mit Abstand zur Bürste angeordnet und bildet gemeinsam mit der Bürste einen elektrischen Kondensator, dessen elektrische Kapazität von der Relativposition der Bürste zum Messglied abhängt. Die Bürste und das Messglied bilden somit jeweils Kondensatorhälften, zwischen denen aufgrund einer Bestromung der Bürste ein elektrisches Feld und damit einhergehend ein Spannungspotenzial im Messglied entsteht, das mithilfe der Messeinrichtung detektiert werden kann.
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Diese Ausführung hat den Vorteil, dass eine berührungslose, kapazitive Messung durchgeführt wird und kein Kontakt zwischen dem Messglied und der Bürste erforderlich ist. Das Messglied liegt auf Abstand zu der Bürste, es besteht kein Kontakt zwischen Messglied und Bürste. Dementsprechend kommt es auch nicht zu einer Verschmutzung oder einer Korrosion des Messgliedes, wodurch die Funktion der Verschleißüberwachungsvorrichtung beeinträchtigt werden könnte.
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Gemäß bevorzugter Ausführung ist das Messglied gehäusefest angeordnet und kann gegenüber dem Gehäuse keine Relativbewegung ausführen. Bei einem Verschleiß ändert sich die Länge der Bürste und damit auch die Relativposition der Bürste gegenüber dem Messglied, wodurch sich die Kapazität des elektrischen Kondensators, bestehend aus Bürste und Messglied, verändert, was zu einer entsprechend veränderten elektrischen Spannung im Messglied führt, die mithilfe der Messeinrichtung ermittelt werden kann.
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Das Messglied ist entweder an einem Gehäusebauteil der Stromübertragungseinrichtung angeordnet oder, gemäß einer bevorzugten Ausführung, in oder an einem Bürstenhalter, in welchem die Bürste verschieblich geführt ist und das vorteilhafterweise auch das Federelement aufnimmt, das die Bürste gegen die Mantelfläche des Kollektors beaufschlagt. Beispielsweise kann das Messglied in die Wandung des Bürstenhalters integriert sein, der aus einem elektrisch nicht-leitenden Material besteht. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass das Messglied sich in unmittelbarer Nähe zur Bürste befindet und sich somit ein signifikantes elektrisches Feld zwischen Messglied und Bürste ausbilden kann, ohne dass die Gefahr eines unmittelbaren, einen Kurzschluss hervorrufenden Kontaktes zwischen dem Messglied und der Bürste besteht.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung weist die Bürste im unverbrauchten Zustand mindestens 50 % der Fläche des Messgliedes auf. Es kann gegebenenfalls zweckmäßig sein, dass die Fläche der Bürste im unverbrauchten Zustand mindestens 90 %, beispielsweise 95 % der zugewandten Fläche des Messgliedes besitzt, bezogen auf die einander zugewandten und sich gegenüberliegenden Seitenflächen von Messglied und Bürste. Im unverbrauchten Ausgangszustand liegen vorteilhafterweise Messglied und Bürste einander gegenüber, um eine verhältnismäßig hohe Kapazität des Kondensators zu erreichen. Dementsprechend weisen Bürste und Messglied einen hohen Überdeckungsgrad im Ausgangszustand der Bürste auf. Während des Verschleißes der Bürste verändert diese ihre Relativposition gegenüber dem Messglied, wodurch der dem Messglied gegenüberliegende Flächenanteil der Bürste sinkt und sich die Kapazität des Kondensators ändert.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung umgreift das Messglied die Bürste teilweise oder vollständig. So kann es zum Beispiel zweckmäßig sein, bei einer Integration des Messgliedes in den Bürstenhalter, der vorzugsweise eine rechteckförmige Querschnittsgeometrie zur Aufnahme der Bürste aufweist, das Messglied in oder an genau einer Seite des Bürstenhalters, an zwei Seiten, an drei Seiten oder an vier Seiten anzuordnen. Bei einer Positionierung an allen vier Seiten umgreift das Messglied die innen liegende Bürste vollständig, wohingegen bei einer Positionierung an zwei oder drei Seiten das Messglied die Bürste nur teilweise umgreift und bei einer Positionierung an nur einer Seite das Messglied der Bürste gegenüberliegt. Zweckmäßigerweise ist das Messglied in die Wandung des Bürstenhalters integriert, so dass ein unmittelbarer Kontakt zwischen der Bürste und dem Messglied verhindert wird.
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Das Messglied ist zum Beispiel als eine Stromplatte ausgebildet, die der Bürste gegenüberliegt und insbesondere parallel zur Bürste angeordnet ist. Bei einem teilweise oder vollständigen Umgreifen sind in die verschiedenen Wandungen des Bürstenhalters jeweils Stromplatten integriert, die untereinander verbunden sind und gemeinsam das Messglied bilden.
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Gemäß noch einer weiteren zweckmäßigen Ausführung weist die Verschleißüberwachungsvorrichtung eine Ansteuerschaltung zur Erzeugung einer Erregerspannung in der Bürste auf. Über die Ansteuerschaltung wird ein Erregerspannungssignal in der Bürste erzeugt, wobei aufgrund der kapazitiven Kopplung der Bürste zum Messglied auch in dem Messglied sich ein entsprechender Spannungsverlauf einstellt, der über die elektrische Messeinrichtung, welche vorteilhafterweise ebenfalls zur Verschleißüberwachungsvorrichtung gehört, ermittelt werden kann. Als Erregerspannungssignal wird beispielsweise eine PWM-förmige Erregerspannung (Pulsweitenmodulation) mit einem rechteckförmigen Spannungsverlauf erzeugt, der sich auch in dem Messglied einstellt.
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Die elektrische Verbindung zwischen dem Messglied und einer als Auswerteelektronik ausgeführten Messeinrichtung erfolgt beispielsweise über ein Stanzgitter. Die Ansteuerschaltung ist beispielsweise als ein Feldregler ausgebildet, der einen Transistor, beispielsweise einen MOSFET umfasst oder eine H-Brücke, wobei über die Ansteuerschaltung ein definiertes Spannungssignal auf die Bürste gegeben wird.
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Die gemessene Spannung im Messglied kann ins Verhältnis zur Betriebsspannung gesetzt werden, mit der die Bürste zur Bestromung der Ankerwicklung beaufschlagt wird.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung wird die Betriebsspannung als Erregerspannung genutzt. Die sich im Messglied einstellende Spannung steht in einem bekannten Verhältnis zu der Betriebsspannung in der Bürste, wobei sich bei einem Verschleiß der Bürste eine Spannungsänderung im Messglied, hervorgerufen durch eine Änderung der Kapazität, einstellt.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
- 1 in schematischer Darstellung eine Bürste in einem Bürstenhalter einer Stromübertragungseinrichtung in einer elektrischen Maschine, dargestellt im unverbrauchten Ausgangszustand und in einem Zustand mit Verschleiß, jeweils mit einem zugeordneten Messglied,
- 2 der Verlauf einer Erregerspannung und der Verlauf der Spannung im Messglied als Antwort auf die Erregerspannung, dargestellt im Ausgangszustand und im Zustand mit Verschleiß der Bürste,
- 3 1 entsprechende Darstellungen der Bürste im Ausgangszustand und mit Verschleiß, jedoch mit drei zugeordneten Messgliedern am Bürstenhalter,
- 4 2 entsprechende Darstellungen der Erregerspannung und der Antwortspannung im ersten Messglied,
- 5 bis 8 im Querschnitt eine Bürste in einem Bürstenhalter mit verschiedenen Ausführungsvarianten eines Messgliedes,
- 9 eine Ansteuerschaltung zur Erzeugung einer Erregerspannung.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist in zwei verschiedenen Verschleißzuständen eine Bürste 1 in einem Bürstenhalter 2 einer Stromübertragungseinrichtung in einer elektrischen Maschine dargestellt. Mithilfe der Stromübertragungseinrichtung werden Ankerwicklungen bestromt. Bei der Stromübertragungseinrichtung handelt es sich beispielsweise um eine Kommutierungseinrichtung mit einem mit dem Anker umlaufenden Kollektor 3, an dessen Mantelfläche die Bürste 1 anliegt. Die Bürste 1 ist in dem Bürstenhalter 2 verschieblich gelagert und wird von einem Federelement 4, das sich am Boden des Bürstenhalters 2 abstützt, gegen die Mantelfläche des Kollektors 3 gedrückt. Durch den Reibkontakt zwischen der Stirnseite der Bürste 1 und der Mantelfläche des Kollektors 3 unterliegt die Bürste einem Verschleiß. In 1 ist im oberen Bild die Bürste im unverbrauchten Ausgangszustand dargestellt, im unteren Bild die Bürste im Verschleißzustand gezeigt, in der die Bürstenlänge gegenüber dem unverbrauchten Zustand reduziert ist. Die Bürste 1 wird über einen Stromleiter 5 bestromt.
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Um den aktuellen Verschleißzustand detektieren zu können und gegebenenfalls bei Erreichen einer Verschleißgrenze ein Warnsignal zu erzeugen, ist die Stromübertragungseinrichtung mit einer Verschleißüberwachungsvorrichtung versehen, die ein stromleitendes Messglied 6 umfasst, das der Bürste 1 zugeordnet ist. Das Messglied 6 ist beispielsweise als Stromleiter oder als stromleitende Platte ausgebildet und mit Abstand zu der Bürste 1, jedoch parallel zu dieser angeordnet. Das Messglied 6 liegt beispielsweise in der Wandung des Bürstenhalters 2. In jedem Fall ist ein unmittelbarer Kontakt zwischen der Bürste 1 und dem Messglied 6 ausgeschlossen.
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Die Bürste 1 und das stromleitende Messglied 6 bilden jeweils Kondensatorhälften und gemeinsam einen elektrischen Kondensator, dessen Kapazität von der Relativposition zwischen Bürste 1 und Messglied 6 abhängt. Das Messglied 6 ist gehäusefest angeordnet, insbesondere fest mit dem Bürstenhalter 2 verbunden, insbesondere in die Wandung des Bürstenhalters 2 integriert. Mit zunehmendem Verschleiß verkürzt sich die Länge der Bürste 1, wodurch sich auch die Relativposition zwischen Bürste 1 und Messglied 6 ändert. Hierdurch stellt sich auch eine sich ändernde Kapazität des Kondensators mit den Kondensatorhälften der Bürste 1 und dem Messglied 6 ein.
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Die Änderung der Kapazität des Kondensators mit Bürste 1 und Messglied 6 kann über das elektrische Spannungspotenzial U1 des Messglieds 6 detektiert werden. Zwischen der Bürste 1 und dem Messglied 6 entsteht ein elektrisches Feld E, das das Spannungspotenzial U1 im Messglied 6 erzeugt. Die Spannung U1 der Bürste 6 kann mithilfe einer elektrischen Messeinrichtung ermittelt werden. Bei einer Änderung der Spannung U1, ausgelöst durch eine Änderung der Kapazität aufgrund einer verschleißbedingten Verkürzung und Positionsänderung der Bürste 1, kann ein Warnsignal erzeugt werden, sobald die Spannung U1 des Messglieds 6 einen Schwellenwert erreicht.
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Das Messglied 6 ist axial mit Abstand zur offenen Stirnseite des Bürstenhalters bzw. zum Kollektor 3 angeordnet. Im unverbrauchten Ausgangszustand der Bürste 1 weist diese eine größere Länge auf als das Messglied 6 und ist dem Messglied 6 in der Weise gegenüberliegend angeordnet, dass die Bürste 1 sich vollständig in Höhe des Messgliedes 6 erstreckt. Im verbrauchten Verschleißzustand gemäß unterem Bild in 1 ist dagegen die Bürste 1 so weit in Richtung des Kollektors 3 aufgrund des Verschleißes verschoben, dass es nur eine Teilüberdeckung zwischen der Bürste 1 und dem Messglied 6 gibt, wodurch eine geringere elektrische Kapazität gegeben ist.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 umfasst die elektrische Messeinrichtung genau ein Messglied 6, das gehäusefest bzw. am Bürstenhalter 2 angeordnet ist.
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In 2 sind Spannungsverläufe U für eine Erregerspannung Uerr (oberes Bild) und eine Messgliedspannung U1 (unteres Bild) zeitabhängig dargestellt. Die Erregerspannung Uerr wird auf die Bürste 1 aufgebracht, beispielsweise mithilfe einer Ansteuerschaltung wie in 9 dargestellt. Die Erregerspannung Uerr ist als rechteckförmiges PWM-Signal (Pulsweitenmodulation) ausgebildet, die zu dem im oberen Schaubild dargestellten Erregerstromverlauf Ierr führt. Aufgrund der kapazitiven Kopplung zwischen Bürste 1, die mit der Erregerspannung Uerr beaufschlagt wird, und dem Messglied 6 stellt sich die Messgliedspannung U1 gemäß dem unteren Schaubild ein. Dargestellt ist im unteren Schaubild die Messgliedspannung U1,A für den unverbrauchten Ausgangszustand der Bürste 1 und die Messgliedspannung U1,B für eine Bürste, die gemäß 1, unteres Bild durch Verschleiß reduziert ist. Im unverbrauchten Ausgangszustand ist die Messgliedspannung U1,A höher als im verbrauchten Zustand gemäß Messgliedspannung U1,B. Dieser Unterschied kann über die Messeinrichtung detektiert werden, wobei das Warnsignal erzeugt wird, sobald die Messgliedspannung unter einen Schwellenwert fällt.
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In 3 ist eine Ausführungsvariante mit mehreren, insbesondere drei übereinander angeordneten, elektrisch leitenden Messgliedern 6 dargestellt, die jeweils mit der Bürste 1 einen Kondensator bilden. Jeder Kondensator, bestehend aus Bürste 1 und einem der Messglieder 6, weist eine bestimmte Kapazität auf, die jedoch von der Relativposition der Bürste 1 im Bürstenhalter 2 und gegenüber jedem Messglied 6 abhängt.
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Dargestellt ist in 4 im oberen Schaubild die Erregerspannung Uerr und der Erregerstrom Ierr, die identisch sind mit der Erregerspannung und dem Erregerstrom gemäß 2. Die Erregerspannung Uerr liegt als rechteckförmiges PWM-Signal vor.
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In 4, unteres Schaubild ist die Messgliedspannung U1 für das erste Messglied dargestellt. Die Spannungen der weiteren Messglieder sind mit U2 und U3 bezeichnet. Wie dem Schaubild zu entnehmen, ist die Messgliedspannung U1,A im unverschleißten Ausgangszustand mit einer hohen Amplitude versehen, wohingegen im verbrauchten Zustand der Bürste 1, in der diese eine verkürzte Länge aufweist, die Messgliedspannung U1,B auf null abfällt. Gemäß 3, unteres Bild ist die Bürste 1 so weit verkürzt, dass keine Überdeckung zum oben liegenden Messglied 6 mehr besteht, so dass entsprechend die elektrische Kapazität auf null absinkt und die Messgliedspannung U1,B ebenfalls bei null liegt. Dieser vollständige Abfall auf null kann festgestellt werden, ebenso für das zweite Messglied mit der Messgliedspannung U2 und das dritte Messglied mit der Messgliedspannung U3. Ein Warnsignal wird beispielsweise erzeugt, sobald die Messgliedspannung U2 oder die Messgliedspannung U3 auf null abfällt.
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In den 5 bis 8 sind verschiedene Ausführungsvarianten für das Messglied 6 dargestellt. Allen Ausführungsvarianten ist gemeinsam, dass das Messglied 6 vollständig in die Wandung des Bürstenhalters 2 integriert ist und es somit keinen Berührkontakt zu der Bürste 1 gibt.
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Gemäß 5 erstreckt sich das Messglied 6 plattenförmig nur an einer Seite des Bürstenhalters 2 und liegt der Bürste 1 gegenüber. In 6 ist das Messglied 6 winkelförmig ausgebildet und liegt an zwei Seiten dem Messglied 1 gegenüber.
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In 7 ist das Messglied 6 U-förmig ausgebildet und liegt an drei Seiten der Bürste 1 gegenüber. In 8 ist das Messglied 6 umlaufend rechteckförmig ausgebildet und umschließt vollständig die Bürste 1, so dass das Messglied 6 allen Seiten der Bürste 1 gegenüberliegt.
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In 9 ist eine Ansteuerschaltung 7 zum Erzeugen einer Erregerspannung Uerr in der Bürste dargestellt. Die Ansteuerschaltung 7 umfasst einen Transistor 8, beispielsweise einen MOSFET, dessen Drain-Anschluss 8a mit der Spannung B+ einer Spannungsquelle 9 verbunden ist, wohingegen der Source-Anschluss 8b des Transistors über eine Bürste mit dem positiven Anschluss F+ einer Läufer- bzw. Ankerwicklung verbunden ist. Der negative Anschluss F- der Ankerwicklung ist über eine weitere Bürste mit der Masse GND verbunden. Parallel zur Ankerwicklung ist in Sperrrichtung eine Freilaufdiode 10 geschaltet. Der Transistor wird mit einem getakteten Signal angesteuert, wobei über das Tastverhältnis dieses Signals sich die Höhe des Erregerstroms bzw. der Erregerspannung einstellen lässt.
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Die Ansteuerschaltung 7 kann gegebenenfalls auch mit einer H-Brücke ausgestattet sein, welche weitere Funktionen im Erregerkreis ermöglicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19755232 A1 [0003]
- DE 102013204426 A1 [0004]
