DE10257623B4

DE10257623B4 - Vorrichtung zur Ermittlung der Länge von Bürsten in Schleifbahnanordnungen bzw. Kollektoren

Info

Publication number: DE10257623B4
Application number: DE10257623A
Authority: DE
Inventors: Harry Schilling; Nils Krumme; Christian Schraudolph; Georg Lohr
Original assignee: Schleifring und Apparatebau GmbH
Current assignee: Schleifring und Apparatebau GmbH
Priority date: 2002-12-09
Filing date: 2002-12-09
Publication date: 2008-07-24
Anticipated expiration: 2022-12-10
Also published as: DE10257623A1

Abstract

Vorrichtung zur Ermittlung der Länge von Bürsten (5) in Schleifbahnanordnungen (29) bzw. Kollektoren mit einem induktiven Sensor zur Ermittlung der Bürstenlänge, wobei der induktive Sensor ein Wirbelstromsensor mit wenigstens einer Spule (21, 22) ist, wobei die wenigstens eine Bürste (5) in die wenigstens eine Spule (21, 22) eintaucht bzw. die Spule (21, 22) um die wenigstens eine Bürste (5) angeordnet ist und weiterhin der induktive Sensor mit einer Auswerteeinheit zur Auswertung der Sensorsignale zur Ermittlung eines der Bürstenlänge entsprechenden Wertes verbindbar ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung der Länge von Bürsten in Schleifbahnanordnungen bzw. Kollektoren.
Stand der Technik
Bei Schleifkontakten, insbesondere bei Bürsten von Schleifringen bzw. Kollektoren ist es wichtig, sicherzustellen, dass die Bürste noch hinreichend viel Kohlematerial aufweist. Abgeriebene Bürsten können zu Kontaktunterbrechungen oder auch zur Zerstörung von Schleifbahnen führen. Wird beispielsweise bei Schleifringen die Bürste so weit abgerieben, dass kein sicherer Kontakt mehr gewährleistet ist, so entstehen durch die Kontaktunterbrechungen Funken, welche zu einem erhöhten Verschleiß von Bürste und Schleifbahn führen. Somit kann auch nur bei kurzer Betriebsdauer mit verschlissenen Bürsten ein wesentlich höherer Verschleiß der Schleifbahn auftreten, als während der restlichen Lebensdauer der Bürste. Dieser Fall ist bei Kommutatoren von Elektromotoren weniger kritisch, da hier ohnehin permanent Funken auftreten und der Motor bei zu großen Übergangswiderstand zum Stillstand kommt.
Um einen fortgeschrittenen Verschleiß von Kohlebürsten zu erkennen, gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher Lösungen.
So sind beispielsweise mechanische Schalter, welche die Position des Bürstenendes erkennen aus der DE 199 32 024 A1 und der DE 196 49 212 A1 bekannt. In der US 4 918 348 A ist eine Kontaktanordnung beschrieben, bei der die Andruckfeder einen Kontaktteil darstellt. Diese Vorrichtungen mit mechanischen Kontakten zeichnen sich dadurch aus, dass sie relativ preiswert und einfach herstellbar sind. Allerdings sind Sie nicht besonders robust, da hier aufgrund der Anforderungen an die Baugröße nur relativ kleine und damit filigrane Kontakte verwendet werden können. Damit besteht die Gefahr, dass diese Kontakte insbesondere beim Auswechseln der Kohlebürsten mechanisch beschädigt werden und eine abgeriebene Bürste nicht mehr sicher anzeigen. Weiterhin können diese Kontakte durch Kohlestaub beziehungsweise anderes Abriebmaterial verschmutzt und damit in ihrer elektrischen bzw. mechanischen Funktion gestört werden.
Weitere Lösungen beschäftigen sich mit relativ komplexen mechanischen Vorrichtungen, welche im Falle eines fortgeschrittenen Kontaktabriebs einen Schaltkontakt betätigen. Derartige Vorrichtungen sind beispielsweise in der DE 82 11 804 U1 , der DE 198 32 617 A1 oder auch in der DE 89 13 117 U1 offenbart. Diese Vorrichtungen zeichnen sich gegenüber dem zuvor genannten Vorrichtungen dadurch aus, dass sie mechanisch wesentlich robuster sind und damit insbesondere beim Austausch der Bürsten nur schwer beschädigt werden können. Weiterhin ist das elektrische Kontaktsystem von der mechanischen Betätigungseinrichtung getrennt. Damit reduziert sich die Gefahr einer Funktionsstörung durch Abriebpartikel wesentlich. Allerdings sind diese Lösungen aufgrund der hohen Komplexität sehr teuer und in der Bauform groß. Daher eignet sich diese Vorzugsweise für große elektrische Maschinen, nicht aber für moderne Schleifringsysteme, welche meist in einen äußerst beengten Einbauraum zu integrieren sind.
Eine Verbesserung gegenüber diesen bieten elektrische Systeme, wie sie beispielsweise in der DE 84 33 023 U1 , der US 5 509 625 A und in der US 5 870 026 A beschrieben sind. Hierbei ist ein Leiter isoliert in der Bürste angebracht. Bei fortgeschrittenem Abrieb der Bürste wird die Isolation des Leiters abgerieben und der Leiter selbst kommt in Kontakt mit der Schleifbahn. Die nun geschlossene elektrische Verbindung zwischen dem Leiter und der Schleifbahn kann zur Anzeige eines bestimmten Abriebszustandes herangezogen werden. Diese Systeme zeichnen sich durch relativ einfache mechanische Gestaltung aus, allerdings ermöglichen Sie keine Potentialtrennung.
Eine weitere Verbesserung stellen kontaktlose optische Systeme wie in der US 4 761 594 A dar. Hiermit kann eine bestimmte Position der Bürstenrückseite erkannt werden. Durch die optische Abtastung ergibt sich eine Potenzialtrennung.
Alle die bisher beschriebenen Vorrichtungen sind ausschließlich zur Erkennung eines bestimmten Abriebszustandes der Bürste ausgelegt. Somit erfüllen diese Vorrichtungen primär eine Sicherheitsfunktion. Nach Auslösung der Anzeige müssen kurzfristig die Bürsten ausgetauscht werden. Dies führt zu einem Wartungsvorgang mit Ausfallzeiten und entsprechenden Kosten. Um dies zu vermeiden, können die Bürsten in bestimmten Intervallen ausgetauscht werden. Damit ist eine zusätzliche Wartung nur im Ausnahmefall notwendig. Bei modernen Anlagen ist es aber wünschenswert, eine genauere Anzeige der aktuellen Betriebszustände zur Verfügung zu haben, um Wartungsintervalle flexibel planen zu können. Hierzu ist eine kontinuierliche Anzeige des Abriebszustandes erforderlich.
Eine solche kontinuierliche Anzeige ist beispielsweise in der US 6 359 690 B1 offenbart. Darin wird die Abriebslänge mittels eines Interferometers gemessen. Eine solche Vorrichtung ist allerdings für die Praxis nicht relevant, da alleine die Kosten eines optischen Interferometers den Kostenrahmen eines Schleifringsystems wesentlich übersteigen. Da alleine schon die Überwachung einer einzigen Bürste zu teuer wäre, ist es indiskutabel, mehrere oder sogar alle Bürsten eines Schleifringsystems gleichzeitig zu überwachen. Weiterhin wird dieses System auf dem Stand der Technik entsprechenden Schleifbahnen nicht funktionieren, da diese im Sub-mm Bereich Schwankungen und eine meist gezielt hergestellte Rauhtiefe aufweisen, welche aufgrund der steilen geometrischen Flanken und der hohen Bewegungsgeschwindigkeit von Schleifbahnen extreme Anforderungen an die Auflösung und Bandbreite des Interferometers stellen.
Ergänzungsseite zur Beschreibung – einzufügen am Ende der ursprünglichen Seite 4 vor der Darstellung der Erfindung:
In der dem Erfindungsgegenstand nächstkommenden DE 196 19 733 A1 ist ein Steckbürstenhalter mit Überwachung der Bürste offenbart, hierbei werden in allgemeiner Weise bekannte induktive kapazitive oder optoelektronische Weggeber eingesetzt. Wie derartige Weggeber einzusetzen sind, wird ausschließlich im Falle induktiver Weggeber näher erläutert. So wird ein zylinderförmiger induktiver Weggeber mittels eines Verbindungselements an die Bürste mechanisch angekoppelt. Weiterhin sorgt eine zusätzliche Feder für einen konstanten Druck des Gebers an die Bürste. Eine solche Anordnung hat den Nachteil, dass der Weggeber mit der Bürste mechanisch fest verkoppelt ist. Durch den zusätzlichen Anker des Weggebers erhöht sich die Masse des dynamisch bewegten Systems aus Bürste, Feder und Anker gegenüber der bisher notwendigen dynamischen Masse aus Bürste und Feder typischerweise um ein Vielfaches der Bürstenmasse. Dadurch werden die dynamischen Eigenschaften der Bürsten gerade bei schnell bewegten Systemen wesentlich verschlechtert. So ist es gerade bei schnell drehenden Schleifringsystemen notwendig, die Bürstenmasse zu reduzieren, um ein schnelles Ansprechen auf Höhenänderungen der Schleifbahn gegenüber der Bürste zu gewährleisten.
In der DE 82 26 352 U1 ist eine Vorrichtung zur Erkennung eines bestimmten Abriebzustandes einer Bürste offenbart, bei welcher ein elektrischer Kontakt zwischen einer am Ende der Bürste aufliegenden Kontaktplatte und einem Stift im Köcher der Bürste erfolgt. Diese Vorrichtung ist jedoch aufwändig und benötigt zusätzliche Kontaktmittel. Weiterhin wird durch die Kontaktplatte am Bürstenende die Masse des bewegten Bürstensystems erhöht, so dass sich bei hohen Drehzahlen des Schleifrings die dynamischen Eigenschaften wesentlich verschlechtern.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Ermittlung des Abriebszustandes von Bürsten für Schleifbahnen vorzustellen, welche die zuvor genannten Nachteile nicht aufweist und eine Auflösung unterschiedlicher Abriebszustände bei gleichzeitig niedrigen Herstellungskosten und hoher Robustheit ermöglicht.
Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im unabhängigen Patentanspruch angegeben.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen induktiven Sensor zu Ermittlung der Bürstenlänge. Dieser Sensor ist mit einer Auswerteeinheit zu Ermittlung eines der Bürstenlänge entsprechenden Wertes verbunden. Dieser Sensor umfasst eine Induktivität, welche in der Nähe der Bürsten angeordnet ist. Vorteilhafterweise ist eine Sensorspule um die Bürste angeordnet. Hierdurch lässt sich ein besonders großes Messsignal erzielen. Entsprechend der noch verbliebenen Länge der Bürste taucht diese mehr oder weniger in die Spule ein bzw. ist mehr oder weniger von dieser entfernt. Hierdurch ändern sich die elektrischen Eigenschaften der Spule. Diese können durch eine entsprechende Auswerteeinheit ausgewertet werden. Da zwischen der Spule und der Bürste kein Kontakt notwendig ist, lässt sich mit dieser Messeinrichtung auch eine Potenzialtrennung erreichen.
Der Sensor ist als Wirbelstromsensor ausgebildet. Entsprechend der Annäherung der Bürste zur Spule treten unterschiedliche Wirbelstromverluste in der Bürste auf. Diese können durch eine Auswerteschaltung ermittelt werden.
Der Sensor weist wenigstens eine Spule auf, die um die Bürste angeordnet ist. Hierdurch lässt sich eine besonders gute Verkoppelung und damit ein besonders hohes Messsignal erreichen. Vorzugsweise werden Induktivität bzw. Verlustfaktor der Spule ausgewertet. Dieses erfolgt vorzugsweise mit Hilfe einer Wechselspannung.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der induktive Sensor mehrere Spulen um die Bürste auf. Zur Messung wird die Verkoppelung der Spulen untereinander mittels der Bürste ermittelt.
Durch die Messung der Bürstenhöhe kann auch eine einfache Anzeige der exakten Justage bzw. Ausrichtung von Bürstenblöcken mit einer Vielzahl von Bürsten erfolgen. So kann beispielsweise bei einem großen Bürstenblock an jedem Ende eine Bürste mit Längenmessung vorgesehen sein. Bei der Montage bzw. Justage des Bürstenblocks können die Messwerte oder Grenzwerte angezeigt werden. Damit kann der Bürstenblock exakt parallel zur Bahn justiert werden. Somit ergeben sich gleichmäßige Anpresskräfte und eine höhere Lebensdauer.
Weiterhin kann entsprechend den Messwerten der Bürstenabriebsmessung eine Nachstellung einzelner Bürsten oder eines ganzen Bürstenblockes mit einer Vielzahl von Bürsten erfolgen. Damit ist der Federweg und folglich auch der Anpressdruck einzelner Bürsten immer konstant. Die Verstellung kann beispielsweise durch verschieben zweier keilförmiger Teile gegeneinander oder durch einen an zwei parallelen Balken aufgehängten Bürstenblock erfolgen. Der Antrieb zur Verstellung erfolgt hier vorteilhafterweise mittels einer Spindel. Hier sind keine hohen Verstellgeschwindigkeiten notwendig, aber eine Beibehaltung der Position ohne Speisung eines Antriebsmotors ist vorteilhaft.
Weiterhin kann mittels einer Auswerteeinheit eine Auswertung der Sensorsignale erfolgen. Als Ergebnis dieser Auswertung kann beispielsweise die noch verbleibende Betriebsdauer bzw. Weglänge bei Schleifbahnen oder auch Anzahl von Umdrehungen im Falle von Schleifringen ausgegeben werden. Ebenso kann auch die relative Abnutzung der Bürsten angezeigt werden.
Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben.
1 zeigt in allgemeiner Form schematisch eine induktive Messeinrichtung.
2 zeigt eine induktive Messeinrichtung mit einseitiger Anordnung der Spulen.
3 zeigt eine induktive Messeinrichtung mit beidseitige Anordnung von Spulen.
4 zeigt eine Positioniereinrichtung mittels gegeneinander verschiebbarer Teile.
5 zeigt eine Positioniereinrichtung mittels zweier an drehbar gelagerten Balken aufgehängten Teilen
1 zeigt in schematischer Form eine induktiver Messeinrichtung. Die Bürste (5) wird mittels einer Feder (13) an die Schleifbahn (29) angedrückt. Zur Steuerung der magnetischen Felder ist ein Schirm (23) aus magnetisch leitfähigem Material, wie beispielsweise Ferrit vorgesehen. Die Verkoppelung zwischen den Spulen wird nun durch die Eintauchtiefe der Bürste in der Anordnung bestimmt.
2 zeigt in schematischer Form eine andere induktive Messeinrichtung mit einseitiger Anordnung der Spulen.
3 zeigt eine induktiver Messeinrichtung mit beidseitiger Anordnung der Spulen zur Differenzmessung.
4 zeigt eine Verstelleinrichtung mit zwei keilförmigen Flächen zur Justage des Bürstenabstands zur Schleifbahn. Eine erste keilförmige Fläche (7) ist als Trägerplatte ausgebildet, auf der ein Bürstenblock mit keilförmiger Rückseite verschiebbar ist. Durch eine horizontale Verschiebung, welche mit den Pfeilen angedeutet ist, lässt sich eine Variation erreichen.
5 zeigt eine weitere Verstelleinrichtung, bei der der Bürstenblock mittels zweier an ihren Enden drehbar gelagerter Balken gegenüber der Trägerplatte (7) verschiebbar angeordnet ist.

5: Bürste
7: Trägerplatte für Bürstenblock
8: Bürstenblock
9: Balken
13: Feder
20: Führungshülse für Bürste
21: erste Spule
22: zweite Spule
23: Ferritmaterial
29: Schleifbahn

Claims

Vorrichtung zur Ermittlung der Länge von Bürsten (5) in Schleifbahnanordnungen (29) bzw. Kollektoren mit einem induktiven Sensor zur Ermittlung der Bürstenlänge, wobei der induktive Sensor ein Wirbelstromsensor mit wenigstens einer Spule (21, 22) ist, wobei die wenigstens eine Bürste (5) in die wenigstens eine Spule (21, 22) eintaucht bzw. die Spule (21, 22) um die wenigstens eine Bürste (5) angeordnet ist und weiterhin der induktive Sensor mit einer Auswerteeinheit zur Auswertung der Sensorsignale zur Ermittlung eines der Bürstenlänge entsprechenden Wertes verbindbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der induktive Sensor eine Spule (21, 22) um die Bürste (5) aufweist, welche in ihren Eigenschaften wie Induktivität bzw. Verlustfaktor durch die Bürste (5) beeinflusst wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der induktive Sensor mehrere Spulen (21, 22) um die Bürste (5) aufweist, deren Verkoppelung untereinander durch die Bürste (5) beeinflusst wird.