DE3603740C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Über­ wachung des Zustandes von elektrischen Maschinen, und ins­ besondere von Kommutatormaschinen, mit Bürsten, Schleif­ ringen, Gleitkontakten etc. gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei elektrischen Kommutatormaschinen, beispielsweise Elek­ tromotoren oder Generatoren kann beispielsweise durch die Abnutzung der Bürsten erhöhtes Bürstenfeuer hervorgerufen werden, durch das beispielsweise der Kommutator bleibend geschädigt wird. Der Kommutator bzw. Kollektor ist in der Regel das empfindlichste Teil einer elektrischen Maschine, so daß es selbst bei weniger teuren elektrischen Maschinen lohnenswert ist, eine Einrichtung zur Überwachung des Zu­ standes der Maschine und insbesondere zur Überwachung des Kollektors bzw. des Bürstenfeuers vorzusehen. Gerade bei Scheibenläufer-Motoren, wie sie beispielsweise in hochdy­ namischen Antrieben von Industrierobotern verwendet wer­ den, kann zu starkes Bürstenfeuer zum Totalausfall der Ma­ schine führen, da die Läufer derartiger Motoren nur eine geringe Wärmekapazität haben und die Läufer teilweise über eine Wicklung und einen Kollektor verfügen, die in gedruckter Technik ausgeführt sind.

Es sind in der Vergangenheit die verschiedensten Methoden vorgeschlagen worden, den Zustand von elektrischen Maschi­ nen und insbesondere der Bürsten zu überwachen. Bei­ spielsweise werden sogenannte "Meldebürsten" (Meldekohlen) verwendet, die den Verschleiß der Bürsten an Überwachungs­ schaltungen melden. Hierzu wird beispielsweise auf die DE- PS 5 60 232 verwiesen.

Nun ist der Verschleiß von Bürsten alleine noch kein hin­ reichendes Stillsetzkriterium, da zu starkes Bürstenfeuer nicht nur durch Bürstenverschleiß, sondern auch durch eine Reihe anderer Fehler hervorgerufen werden kann:

Beispielsweise können ein zu niedriger Anpreßdruck der Bürsten, ein unrunder Kommutator- bzw. Kollektorlauf in­ folge Verschleiß etc., eine Verschmutzung oder Oxidation des Kommutators, eine Verstellung der Bürsten, eine Unter­ brechung an den Kommutatorlamellen, eine falsche Maschi­ nenbelastung und/oder eine fehlerhafte Stromversorgung die Ursache für zu starkes Bürstenfeuer sein.

Es sind deshalb Überwachungseinrichtungen der im Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1 vorausgesetzten Art beispiels­ weise in der DE-AS 19 00 150 oder der DE-OS 24 30 294 vor­ geschlagen worden. Bei diesen bekannten Überwachungsein­ richtungen ist ein Hochfrequenzübertrager parallel zu einer Hilfswicklung und der Kollektormaschine geschaltet. Diese bekannten Überwachungseinrichtungen haben den Nach­ teil, daß in den Hochfrequenzübertrager auch symmetrische Betriebsstromanteile induziert werden. Zudem verfälscht die Hilfswicklung gerade das beim Bürstenfeuer auftretende "unsymmetrische Frequenzspektrum" von Störungen. Damit sind die bekannten Einrichtungen nicht in der Lage, ver­ gleichsweise kleine Störungen, die durch Bürstenfeuer im Anfangsstadium der Bürstenabnutzung verursacht werden, festzustellen.

Es ist deshalb in der DE-OS 24 49 935 vorgeschlagen wor­ den, das Bürstenfeuer mittels eines opto-elektronischen Wandlers zu überwachen. Es ist jedoch schwierig, opto- elektronische Wandler in elektrischen Maschinen mit Gleit­ kontakten derart anzuordnen, daß sie zuverlässig die In­ tensität des Bürstenfeuers erfassen. Zudem verschmutzen opto-elektronische Wandler insbesondere unter rauhen Be­ dingungen schnell. Durch die hierdurch hervorgerufenen Funktionsstörungen ist es nicht mehr möglich, zu starkes Bürstenfeuer zuverlässig zu erfassen.

Gemäß einem weiteren Vorschlag wird deshalb die Temperatur des Kommutators (Kollektors) überwacht, um thermische Überbeanspruchungen zu erfassen. Die Erfassung thermischer Überbeanspruchungen ist jedoch nur eine Erfassung von Wir­ kungen, nicht jedoch der Ursache. Hinzu kommt, daß infol­ ge der Masse des Kommutators Temperaturerhöhungen nur ver­ zögert infolge von Bürstenfeuer auftreten. Deshalb kann bereits eine gewisse Schädigung des Kommutators eingetre­ ten sein, bevor eine thermische Überbeanspruchung erfaßt und die Maschine stillgesetzt wird.

Zudem ist es schwierig, einen Temperaturfühler im Kommuta­ tor unterzubringen und dessen Signale zu einer Steuer- bzw. Meldeeinrichtung zu führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrich­ tung zur Überwachung des Zustandes von elektrischen Ma­ schinen mit Bürsten, Schleifringen etc. (Gleitkontakten) der eingangs genannten Art anzugeben, mit der nicht nur zu starkes Bürstenfeuer, sondern auch geringes Bürstenfeuer aufgrund beginnender Abnutzung sofort erkannt werden kann. Hierbei soll die Meß- und Auswerteeinrichtung verbessert und vereinfacht werden.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale im Anspruch 1 gelöst.

Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Die Auswertung der in die Sekundärspule induzierten Span­ nung, die die Spannungsmeßeinrichtung zur Erfassung des Zustandes der Maschine auswertet, ist dadurch besonders einfach, daß zwei Primärspulen des Hochfrequenz-übertra­ gers derart in die Zuleitungen geschaltet sind, daß Ände­ rungen des Betriebsstroms der Maschine keine Spannungen induzieren. Es ist nämlich erkannt worden, daß Hochfrequenzstörungen, die beispielsweise durch Bür­ stenverschleiß oder zu niedrigen Anpreßdruck der Bürsten hervorgerufen werden, "unsymmetrische Störungen" sind. Durch diese spezielle Schaltung der Primärspulen wird erreicht, daß lediglich unsymmetrische in den Zuleitungen fließende Ströme, die - wie erkannt worden ist - durch Bürstenfeuer hervorgerufen werden, eine Span­ nung induzieren, so daß es nicht erforderlich ist, die auf eine Fehlfunktion bzw. einen schlechten Zustand der Ma­ schine hinweisende induzierte Spannung von der Spannung zu trennen, die durch den normalen Betriebsstrom induziert wird. Diese induzierten Spannungen und Ströme sind auf­ grund der Tatsache unsymmetrisch, daß die durch Bürsten­ feuer an einem Bürstenpaar hervorgerufenen Störsignale hinsichtlich Amplitude, Frequenz und Phase ungleich sind.

In jedem Falle ist es besonders vorteilhaft, wenn gemäß Anspruch 2 eine Spitzengleichrichterschaltung vorgesehen wird. Bei geringer Funkenbildung am Kommutator ist die Ausgangsspannung dieser Schaltung niedrig, sie steigt je­ doch schnell mit zunehmender Funkenbildung. Je nach Ma­ schinengröße und Bauart des Hochfrequenzübertragers lassen sich damit gut meßbare Spannungen im mV bis V-Bereich er­ zielen.

Verschiedene Möglichkeiten, die induzierten Spannungen auszuwerten, sind in den Ansprüchen 3 und 4 gekennzeich­ net. Im Anspruch 3 sind verschiedene Möglichkeiten angege­ ben, den zeitlichen Verlauf der induzierten Spannungen auszuwerten und aus speziellen charakteristischen Erschei­ nungen auf den Zustand der elektrischen Maschine zu schließen, die überwacht werden soll.

Natürlich ist es auch möglich, gemäß Anspruch 4 in einfa­ cher Weise die elektrische Maschine dann stillzusetzen, wenn die induzierte Spannung einen bestimmten Wert über­ schreitet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungs­ beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher be­ schrieben, in der zeigt

Fig. 1 den Schaltplan einer Überwachungseinrichtung beim Einbau in eine Reihenschlußmaschine in vereinfachter Form,

Fig. 2 den Aufbau eines verwendeten Hochfrequenz­ übertragers,

Fig. 3 die erfindungsgemäße Schaltung, und

Fig. 4 eine Modifikation der in Fig. 1 dargestellten Schaltung.

Fig. 1 zeigt eine Überwachungseinrichtung für eine Reihen­ schlußmaschine in vereinfachter Form. Die Reihenschlußma­ schine weist in bekannter Weise Bürsten 1 und 2, einen Läufer mit Kollektor bzw. Kommutator 3 sowie eine in zwei symmetrische Hälften 4 und 5 aufgeteilte Feldwicklung auf. Bei sich drehendem Läufer 3 entstehen infolge der Funkenbildung am Übergang der Bürste 1 sowie der Bürste 2 zum Kollektor des Läufers 3 Stromschwankungen, die ein sehr breites Frequenzspektrum bedecken. Diese Übergänge sind demnach Quellen eines "Störspektrums". Von diesen Quellen werden die daran angeschlossenen Drahtverbindungen und Teile der Wicklungen 4 und 5, Teile der Wicklung im Läufer 3 mit ihren Streukapazitäten zu parasitären Schwin­ gungen angeregt. Frequenz, Phasenlage und Amplitude dieser Schwingungen sind für die Bürsten 1 und 2 nicht gleich, da immer Unsymmetrien im Maschinen- und Wicklungsaufbau vor­ handen sind.

Zur Auskoppelung dieser dem Maschinen-Betriebsstrom über­ lagerten Hochfrequenzschwingungen ist ein Hochfrequenz­ übertrager 13 vorgesehen, dessen Aufbau im anhand der Fig. 1 und 2 erläutert wird:

Der Hochfrequenzübertrager 13 weist zwei Primärwicklungen bzw. -spulen 6 und 7 mit gleichen Windungszahlen auf, de­ ren Wicklungssinn durch Punkte angedeutet ist. Diese Spu­ len 6 und 7 sind in die Verbindungsleitungen des Wick­ lungsteils 4 und der Bürste 1 bzw. der Bürste 2 und des Wicklungsteils 5 geschaltet. Der Hochfrequenzübertrager 13 weist ferner auf dem gleichen Kern 12 eine Meßwicklung bzw. eine Sekundärwicklung 8 auf, die mit einer Spritzen­ gleichrichterschaltung 14 verbunden ist. Die Spitzen­ gleichrichterschaltung 14 weist eine Diode 9, einen Kon­ densator 10 sowie einen Belastungswiderstand 11 auf. Mit den Ausgangsklemmen 15 und 16 der Spitzengleichrichter­ schaltung 14 ist eine nichtdargestellte Auswerte- und Steuerschaltung für die elektrische Maschine, die über­ wacht werden soll, verbunden.

Die vorstehend beschriebene Überwachungseinrichtung ar­ beitet wie folgt:

Aufgrund des Aufbaus der Primärspulen 6 und 7 wird die durch den Betriebsstrom der elektrischen Maschine hervor­ gerufene Magnetisierung des Kerns 12 aufgehoben, so daß niederfrequente Schwankungen des Betriebsstroms keine Spannung in die Meßwicklung 8 induzieren können. Lediglich die hochfrequenten, durch Bürstenfeuer hervorgerufenen Ströme, die - wie vorstehend dargestellt - zwangsläufig eine gewisse Unsymmetrie aufweisen, induzieren über die Wicklungen 6 und 7 in die Sekundärwicklung 8 des Übertra­ gers 13 eine hochfrequente Spannung. Diese wird mit der Diode 9 gleichgerichtet, mit dem Kondensator 10 geglättet und mit dem Widerstand 11 geringfügig belastet. Diese geringfügige Belastung verhindert ein zu schnelles Aufla­ den der Spitzengleichrichterschaltung 14 und damit Fehl­ messungen bei einigen wenigen Funken, die an Schleifkon­ takten immer auftreten können. Vorteilhaft sind Zeitkon­ stanten des R-C-Gliedes im Sekundenbereich. Der belasteten Spitzengleichrichterschaltung 14 kann an den Klemmen 15 und 16 eine Auswerte- und Steuerschaltung nachgeschaltet werden, die beispielsweise bei Überschreiten einer be­ stimmten Spannung an den Klemmen 15 und 16 die elektrische Maschine abschaltet.

Durch die dargestellte Spitzengleichrichterschaltung 14 wird erreicht, daß bei geringer Funkenbildung am Kollektor bzw. Kommutator die Ausgangsspannung der Schaltung 14 nie­ drig ist, die Ausgangsspannung jedoch schnell mit zuneh­ mender Funkenbildung ansteigt. Je nach Maschinengröße und Bauart des Übertragers sind Ausgangsspannungen im mV- bis V-Bereich erzielbar.

Da der Hochfrequenzübertrager Spannungen bzw. Ströme im Frequenzbereich von einigen 10 kHz bis 100 MHz und mehr übertragen soll, wird er vorteilhafterweise als Breitband­ übertrager mit Paralleldrahtwicklungen und Ferrit- oder Eisenpulver-Ringkern ausgebildet. Ein Beispiel für einen derartigen Breitbandübertrager zeigt Fig. 2. Der Ringkern 12 trägt eine Trifilarwicklung. Die Wicklungsanfänge der Wicklungen 6 und 7 sind mit Punkten gekennzeichnet. Bei der Meßwicklung 8 ist es gleichgültig, welcher Anschluß zur Diode 9 in Fig. 1 geführt wird.

Abhängig vom Kernmaterial und den Windungszahlen können bestimmte Frequenzbereiche bevorzugt übertragen werden. Ein frequenzselektives Verhalten ist von Vorteil, da die erfindungsgemäße Einrichtung nicht nur zur Bereitstellung eines Abschaltsignals, sondern auch zu einer Fehlerdiagno­ se der Maschine herangezogen werden soll. Bestimmte Ma­ schinenfehler, wie beispielsweise unrunder Kollektor, nicht richtig aufliegende Bürste etc. erzeugen Störsigna­ le, deren Maxima in unterschiedlichen Frequenzbereichen liegen.

Fig. 3 zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel, bei dem zwei Hochfrequenzübertrager 13 ₁ und 13 ₂ verwendet werden. Dabei werden für gleiche Elemente gleiche Bezugs­ zeichen wie in Fig. 1 verwendet, so daß auf eine erneute Vorstellung verzichtet werden kann. Bei der in Fig. 3 dargestellten Schaltung sind - abhängig von dem Aufbau der Übertrager - verschiedene Frequenzbereiche abdeckbar. Der Übertrager 6 bzw. 7, der den Bürsten am nächsten ist, soll den höchsten Frequenzbereich übertragen können, während der Übertrager 61 bzw. 71 für niedrigere Frequenzen ausge­ legt ist. Damit ist in Abhängigkeit von den Ausgangssigna­ len der Spitzengleichrichterschaltungen 14 und 141 bei­ spielsweise eine Unterscheidung zwischen verschiedenen Maschinenfehlern möglich.

Fig. 4 zeigt eine Modifikation des in Fig. 1 dargestell­ ten Ausführungsbeispiels, bei dem der Hochfrequenzüber­ trager nicht zwischen die Feldwicklungen 4 und 5 und die Bürsten 1 und 2, sondern in die Maschinenzuleitungen ein­ geschleift ist, da auch auf diesen Zuleitungen noch Stör­ spannungen ausreichender Höhe vorhanden sind. Eine derar­ tige Schaltung eignet sich insbesondere zum vorübergehen­ den Anbau der erfindungsgemäßen Einrichtung an elektri­ sche Maschinen, um in einfacher Weise beispielsweise den Zustand der Bürsten überprüfen zu können.

Auch bei diesem Ausführungsbeispiel sind gleiche Bauele­ mente mit gleichen Bezugszeichen versehen, so daß auf eine erneute Vorstellung verzichtet werden kann.

Zur Analyse der die Hochfrequenzstörung verursachenden Ma­ schinenfehler kann nicht nur die einfache in Fig. 3 darge­ stellte Schaltung verwendet werden, für Prüfzwecke ist selbstverständlich auch die Verwendung eines Spektrum-Ana­ lysators möglich.

Auch ist die dargestellte Überwachungseinrichtung nicht auf die Verwendung mit Reihenschlußmaschinen beschränkt. Selbstverständlich sind auf gleiche Art auch andere Ma­ schinen mit Gleitkontakten, beispielsweise Nebenschluß­ maschinen überprüfbar.

Claims (6)

1. Überwachungseinrichtung für mit Bürsten oder Gleitkon­ takten und mit Schleifringen oder Kommutatoren versehenen elektrischen Maschinen, die folgende Merkmale umfaßt:

• - Hochfrequenzübertrager, und
• - Spannungsmeßeinrichtungen, die die Größe der in den Se­ kundärwicklungen induzierten Spannungen auswertet,

dadurch gekennzeichnet, daß zwei Hochfrequenzübertrager (13 ₁, 13 ₂) mit ihren Primärwicklungen (6, 7; 61, 71) in Reihe in die Leitungen zu den Bürsten (1, 2) oder Gleitkontakten geschaltet sind, daß der Hochfrequenzübertrager (13 ₁, 13 ₂) zwei Primärwicklungen (6, 7; 61, 71) auf­ weist, zwischen denen die elektrische Maschine (1-5) mit den Bürsten (1, 2) oder Gleitkontakten angeordnet ist und die derart in die Leitungen geschaltet sind, daß nur unsymmetrische Betriebsstromanteile Spannungen in den Sekundärwicklungen (8, 81) der Hochfrequenzübertrager (13 ₁, 13 ₂) induzieren, und daß der mit den Primärwicklungen (6, 7) am nächsten zu den Bürsten (1, 2) oder den Gleitkontakten angeordnete Hochfrequenz­ übertrager (13 ₁) für einen höheren Frequenzbereich ausgelegt ist als der zweite Hochfrequenzübertrager (13 ₂).

2. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsmeßeinrichtung eine Spitzengleichrichterschaltung (14, 14 ₁) mit definierter Entladungszeitkonstante aufweist.

3. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsmeßeinrichtung Schaltungen aufweist, die Extremwerte der induzierten Störspannungen erfassen, die induzierten Störspannungen über den Frequenzbereich integrieren und/oder eine Mittel­ wertbildung ausführen.

4. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsmeßeinrichtung eine Schaltung aufweist, die die elektrische Maschine (1-5) ab­ schaltet, wenn die induzierte Spannung einen bestimmten Grenzwert überschreitet.

5. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzübertrager (13 ₁, 13 ₂) in Art einer Trifilarwicklung aufgebaut sind.