EP1801938B1 - Bürste für ein Schleifbahn- oder Kommutatorsystem einer elektrischen Maschine mit einer Überwachungsvorrichtung und Verfahren zur Überwachung der Abnützung einer Bürste - Google Patents

Bürste für ein Schleifbahn- oder Kommutatorsystem einer elektrischen Maschine mit einer Überwachungsvorrichtung und Verfahren zur Überwachung der Abnützung einer Bürste Download PDF

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EP1801938B1
EP1801938B1 EP06125064.3A EP06125064A EP1801938B1 EP 1801938 B1 EP1801938 B1 EP 1801938B1 EP 06125064 A EP06125064 A EP 06125064A EP 1801938 B1 EP1801938 B1 EP 1801938B1
Authority
EP
European Patent Office
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brush
impedance
wear
sensor
signal
Prior art date
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Active
Application number
EP06125064.3A
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English (en)
French (fr)
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EP1801938A2 (de
EP1801938A3 (de
Inventor
Anton Paweletz
Robert Schenk
Gunter Meyer
Thomas Peuser
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SEG Automotive Germany GmbH
Original Assignee
SEG Automotive Germany GmbH
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Publication date
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Publication of EP1801938A3 publication Critical patent/EP1801938A3/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R39/00—Rotary current collectors, distributors or interrupters
    • H01R39/02—Details for dynamo electric machines
    • H01R39/58—Means structurally associated with the current collector for indicating condition thereof, e.g. for indicating brush wear

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for monitoring the wear of a brush of the slideway or commutator of an electric machine, as for example from the DE 10257623 A1 has become known.
  • This document shows a diagnostic device for determining the length of slip ring brushes in Schleifbahnan effet füren, or collectors of electrical machines.
  • an inductive sensor is provided for determining the brush length, which is connected to an evaluation unit for evaluating the sensor signals for determining a value corresponding to the brush length.
  • the inductive sensor has one or more coils which comprise the brush as a whole.
  • the monitoring unit also in the form of an inductive displacement sensor, arranged in a separate, bolted to the brush holder housing.
  • a core of the inductive displacement sensor is coupled via a pin-shaped extension and via a further coaxial with the brush arranged connecting element with the brush and along with this longitudinally displaceable.
  • the publication SU 729 708 A1 describes a monitoring device for the wear of a slidably mounted in a brush holder brush an electric machine. In this case, a magnetic measuring section is integrated in a brush body of the brush.
  • the publications SU 756 529 A1 and SU 860 187 A2 describe similar monitoring devices.
  • the document US 4,344,072 A relates to a monitoring device for a wear of a brush of an electric machine.
  • the monitoring device has a first brush which contacts a commutator.
  • a second brush is arranged in the first brush, wherein the second brush is electrically insulated from the first brush by means of an insulating layer
  • the invention has for its object to provide an apparatus and a method for monitoring the wear of a brush of an electric machine, which operate reliable, can be produced at low cost and require little or no additional space in the machine, so that they are in conventional Brush systems can be integrated or exchanged for them. This is achieved by the characterizing features of the parent device and method claims.
  • the base substance of the brush has a significantly different, preferably lower electrical conductivity ⁇ I than the measuring section integrated in the brush.
  • the base substance of the brush consists of an unfilled or of a metal-filled carbon material with an electrical conductivity ⁇ I in the range between about 0.05 and 20 MS / m, while the use in the brush for clear demarcation of the impedance Z measured from the sensor made of metal , preferably made of copper with an electrical conductivity ⁇ 2 of 56 to 57 MS / m.
  • the measuring principle can also be reversed by using a dielectric as the material that is fairly integrated into the brush with a different electrical conductivity ⁇ 2 than the base substance of the brush, so that the impedance Z drops significantly in this measuring range the permissible wear area of the brush.
  • the integrated into the brush section with different electrical conductivity with respect to the ground substance of the brush is electrically insulated and not flowed through by the working current of the brush to prevent the influence of the operating current on the impedance measurement.
  • the connection between the mission and the brush can also be made by gluing, so that with regard to the design of the parts to be joined no or almost no additional effort.
  • a positive connection can be additionally secured by an adhesive connection.
  • a riveted connection between the brush and the insert is advantageous.
  • the impedance sensor is structurally separated from the evaluation unit and integrated as a compact unit directly into the brush holder.
  • the evaluation unit advantageously a signal generator for the supply of the sensor with an AC voltage U can be integrated.
  • Such an arrangement is structurally very variable and can be easily installed without significant additional space in the brush area of the machine.
  • the inventive method for monitoring the wear of a brush of the slideway or Kommutatorsystems an electrical machine is characterized in that a fixedly arranged impedance sensor with an AC voltage U or a signal sequence in the frequency range of 100 kHz to 30 MHz, preferably in a range of 500 kHz is fed to 3MHz.
  • the sensor supplies therefrom a variable impedance signal as a measure of the remaining brush length to an evaluation unit.
  • This method is very reliable with little additional effort and ensures an easily detectable by simple means measuring signal for the wear of the brush, so that conventional difficulties are avoided by an unforeseen brush failure.
  • the brush is turned off by the output of the evaluation of the power supply, as soon as a predetermined signal level is exceeded. This ensures that consequential damage is safely avoided in critical applications.
  • FIG. 1 is denoted by 10 a slip ring or commutator of an electric machine, not shown, which is connected via a brush 12 and a wire 13 to the positive terminal 14 of a DC voltage network.
  • the brush 12 is held longitudinally displaceable in a brush holder 18 to the commutator or slip ring 10 and is pressed by a spring 20 which is centered on an extension 22 of the brush 12 to the slip ring or commutator 10.
  • the negative terminal 16 of the DC voltage network is connected to a further, only schematically drawn brush, which is designed and maintained similar.
  • the monitoring device for the wear of the brush 12 has a contactless sensor device in the form of an impedance sensor 24 with a coil 26 and an E-shaped magnetic core 28, which is arranged directly adjacent to the brush 12 adjacent and the brush has no closed magnetic circuit.
  • the impedance sensor 24 is connected to an evaluation unit 30, which includes an impedance measuring device 32 and a signal generator 34 for feeding the coil 26 with a high-frequency voltage U.
  • the immediately adjacent to the impedance sensor 24, in the brush holder 18 longitudinally guided brush 12 is designed as a two-component component. It consists essentially of an unfilled or partially metal-filled carbon material with an electrical conductivity ⁇ 1 in the range between about 0.05 and 20 MS / m.
  • an insert 38 inserted from a material having a significantly higher electrical conductivity ⁇ 2, for example, a copper insert with a conductivity of 56th up to 57 MS / m. This insert is insulated by a thin insulating layer 40 against the base substance 35 of the brush 12.
  • FIG. 2 schematically shows the size of the frequency-dependent impedance Z detected by the measuring device 32 in the section I at the end of the brush life, in section II for the range of entry 38 into the detection range of the sensor 24 to the full coverage of the measuring range through the insert 38, and in section III the value of the sensor 24 measured
  • Impedance Z of a new brush as long as the section 36, or the insert 38 has no influence on the impedance of the sensor 24.
  • FIGS. 3a and 3b the curves of the voltage supplied by the signal generator 34 U and the signal current I shown, the curve in FIG. 3a Section I for a badly worn brush and the course in FIG. 3b in Section III for a new brush.
  • the difference .DELTA.I corresponds to the advanced wear of the brush.
  • FIGS. 4 and 5 show by way of example two different designs of a two-component brush, each having an insert 38 with respect to the ground substance 35 significantly increased electrical conductivity ⁇ 2.
  • the insert 38 with a suitably shaped portion 42 in a dovetail groove 44 of the brush body inserted.
  • the outer dimensions of the insert 38 made of the material of higher conductivity ⁇ 2 are adapted to the dimensions of the brush, so that it can be accommodated freely in the brush holder 18 without hindrance without structural alteration.
  • FIG. 5 which has an insert 38 connected to the base substance 35 of the brush 12 by a riveting 46. Again, the outer geometry of the brush remains unchanged.
  • the insulation between the insert 38 and the base substance 35 of the brush takes place in each case by a suitable insulating coating of the insert 38, on the representation in the FIGS. 4 and 5 has been omitted.
  • the monitoring device according to the invention or the monitoring method according to the invention thus enable a continuous monitoring of brush wear in electric motors in drive or generator applications, in particular caused by different operating conditions different wear of the brushes can be found in good time before their failure.
  • This applies for example, for use in the automotive sector, where a different operation and / or different environmental conditions, such as pollution, can cause a greatly shortened life of the brushes of electrical machines.
  • a gradual warning is made possible by a visual, audible or other warning signal, which gives the user the time and the opportunity to prevent foreseeable disruptions in good time. This can result in significant follow-up costs Surprising failure of the electrical machine and in particular also caused thereby risks, for example in traffic, timely and certainly avoided.

Landscapes

  • Motor Or Generator Current Collectors (AREA)

Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einer Anordnung zur Überwachung der Abnutzung einer Bürste des Schleifbahn- oder Kommutatorsystems einer elektrischen Maschine, wie sie beispielsweise aus der DE 10257623 A1 bekannt geworden ist. Diese Druckschrift zeigt eine Diagnosevorrichtung zur Ermittlung der Länge von Schleifringbürsten in Schleifbahnanordnungen, beziehungsweise von Kollektoren elektrischer Maschinen. Hierbei ist für die Bestimmung der Bürstenlänge ein induktiver Sensor vorgesehen, welcher mit einer Auswerteeinheit zur Auswertung der Sensorsignale verbunden ist zur Ermittlung eines der Bürstenlänge entsprechenden Wertes. Der induktive Sensor weist eine oder mehrere Spulen auf, welche die Bürste insgesamt umfassen.
  • Alternativ zu diesem induktiven Prinzip sind optische, kapazitive oder elektrische Sensoren genannt, wobei die elektrische Ermittlung der Bürstenlänge durch Widerstandserkennung nicht kontaktlos sondern durch Abtastung erfolgt.
  • Eine weitere bekannte Vorrichtung zur kontaktlosen Überwachung der Bürsten einer elektrischen Maschine ist in der DE 19619733 A beschrieben. Diese Druckschrift offenbart einen Steckbürstenhalter mit einem Gehäuse, in dem eine Bürste gegen eine Federkraft verschiebbar angeordnet und in Kontakt mit einem Schleifring bringbar ist. Der Steckbürstenhalter weist eine Überwachungseinheit auf mit wenigstens einem Sensor, der ab einem vorgegebenen Verschiebeweg der Bürste in Richtung des Schleifrings ein Signal auslöst.
  • Hierbei ist die Überwachungseinheit, ebenfalls in Form eines induktiven Weggebers, in einem separaten, mit dem Bürstenhalter verschraubten Gehäuse angeordnet. Ein Kern des induktiven Weggebers ist über eine stiftförmige Verlängerung und über ein weiteres, koaxial zur Bürste angeordnetes Verbindungselement mit der Bürste gekoppelt und zusammen mit dieser längsverschiebbar. Eine derartige Anordnung ist aufwendig und erfordert zusätzlichen Bauraum innerhalb der Maschine, wodurch deren Abmessungen vergrößert und die Herstellungskosten deutlich erhöht werden.
  • Die Offenlegungsschrift SU 729 708 A1 beschreibt eine Überwachungsvorrichtung für die Abnutzung einer in einem Bürstenhalter verschiebbar gelagerten Bürste einer elektrischen Maschine. Dabei ist in einen Bürstenkörper der Bürste ein magnetischer Messabschnitt integriert. Die Offenlegungsschriften SU 756 529 A1 und SU 860 187 A2 beschreiben ähnliche Überwachungsvorrichtungen. Das Dokument US 4,344,072 A betrifft eine Überwachungsvorrichtung für eine Abnutzung einer Bürste einer elektrischen Maschine. Die Überwachungsvorrichtung weist eine erste Bürste auf, welche einen Kommutator kontaktiert. Dabei ist in der ersten Bürste eine zweite Bürste angeordnet, wobei die zweite Bürste gegenüber der ersten Bürste mittels einer Isolierschicht elektrisch isoliert ist
    • Offenbarung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Überwachung der Abnutzung einer Bürste einer elektrischen Maschine anzugeben, welche betriebssicher arbeiten, mit geringem Kostenaufwand herstellbar sind und keinen oder nur einen geringen zusätzlichen Bauraum in der Maschine erfordern, so dass sie in herkömmliche Bürstensysteme integrierbar oder gegen diese austauschbar sind. Dies wird erreicht durch die kennzeichnenden Merkmale der übergeordneten Vorrichtungs- und Verfahrensansprüche.
  • Zur Erzielung eines deutlich messbaren Impedanzunterschiedes im Messsignal entsprechend dem fortschreitenden Bürstenverschleiß ist es zweckmäßig, wenn die Grundsubstanz der Bürste eine deutlich unterschiedliche, vorzugsweise geringere elektrische Leitfähigkeit γI aufweist als der in die Bürste integrierte Messabschnitt.
  • Zweckmäßigerweise besteht hierbei die Grundsubstanz der Bürste aus einem ungefüllten oder aus einem metallgefüllten Kohlematerial mit einem elektrischen Leitwert γI im Bereich zwischen etwa 0,05 und 20 MS/m, während der Einsatz in der Bürste zur deutlichen Abgrenzung des vom Sensor gemessenen Impedanzwertes Z aus Metall, vorzugsweise aus Kupfer mit einem elektrischen Leitwert γ2 von 56 bis 57 MS/m besteht. Bei der Verwendung gut leitfähiger Bürsten kann das Messprinzip jedoch auch umgekehrt werden, indem als Material fair den in die Bürste integrierten Abschnitt mit abweichender elektrischer Leitfähigkeit γ2 gegenüber der Grundsubstanz der Bürste ein Dielektrikum verwendet wird, so dass die Impedanz Z in diesem Messbereich deutlich abfällt gegenüber dem zulässigen Verschleißbereich der Bürste. Weiterhin ist es bei der Erfindung in Kommutatormotoren vorteilhaft, dass der in die Bürste integrierte Abschnitt mit abweichender elektrischer Leitfähigkeit gegenüber der Grundsubstanz der Bürste elektrisch isoliert und nicht von dem Arbeitsstrom der Bürste durchflossen ist, um den Einfluss des Betriebsstromes auf die Impedanzmessung zu verhindern.
  • Unter fertigungstechnischen Gesichtspunkten kann es vorteilhaft sein, wenn der Abschnitt mit dem von der Grundsubstanz der Bürste abweichenden elektrischen Leitwert getrennt von der Bürste hergestellt und durch eine formschlüssige, vorzugsweise schwalbenschwanzförmige Verbindung nachträglich auf der Bürste montiert wird. Die Verbindung zwischen dem Einsatz
    und der Bürste kann auch durch Kleben hergestellt werden, sodass hinsichtlich der Gestaltung der zu verbindenden Teile kein oder nahezu kein zusätzlicher Aufwand entsteht. Andererseits kann auch eine formschlüssige Verbindung durch eine Klebeverbindung zusätzlich gesichert werden. Bei starken mechanischen Beanspruchungen der Bürste, beispielsweise in Antrieben mit starken Vibrationen, ist eine Nietverbindung zwischen der Bürste und dem Einsatz vorteilhaft. Bei Verwendung geeigneter Materialien für die Grundsubstanz der Bürste und für den Abschnitt mit abweichender elektrischer Leitfähigkeit ist jedoch auch die Herstellung der Bürste in einem Arbeitsgang, vorzugsweise durch gemeinsames Verpressen der unterschiedlichen Materialien möglich.
  • In konstruktiver Hinsicht ist es zweckmäßig, wenn der Impedanzsensor von der Auswerteeinheit baulich getrennt und als kompakte Einheit direkt in den Bürstenhalter integriert ist. In die Auswerteeinheit kann vorteilhafterweise ein Signalgeber für die Speisung des Sensors mit einer Wechselspannung U integriert werden. Eine derartige Anordnung ist konstruktiv sehr variabel und lässt sich leicht ohne nennenswerten zusätzlichen Platzbedarf im Bürstenbereich der Maschine einbauen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Überwachung der Abnutzung einer Bürste des Schleifbahn- oder Kommutatorsystems einer elektrischen Maschine zeichnet sich dadurch aus, dass ein ortsfest angeordneter Impedanzsensor mit einer Wechselspannung U oder einer Signalfolge im Frequenzbereich von 100 kHz bis 30 MHz, vorzugsweise in einem Bereich von 500 kHz bis 3MHz gespeist wird. Entsprechend dem Leitwert γ1,γ2 eines dem Sensor benachbarten Abschnittes der verschiebbaren Bürste liefert der Sensor hieraus ein veränderliches Impedanzsignal als Maß für die verbleibende Bürstenlänge an eine Auswerteeinheit. Dieses Verfahren ist bei geringem zusätzlichem Aufwand sehr betriebssicher und gewährleistet ein mit einfachen Mitteln leicht erfassbares Messsignal für die Abnützung der Bürste, sodass herkömmliche Schwierigkeiten durch einen unvorhergesehenen Bürstenausfall vermieden werden. In einigen Applikationen wird hierbei die Bürste durch das Ausgangssignal der Auswerteeinheit von der Spannungsversorgung abgeschaltet, sobald ein vorgegebener Signalpegel überschritten wird. Hierdurch ist sichergestellt, dass in kritischen Anwendungen Folgeschäden sicher vermieden werden.
  • Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung von Ausführungsbeispielen.
  • Die Zeichnung zeigt
    • in Figur 1 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung, teilweise im Schnitt,
    • in Figur 2 die Veränderung des mit zunehmendem Verschleiß der Bürste gemessenen Impedanzwertes Z,
    • in Figur 3 den Verlauf eines eingespeisten Wechselspannungssignals und den jeweiligen Strom I durch den Impedanzsensor, in der Darstellung 3a bei hohem Impedanzwert Z entsprechend einem hohen elektrischen Leitwert in der Bürste und in der Darstellung 3b bei einem niedrigen Impedanzwert Z entsprechend einem niedrigen elektrischen Leitwert des zum Impedanzsensor benachbarten Bürstenteils,
    • in Figur 4 ein Beispiel für eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Grundkörper einer Bürste und einem Einsatz aus einem Material mit abweichendem elektrischen Leitwert und
    • in Figur 5 ein weiteres Beispiel einer Bürste mit einem durch eine Nietverbindung am Bürstengrundkörper befestigten Einsatz aus einem Material mit abweichendem elektrischem Leitwert.
  • In Figur 1 ist mit 10 ein Schleifring oder Kommutator einer nicht weiter dargestellten elektrischen Maschine bezeichnet, welcher über eine Bürste 12 und eine Litze 13 mit dem Pluspol 14 eines Gleichspannungsnetzes verbunden ist. Die Bürste 12 ist in einem Bürstenhalter 18 zum Kommutator oder Schleifring 10 hin längsverschiebbar gehalten und wird durch eine Feder 20, welche auf einem Fortsatz 22 der Bürste 12 zentriert ist, an den Schleifring oder Kommutator 10 angedrückt. Der Minuspol 16 des Gleichspannungsnetzes ist an eine weitere, nur schematisch eingezeichnete Bürste angeschlossen, welche gleichartig ausgebildet und gehalten ist.
  • Die Überwachungsvorrichtung für die Abnutzung der Bürste 12 weist eine kontaktlose Sensoreinrichtung auf in Form eines Impedanzsensors 24 mit einer Spule 26 und einem E-förmigen Magnetkern 28, welcher ortsfest unmittelbar der Bürste 12 benachbart angeordnet ist und zur Bürste hin keinen geschlossenen Magnetkreis aufweist. Der Impedanzsensor 24 ist mit einer Auswerteeinheit 30 verbunden, welche eine Impedanzmesseinrichtung 32 sowie einen Signalgeber 34 enthält zur Speisung der Spule 26 mit einer hochfrequenten Spannung U. Die dem Impedanzsensor 24 unmittelbar benachbarte, in dem Bürstenhalter 18 längsverschiebbar geführte Bürste 12 ist als Zweikomponentenbauteil ausgeführt. Sie besteht im Wesentlichen aus einem ungefüllten oder teilweise metallgefüllten Kohlematerial mit einer elektrischen Leitfähigkeit γ1 im Bereich zwischen etwa 0,05 und 20 MS/m. Im oberen, von der Kontaktfläche zum Schleifring oder Kommutator 10 abgewandten Abschnitt 36 ist in den dem Impedanzsensor 24 benachbarter Außenbereich der Bürste 12 ein Einsatz 38 eingefügt aus einem Material mit deutlich höherer elektrischer Leitfähigkeit γ2, zum Beispiel ein Einsatz aus Kupfer mit einer Leitfähigkeit von 56 bis 57 MS/m. Dieser Einsatz ist durch eine dünne Isolierschicht 40 gegenüber der Grundsubstanz 35 der Bürste 12 isoliert.
  • Die Vorrichtung arbeitet folgendermaßen:
    • Durch die von dem Signalgeber 34 in die Spule 26 eingespeiste hochfrequente Spannung U werden in der Bürste 12 Wirbelströme erzeugt, deren Höhe von der Leitfähigkeit y des Bürstenmaterials abhängt. Unterschiedliche Wirbelströme in der Bürste beeinflussen die Impedanz Z des Sensors 24, da die Feldlinien der Spule 26 teilweise in der Bürste 12 verlaufen. Diese Tatsache macht sich die erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung, beziehungsweise das erfindungsgemäße Überwachungsverfahren für die Abnutzung der Bürste zunutze. Mit zunehmender Abnutzung der Bürste 12 gelangt der Einsatz 38, beziehungsweise der Abschnitt 36 mit dem Material mit höherer elektrischer Leitfähigkeit γ2 in den Bereich der Feldlinien des Sensors 24. Hierdurch nehmen die von der Spule 26 erzeugten Wirbelströme zu und mit ihnen die Impedanz Z des Sensors 24, welche in der Messeinrichtung 32 der Auswerteeinheit 30 erfasst und als vorzugsweise digitales Signal 48 zum Beispiel an eine nicht dargestellte Diagnoseeinheit ausgegeben wird.
  • Dieser Sachverhalt ist in den Abbildungen der Figuren 2 und 3 näher dargestellt. Figur 2 zeigt schematisch die Größe der durch die Messeinrichtung 32 erfassten frequenzabhängigen Impedanz Z im Abschnitt I am Ende der Bürstenlebensdauer, im Abschnitt II für den Bereich des Eintritts des Einsatzes 38 in den Erfassungsbereich des Sensors 24 bis zur vollständigen Überdeckung des Messbereiches durch den Einsatz 38, und im Abschnitt III den Wert der vom Sensor 24 gemessenen
  • Impedanz Z einer neuwertigen Bürste, solange der Abschnitt 36, beziehungsweise der Einsatz 38 keinen Einfluss auf die Impedanz des Sensors 24 hat.
  • Entsprechend den Kennlinienabschnitten I und III in Figur 2 sind in den Figuren 3a und 3b die Verläufe der vom Signalgeber 34 gelieferten Spannung U und des Signalstromes I dargestellt, wobei der Kurvenverlauf in Figur 3a dem Abschnitt I für eine stark abgenutzte Bürste und der Verlauf in Figur 3b dem Abschnitt III für eine neuwertige Bürste entspricht. Der Unterschied ΔI entspricht jeweils dem fortgeschrittenen Verschleiß der Bürste.
  • Die Figuren 4 und 5 zeigen beispielhaft zwei unterschiedliche Bauformen einer Zweikomponentenbürste, welche jeweils einen Einsatz 38 mit gegenüber der Grundsubstanz 35 deutlich erhöhter elektrischer Leitfähigkeit γ2 aufweisen. Bei der Ausführungsform gemäß Figur 4 ist der Einsatz 38 mit einem passend geformten Abschnitt 42 in eine schwalbenschwanzförmige Nut 44 des Bürstengrundkörpers einschiebbar. Die äußeren Abmessungen des Einsatzes 38 aus dem Material höherer Leitfähigkeit γ2 sind auf die Abmessungen der Bürste abgestimmt, so dass diese ungehindert ohne bauliche Veränderung längsverschiebbar in dem Bürstenhalter 18 aufgenommen werden kann. Entsprechendes gilt für die Figur 5, welche einen durch eine Nietung 46 mit der Grundsubstanz 35 der Bürste 12 verbundenen Einsatz 38 aufweist. Auch hierbei bleibt die äußere Geometrie der Bürste unverändert. Die Isolation zwischen dem Einsatz 38 und der Grundsubstanz 35 der Bürste erfolgt jeweils durch eine geeignete isolierende Beschichtung des Einsatzes 38, auf deren Darstellung in den Figuren 4 und 5 verzichtet worden ist.
  • Die erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung, beziehungsweise das erfindungsgemäße Überwachungsverfahren ermöglichen somit eine dauernde Überwachung des Bürstenverschleißes bei Elektromotoren in Antriebs- oder Generatorapplikationen, wobei insbesondere ein durch unterschiedliche Betriebsbedingungen verursachter unterschiedlicher Verschleiß der Bürsten rechtzeitig vor deren Ausfall festgestellt werden kann. Dies gilt beispielsweise für den Einsatz im Automobilbereich, wo ein unterschiedlicher Betrieb und/oder unterschiedliche Umweltbedingungen, beispielsweise durch Verschmutzung, eine stark verkürzte Lebensdauer der Bürsten von elektrischen Maschinen verursachen können. Insbesondere wird eine gestufte Vorwarnung durch ein optisches, akustisches oder sonstiges Warnsignal ermöglicht, welche dem Benutzer die Zeit und die Möglichkeit gibt, absehbaren Störungen rechtzeitig vorzubeugen. Hierdurch können erhebliche Folgekosten durch einen überraschenden Ausfall der elektrischen Maschine und insbesondere auch hierdurch verursachte Risiken, beispielsweise im Verkehr, rechtzeitig und mit Sicherheit vermieden werden.

Claims (12)

  1. Bürste für ein Schleifbahn- oder Kommutatorsystems einer elektrischen Maschine mit einer Überwachungsvorrichtung für die Abnutzung der Bürste, mit einer kontaktlosen Sensoreinrichtung zur Ermittlung der Bürstenlänge und mit einer Auswerteeinheit (30), welche eine Impedanzmesseinrichtung (32) sowie einen Signalgeber (34) aufweist, wobei die Sensoreinrichtung ein Impedanzsensor (24) ist, der mit der Auswerteeinheit (30) verbunden ist, und wobei der Impedanzsensor (24) einen Magnetkern (28) und eine Spule (26) aufweist und mit dem Signalgeber (34) zur Erzeugung eines Wechselstromes (I) im Impedanzsensor (24) verbunden ist, und wobei der Impedanzsensor (24) ortsfest und benachbart zu der in einem Bürstenhalter (18) verschiebbaren Bürste (12) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Abschnitt (36,38) der Bürste (12) eine elektrische Leitfähigkeit (γ2) aufweist, die sich von der Leitfähigkeit (γ1) der Grundsubstanz (35) der Bürste (12) unterscheidet, und wobei der in die Bürste (12) integrierte Abschnitt (36, 38) mit abweichender elektrischer Leitfähigkeit (γ2) gegenüber der Grundsubstanz (35) der Bürste (12) elektrisch isoliert ist, und wobei eine Änderung der Leitfähigkeit durch den Impedanzsensor (24) erfassbar ist, wobei in der Impedanzmesseinrichtung (32) eine Impedanz (Z) des Impedanzsensors (24) erfassbar und als digitales Signal (48) an eine Diagnoseeinheit ausgebbar ist.
  2. Bürste mit Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundsubstanz (35) der Bürste (12) eine deutlich geringere elektrische Leitfähigkeit (γ1) aufweist als der in die Bürste (12) integrierte Abschnitt (36, 38).
  3. Bürste mit Überwachungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundsubstanz (35) der Bürste (12) aus einem ungefüllten oder einem metallgefüllten Kohlematerial und der Einsatz (38) aus Metall, vorzugsweise aus Kupfer, besteht.
  4. Bürste mit Überwachungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Impedanzsensor (24) in den Bürstenhalter (18) integriert und ortsfest zu diesem und zu dem Schleifbahn- oder Kommutatorsystem angeordnet ist.
  5. Bürste mit Überwachungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt (36,38) mit dem von der Grundsubstanz (35) der Bürste (12) abweichenden elektrischen Leitwert (γ2) im Endbereich der zulässigen Bürstenverschiebung am Umfang der Bürste (12) angeordnet ist.
  6. Bürste mit Überwachungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt (36,38) mit dem von der Grundsubstanz (35) der Bürste (12) abweichenden elektrischen Leitwert (γ2) getrennt hergestellt und durch eine formschlüssige, vorzugsweise schwalbenschwanzförmige Verbindung (42,44) und/oder durch Kleben und/oder durch eine Nietverbindung (46) an der Bürste (12) befestigt ist.
  7. Bürste mit Überwachungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt (36,38) mit dem von der Grundsubstanz (35) der Bürste (12) abweichenden elektrischen Leitwert (γ2) bei der Herstellung der Bürste (12) gemeinsam mit dem Material (γ1) der Grundsubstanz (35) in einem Arbeitsgang zur fertigen Bürste (12) geformt, vorzugsweise verpresst wird.
  8. Verfahren zur Überwachung der Abnützung einer Bürste des Schleifbahn- oder Kommutatorsystems einer elektrischen Maschine, wobei eine kontaktlose Sensoreinrichtung ein dem Bürstenverschleiß entsprechendes Signal an eine Auswerteeinheit liefert, dadurch gekennzeichnet, dass ein ortsfest angeordneter Impedanzsensor (24) von einem Signalgeber (34) ein Signal (U,I) erhält und entsprechend dem Leitwert (γ1, γ2) eines dem Sensor (24) benachbarten Abschnittes (36,38) der verschiebbaren Bürste (12) ein veränderliches Impedanzsignal (Z) als Maß für den Verschleiß der Bürste (12) und/oder für die verbleibende Bürstenlänge an die Auswerteeinheit (30) liefert, wobei durch eine Messeinrichtung (32) in der Auswerteeinheit (30) eine Impedanz (Z) des Impedanzsensors (24) erfasst und als digitales Signal (48) an eine Diagnoseeinheit ausgegeben wird, und wobei ein in die Bürste (12) integrierter Abschnitt (36,38) mit abweichender elektrischer Leitfähigkeit gegenüber einer Grundsubstanz (35) der Bürste (12) elektrisch isoliert und nicht von einem Arbeitsstrom der Bürste (12) durchflossen wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bürste (12) durch das Ausgangssignal (48) der Auswerteeinheit (30) von der Spannungsversorgung (14,16) abgeschaltet wird, sobald ein vorgegebener Schwellwert des Impedanzsignals (Z) überschritten wird
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachung des Bürstenverschleißes entsprechend der Verschiebung der Bürste (12) gegenüber dem Bürstenhalter (18) dauernd erfolgt.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Impedanzsensor (24) ein gestuftes und/oder kontinuierlich veränderliches Messsignal (Z) als Maß für den Bürstenverschleiß an die Auswerteeinheit (30) liefert.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (30) des Impedanzsensors (24) ein vorzugsweise digitales Signal (48) als Steuersignal an eine Diagnoseeinheit und/oder an ein Anzeigeinstrument eines Kraftfahrzeuges liefert.
EP06125064.3A 2005-12-22 2006-11-30 Bürste für ein Schleifbahn- oder Kommutatorsystem einer elektrischen Maschine mit einer Überwachungsvorrichtung und Verfahren zur Überwachung der Abnützung einer Bürste Active EP1801938B1 (de)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102005061412A DE102005061412A1 (de) 2005-12-22 2005-12-22 Vorrichtung und Verfahren zur Überwachung der Abnutzung einer Bürste

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