EP3533115A1 - VERSCHLEIßÜBERWACHUNGSVORRICHTUNG EINER BÜRSTE EINER STROMÜBERTRAGUNGSEINRICHTUNG IN EINER ELEKTRISCHEN MASCHINE - Google Patents

VERSCHLEIßÜBERWACHUNGSVORRICHTUNG EINER BÜRSTE EINER STROMÜBERTRAGUNGSEINRICHTUNG IN EINER ELEKTRISCHEN MASCHINE

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Publication number
EP3533115A1
EP3533115A1 EP17800716.7A EP17800716A EP3533115A1 EP 3533115 A1 EP3533115 A1 EP 3533115A1 EP 17800716 A EP17800716 A EP 17800716A EP 3533115 A1 EP3533115 A1 EP 3533115A1
Authority
EP
European Patent Office
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brush
measuring element
monitoring device
wear
wear monitoring
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17800716.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Istvan DEAK
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.)
Robert Bosch GmbH
SEG Automotive Germany GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
SEG Automotive Germany GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH, SEG Automotive Germany GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3533115A1 publication Critical patent/EP3533115A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/34—Testing dynamo-electric machines
    • G—PHYSICS
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    • G01R31/50—Testing of electric apparatus, lines, cables or components for short-circuits, continuity, leakage current or incorrect line connections
    • G01R31/66—Testing of connections, e.g. of plugs or non-disconnectable joints
    • H—ELECTRICITY
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    • 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
    • H01R39/08—Slip-rings
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/20—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for measuring, monitoring, testing, protecting or switching
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K23/00—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors
    • H02K23/66—Structural association with auxiliary electric devices influencing the characteristic of, or controlling, the machine, e.g. with impedances or switches
    • G—PHYSICS
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
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    • G01R31/343—Testing dynamo-electric machines in operation
    • H—ELECTRICITY
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    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R13/00—Details of coupling devices of the kinds covered by groups H01R12/70 or H01R24/00 - H01R33/00
    • H01R13/66—Structural association with built-in electrical component
    • H01R13/6608—Structural association with built-in electrical component with built-in single component
    • H01R13/6625—Structural association with built-in electrical component with built-in single component with capacitive component

Definitions

  • the invention relates to a wear monitoring device of a brush of a power transmission device in an electric machine according to the preamble of claim 1.
  • Power transmission devices such as commutation devices in electrical machines are used to transmit power to the armature of the electric machine and include brushes in brush holders, which are supplied with power via strands.
  • the brushes are from a
  • Wear monitoring device can be detected.
  • a wear monitoring device which comprises a signal generator on the carbon brush, which upon reaching a predetermined wear limit of the brush against an electric
  • Bending contact is moved, which is part of a signal circuit. This will trigger a signal indicating that the wear limit has been reached
  • a wear monitoring device in which the current position of a permanently connected to the brush Conductor is detected, being closed from the position of the conductor on the wear of the brush.
  • the wear monitoring device according to the invention is for
  • the brush is in one
  • Brush holder slidably received and is due to the force of a spring element on the lateral surface of an armature-side, current-carrying
  • Armature winding is transmitted.
  • the power supply of the brush via a conductor, which is either connected to a power source or electrically grounded.
  • the current transmission device is, for example, a commutation device with an armature-side collector for
  • Armature windings are electrically connected.
  • Commutation devices are preferably used in DC motors.
  • the power transmission device can also, according to an alternative
  • Execution be designed as a slip ring system in a slip ring rotor machine.
  • Current is transferred to an armature winding via an armature-side slip ring against which the brush rests.
  • the slip ring rotor machine is a three-phase asynchronous machine which is used, for example, as a generator.
  • the brush Due to the frictional contact between the end face of the brush holder slidably received in the brush holder and the circumferential, armature-side component, the brush is subjected to permanent wear.
  • the wear monitoring device the wear can monitored the brush and in particular a critical wear limit can be detected.
  • the wear monitoring device comprises a current-conducting measuring element assigned to the brush, whose electrical voltage depends on the position of the brush in the brush holder. The position of the brush changes in the
  • Brush holder so also changes the electrical voltage of the current-conducting measuring element, which by means of an electrical measuring device of the
  • Wear monitoring device can be detected.
  • the electrical measuring element is arranged at a distance from the brush and together with the brush forms an electrical capacitor whose electrical capacitance depends on the relative position of the brush to the measuring element.
  • the brush and the measuring element thus each form capacitor halves, between which an electric field is produced due to an energization of the brush and, consequently, a voltage potential in the measuring element which can be detected by means of the measuring device.
  • This embodiment has the advantage that a non-contact, capacitive measurement is performed and no contact between the measuring element and the brush is required.
  • the measuring element is at a distance to the brush, there is no contact between the measuring element and the brush. Accordingly, there is also no contamination or corrosion of the measuring element, whereby the function of the wear monitoring device could be impaired.
  • the measuring element is fixed to the housing and can not perform any relative movement with respect to the housing.
  • the length of the brush and thus also the relative position of the brush relative to the measuring element changes, which changes the capacitance of the electrical capacitor, consisting of brush and measuring element, which leads to a correspondingly changed electrical voltage in the measuring element Measuring device can be determined.
  • the measuring element is either on a housing component of
  • the measuring element may be integrated in the wall of the brush holder, which consists of an electrically non-conductive material. This embodiment has the advantage that the measuring element is in the immediate vicinity of the brush and thus can form a significant electric field between the measuring element and the brush, without the risk of an immediate, a short circuit
  • Unused condition at least 50% of the surface of the measuring element on. It may be appropriate if the surface of the brush in the
  • the facing surface of the measuring member has, based on the mutually facing and opposite side surfaces of measuring member and brush.
  • the measuring element and the brush are advantageously located opposite one another in order to achieve a comparatively high capacitance of the capacitor. Accordingly, the brush and measuring element have a high degree of coverage in the initial state of the brush. During the wear of the brush, this changes its relative position relative to the measuring element, whereby the surface portion of the brush opposite the measuring element decreases and the capacitance of the capacitor changes.
  • the measuring member surrounds the brush partially or completely.
  • the measuring element may be expedient, for example, to integrate the measuring element into the brush holder, which preferably has a rectangular cross-sectional geometry for receiving the brush, the measuring element in or on exactly one side of the brush holder, on two sides, on three sides or on four sides to arrange.
  • the measuring element When positioned on all four sides of the measuring member surrounds the inner brush completely, whereas when positioned on two or three sides of the measuring member surrounds the brush only partially and when positioned on one side only the measuring member of the brush.
  • the measuring element is in the Wall of the brush holder integrated, so that a direct contact between the brush and the measuring member is prevented.
  • the measuring element is designed, for example, as a current plate, which lies opposite the brush and in particular is arranged parallel to the brush.
  • each current plates are integrated, which are interconnected and together form the measuring element.
  • Wear monitoring device on a drive circuit for generating an excitation voltage in the brush. Via the drive circuit, an exciter voltage signal is generated in the brush, wherein due to the capacitive coupling of the brush to the measuring element also in the measuring element a
  • Wear monitoring device heard can be determined.
  • Exciter voltage signal for example, a PWM-shaped
  • the drive circuit is designed, for example, as a field regulator, which comprises a transistor, for example a MOSFET or an H-bridge, wherein via the drive circuit a defined
  • Voltage signal is applied to the brush.
  • the measured voltage in the measuring element can be compared to
  • Operating voltage can be set, with which the brush is energized for energizing the armature winding.
  • the operating voltage is used as excitation voltage.
  • the adjusting in the measuring element voltage is in a known ratio to the operating voltage in the brush, wherein when a wear of the brush, a voltage change in the measuring element, caused by a change in capacity, sets.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a brush in a brush holder of a power transmission device in an electrical machine, shown in the unconsumed initial state and in a state of wear, each with an associated measuring element,
  • Fig. 2 shows the course of an excitation voltage and the course of the voltage in the measuring element in response to the excitation voltage, shown in FIG
  • FIG. 9 shows a drive circuit for generating an excitation voltage.
  • Fig. 1 is in two different states of wear, a brush 1 in a brush holder 2 of a power transmission device in an electrical
  • the current transmission device is, for example, a commutation device with one with the armature circulating collector 3, on the lateral surface of the brush 1 is applied.
  • the brush 1 is slidably mounted in the brush holder 2 and is of a
  • the brush 1 is energized via a current conductor 5.
  • Power transmission device provided with a wear monitoring device comprising a current-conducting measuring element 6, which is associated with the brush 1.
  • the measuring element 6 is formed for example as a current conductor or as an electrically conductive plate and spaced from the brush 1, but arranged parallel to this.
  • the measuring element 6 lies, for example, in the wall of the brush holder 2. In any case, direct contact between the brush 1 and the measuring element 6 is excluded.
  • the brush 1 and the current-conducting measuring element 6 each form
  • the measuring element 6 is fixed to the housing, in particular fixed to the
  • Brush holder 2 connected, in particular integrated in the wall of the brush holder 2.
  • the length of the brush 1 is shortened, as a result of which the relative position between the brush 1 and the measuring member 6 also changes.
  • a changing capacitance of the capacitor with the capacitor halves of the brush 1 and the measuring element 6 is established.
  • the change in the capacitance of the capacitor with brush 1 and measuring element 6 can be detected via the electrical voltage potential Ui of the measuring element 6. Between the brush 1 and the measuring element 6, an electric field E is generated, which generates the voltage potential Ui in the measuring element 6.
  • the voltage Ui of the brush 6 can be determined by means of an electrical measuring device. Upon a change in the voltage Ui, triggered by a change in capacitance due to a wear-related shortening and change in position of the brush 1, a warning signal can be generated as soon as the voltage Ui of the measuring element 6 reaches a threshold value.
  • the measuring element 6 is arranged axially at a distance from the open end side of the brush holder or to the collector 3. In the unconsumed initial state of the brush 1, this has a greater length than the measuring element 6 and is arranged opposite the measuring element 6 in such a way that the brush 1 extends completely in the height of the measuring element 6. Im consumed
  • the electrical measuring device comprises precisely one measuring element 6, which is fixed to the housing or arranged on the brush holder 2.
  • voltage curves U for a field voltage U er r (upper picture) and a measuring element voltage Ui (lower picture) are shown in a time-dependent manner.
  • the excitation voltage U er r is applied to the brush 1, for example by means of a drive circuit as shown in Fig. 9.
  • the exciter voltage U er r is formed as a rectangular PWM signal (pulse width modulation), which leads to the exciting current waveform I err shown in the upper graph.
  • the measuring element voltage Ui adjusts according to the lower diagram. Shown in the lower diagram is the measuring element voltage UI, A for the unconsumed initial state of the brush 1 and the measuring element voltage Ui. ⁇ for a brush, which according to FIG. 1, lower image is reduced by wear. In the unconsumed initial state, the sensor voltage UI, A is higher than in the used state according to
  • Transducer voltage UI, B This difference can be detected via the measuring device, wherein the warning signal is generated as soon as the
  • Transducer voltage drops below a threshold.
  • Fig. 3 a variant with a plurality, in particular three superposed, electrically conductive measuring members 6 is shown, each forming a condenser with the brush 1.
  • Each capacitor, consisting of brush 1 and one of the measuring elements 6, has a certain capacity, which, however, depends on the relative position of the brush 1 in the brush holder 2 and opposite each measuring element 6.
  • Excitation current as shown in FIG. 2.
  • the excitation voltage U er r is present as a rectangular PWM signal.
  • the voltages of the other measuring elements are designated U2 and U3.
  • the measuring element voltage Ui.A is provided with a high amplitude in the uncut initial state, whereas in the worn state of the brush 1, in which it has a shortened length, the measuring element voltage UI, B drops to zero.
  • the lower image, the brush 1 is shortened so far that there is no longer any overlap to the upper measuring element 6, so that, correspondingly, the electrical capacitance drops to zero and the measuring element voltage UI, B also lies at zero.
  • This complete drop to zero can be ascertained, as well as for the second measuring element with the measuring element voltage U2 and the third measuring element with the measuring element voltage U3.
  • a warning signal is generated, for example, as soon as the measuring element voltage I 1 or the measuring element voltage U 3 drops to zero.
  • FIGS. 5 to 8 show different embodiments of the measuring element 6. All embodiments have in common that the measuring element 6 is completely integrated into the wall of the brush holder 2 and thus there is no contact with the brush 1 contact.
  • the measuring element 6 extends in the form of a plate only on one side of the brush holder 2 and faces the brush 1.
  • the measuring member 6 is formed angularly and is opposite to the measuring member 1 on two sides.
  • the measuring member 6 is U-shaped and is located on three sides of the brush 1 opposite.
  • the measuring member 6 is circumferentially rectangular in shape and completely surrounds the brush 1, so that the measuring member 6 is opposite to all sides of the brush 1.
  • a drive circuit 7 for generating an excitation voltage U err is shown in the brush.
  • the drive circuit 7 comprises a transistor 8, for example a MOSFET whose drain terminal 8a is connected to the voltage B + of a voltage source 9, whereas the source terminal 8b of the transistor via a brush with the positive terminal F + a Läuferer standing. Armature winding is connected.
  • the negative terminal F- of the armature winding is connected via another brush to the ground GND.
  • Armature winding is connected in the reverse direction of a freewheeling diode 10.
  • Transistor is driven by a clocked signal, via the
  • the drive circuit 7 can also be equipped with an H-bridge, which enables further functions in the exciter circuit.

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Abstract

Eine Verschleißüberwachungsvorrichtung einer Bürste einer Stromübertragungseinrichtung in einer elektrischen Maschine umfasst ein Messglied, das mit Abstand zur Bürste angeordnet ist und gemeinsam mit der Bürste einen elektrischen Kondensator bildet, dessen Kapazität von der Relativposition der Bürste zum Messglied abhängt.

Description

Beschreibung
Titel
Verschleißüberwachungsvorrichtung einer Bürste einer
Stromübertragungseinrichtung in einer elektrischen Maschine
Die Erfindung bezieht sich auf eine Verschleißüberwachungsvorrichtung einer Bürste einer Stromübertragungseinrichtung in einer elektrischen Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Stand der Technik
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.
Aus der DE 197 55 232 AI 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.
Aus der DE 10 2013 204 426 AI 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.
Offenbarung der Erfindung
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.
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. 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die gemessene Spannung im Messglied kann ins Verhältnis zur
Betriebsspannung gesetzt werden, mit der die Bürste zur Bestromung der Ankerwicklung beaufschlagt wird.
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.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
Fig. 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,
Fig. 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,
Fig. 3 Fig. 1 entsprechende Darstellungen der Bürste im Ausgangszustand und mit Verschleiß, jedoch mit drei zugeordneten Messgliedern am Bürstenhalter,
Fig. 4 Fig. 2 entsprechende Darstellungen der Erregerspannung und der
Antwortspannung im ersten Messglied,
Fig. 5 bis 8
im Querschnitt eine Bürste in einem Bürstenhalter mit verschiedenen Ausführungsvarianten eines Messgliedes,
Fig. 9 eine Ansteuerschaltung zur Erzeugung einer Erregerspannung.
In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In Fig. 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 Fig. 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.
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.
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.
Die Änderung der Kapazität des Kondensators mit Bürste 1 und Messglied 6 kann über das elektrische Spannungspotenzial Ui des Messglieds 6 detektiert werden. Zwischen der Bürste 1 und dem Messglied 6 entsteht ein elektrisches Feld E, das das Spannungspotenzial Ui im Messglied 6 erzeugt. Die Spannung Ui der Bürste 6 kann mithilfe einer elektrischen Messeinrichtung ermittelt werden. Bei einer Änderung der Spannung Ui, ausgelöst durch eine Änderung der Kapazität aufgrund einer verschleißbedingten Verkürzung und Positionsänderung der Bürste 1, kann ein Warnsignal erzeugt werden, sobald die Spannung Ui des Messglieds 6 einen Schwellenwert erreicht.
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 Fig. 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.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 umfasst die elektrische Messeinrichtung genau ein Messglied 6, das gehäusefest bzw. am Bürstenhalter 2 angeordnet ist. In Fig. 2 sind Spannungsverläufe U für eine Erregerspannung Uerr (oberes Bild) und eine Messgliedspannung Ui (unteres Bild) zeitabhängig dargestellt. Die Erregerspannung Uerr Wird auf die Bürste 1 aufgebracht, beispielsweise mithilfe einer Ansteuerschaltung wie in Fig. 9 dargestellt. Die Erregerspannung Uerr ist als rechteckförmiges PWM-Signal (Pulsweitenmodulation) ausgebildet, die zu dem im oberen Schaubild dargestellten Erregerstromverlauf lerr führt. Aufgrund der kapazitiven Kopplung zwischen Bürste 1, die mit der Erregerspannung Uerr beaufschlagt wird, und dem Messglied 6 stellt sich die Messgliedspannung Ui gemäß dem unteren Schaubild ein. Dargestellt ist im unteren Schaubild die Messgliedspannung UI,A für den unverbrauchten Ausgangszustand der Bürste 1 und die Messgliedspannung Ui.ß für eine Bürste, die gemäß Fig. 1, unteres Bild durch Verschleiß reduziert ist. Im unverbrauchten Ausgangszustand ist die Messgliedspannung UI,A höher als im verbrauchten Zustand gemäß
Messgliedspannung UI,B. Dieser Unterschied kann über die Messeinrichtung detektiert werden, wobei das Warnsignal erzeugt wird, sobald die
Messgliedspannung unter einen Schwellenwert fällt. In Fig. 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.
Dargestellt ist in Fig. 4 im oberen Schaubild die Erregerspannung Uerr und der Erregerstrom \e„, die identisch sind mit der Erregerspannung und dem
Erregerstrom gemäß Fig. 2. Die Erregerspannung Uerr liegt als rechteckförmiges PWM-Signal vor.
In Fig. 4, unteres Schaubild ist die Messgliedspannung Ui für das erste
Messglied dargestellt. Die Spannungen der weiteren Messglieder sind mit U2 und U3 bezeichnet. Wie dem Schaubild zu entnehmen, ist die Messgliedspannung Ui.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 UI,B auf null abfällt. Gemäß Fig. 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 UI,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 l^ oder die Messgliedspannung U3 auf null abfällt.
In den Fig. 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.
Gemäß Fig. 5 erstreckt sich das Messglied 6 plattenförmig nur an einer Seite des Bürstenhalters 2 und liegt der Bürste 1 gegenüber. In Fig. 6 ist das Messglied 6 winkelförmig ausgebildet und liegt an zwei Seiten dem Messglied 1 gegenüber. In Fig. 7 ist das Messglied 6 U-förmig ausgebildet und liegt an drei Seiten der Bürste 1 gegenüber. In Fig. 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.
In Fig. 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 Läuferbzw. 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.
Die Ansteuerschaltung 7 kann gegebenenfalls auch mit einer H-Brücke ausgestattet sein, welche weitere Funktionen im Erregerkreis ermöglicht.

Claims

Ansprüche
1 . Verschleißüberwachungsvorrichtung einer Bürste (1 ) einer
Stromübertragungseinrichtung in einer elektrischen Maschine, bei der der Verschleiß der Bürste (1 ) in Abhängigkeit der Position der Bürste (1 ) in einem Bürstenhalter (2) ermittelbar ist, mit einem der Bürste(1 )
zugeordneten, stromleitenden Messglied (6), dessen elektrische Spannung von der Position der Bürste (1 ) im Bürstenhalter (2) abhängt, dadurch gekennzeichnet, dass das Messglied (6) mit Abstand zur Bürste (1 ) angeordnet ist und gemeinsam mit der Bürste (1 ) einen elektrischen
Kondensator bildet, dessen elektrische Kapazität von der Relativposition der Bürste (1 ) zum Messglied (6) abhängt.
2. Verschleißüberwachungsvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch
gekennzeichnet, dass das Messglied (6) in oder an einem Bürstenhalter (2) fest angeordnet ist, in welchem die Bürste (1 ) verschieblich geführt ist.
3. Verschleißüberwachungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, dass das Messglied (6) in die Wandung des Bürstenhalters (2) integriert ist.
4. Verschleißüberwachungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Messglied (6) die Bürste (1 ) teilweise oder vollständig umgreift.
5. Verschleißüberwachungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Messglied (6) als Stromplatte ausgebildet ist, die der Bürste (1 ) gegenüberliegend, insbesondere parallel
gegenüberliegend angeordnet ist.
6. Verschleißüberwachungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im unverbrauchten Zustand die Bürste (1 ) mindestens 50 %, insbesondere mindestens 90 % der Fläche des
Messglieds (6) aufweist.
7. Verschleißüberwachungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromübertragungseinrichtung als Kommutierungseinrichtung ausgebildet ist.
8. Verschleißüberwachungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromübertragungseinrichtung als Schleifringsystem in einer Schleifringläufermaschine ausgebildet ist.
9. Verschleißüberwachungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einer Ansteuerschaltung (7) zur Erzeugung einer Erregerspannung in der Bürste (1 ).
10. Verfahren zum Betrieb einer Verschleißüberwachungsvorrichtung nach Anspruch 9, bei dem in der Ansteuerschaltung (7) eine PWM-förmige Erregerspannung erzeugt wird.
1 1 . Stromübertragungseinrichtung mit einer Verschleißüberwachungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
12. Elektrische Maschine mit einer Stromübertragungseinrichtung nach
Anspruch 1 1 .
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