JP5047321B2 - 集電ブラシの摩耗検出装置および摩耗検出方法 - Google Patents

Description

この発明は、発電機や電動機の集電ブラシの磨耗状態を検出する集電ブラシの摩耗検出装置および摩耗検出方法に関する。

例えば、発電機には、回転子に通電するための集電ブラシが配設されており、このブラシは、回転子のスリップリング（集電リング）を磨耗させないように、黒鉛などの柔らかい材料で構成されている。そして、スリップリングに押し付けられるようにして接触しているため、時間の経過とともにブラシが磨耗していく（例えば、特許文献１参照。）。このような磨耗が進行すると、例えば、複数のブラシが配設されている場合、接触面積によって流れる電流が異なるため、接触面積が小さいブラシに電流が集中し、異常発熱などの不具合を招くおそれがある。このため、ブラシの供給メーカから磨耗限界が定められており、この限界まで磨耗した場合には、ブラシを交換する必要があり、発電機を運用するユーザは、定期的にブラシの磨耗量を監視、確認しなければならない。

特開平０９−１４００９９号公報

ところで、従来、ブラシの磨耗量の監視、確認は、人が目視によって定期的に行っていた。すなわち、作業者等が定期的に発電機を巡視し、ブラシを取り外して、ブラシにマーキングされている限界溝から、ブラシの磨耗面（スリップリングとの接触面）までの長さを定規などで測定していた。このように、定期的にブラシを取り外して磨耗量を測定しなければならないため、時間と労力とを要し、殊に、発電機が多軸などで多くのブラシを有する場合には、多大な時間と労力とを要していた。また、作業者等が目視で監視、確認するため、個人差、測定誤差などが生じるおそれがあった。

そこでこの発明は、容易かつ正確に、集電ブラシの磨耗状態を検出、監視することが可能な集電ブラシの摩耗検出装置および摩耗検出方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、回転するスリップリングに押圧されて磨耗していく集電ブラシの磨耗状態を検出する集電ブラシの摩耗検出装置であって、前記集電ブラシの磨耗に追従して屈曲するように配設された光ファイバと、前記光ファイバの一端部から検出光を入力する発光手段と、前記光ファイバの他端部から前記検出光を受光する受光手段と、前記受光手段で受光した検出光の減衰量に基づいて、前記光ファイバの屈曲率を算出して前記集電ブラシの磨耗状態を演算する演算手段と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、集電ブラシが磨耗すると、この磨耗に追従して光ファイバが屈曲する。この状態で、発光手段によって光ファイバの一端部から検出光が入力されると、光ファイバの他端部から出力された検出光が受光手段によって受光される。そして、受光手段で受光した検出光の減衰量に基づいて、演算手段によって、光ファイバの屈曲率が算出され、集電ブラシの磨耗状態が演算される。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の摩耗検出装置において、前記演算手段で演算された磨耗状態を外部に送信する送信手段を備える、ことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の摩耗検出装置において、複数の前記集電ブラシのそれぞれの磨耗に対して追従して屈曲するように、ひとつの光ファイバが配設されている、ことを特徴とする。

この発明によれば、各集電ブラシが磨耗すると、それぞれの磨耗に追従してひとつの光ファイバが屈曲し、演算手段によって、検出光の減衰量に基づく集電ブラシの磨耗状態が演算される。

請求項４に記載の発明は、回回転するスリップリングに押圧されて磨耗していく集電ブラシの磨耗状態を検出する集電ブラシの摩耗検出方法であって、前記集電ブラシの磨耗に追従して屈曲するように光ファイバを配設し、前記光ファイバの一端部から検出光を入力し、前記検出光の減衰量に基づいて、前記光ファイバの屈曲率を算出して前記集電ブラシの磨耗状態を演算する、ことを特徴とする。

請求項１および４に記載の発明によれば、光ファイバを通過する検出光の減衰量に基づいて、集電ブラシの磨耗状態を演算する。このため、集電ブラシを取り外する必要がなく、容易に集電ブラシの磨耗状態を検出、監視することが可能であるとともに、目視によらないため、正確に集電ブラシの磨耗状態を検出、監視することが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、演算された集電ブラシの磨耗状態が送信手段によって外部に送信されるため、集電ブラシが配設されている現場に作業者等が行って巡視する必要がなく、より容易に集電ブラシの磨耗状態を監視することが可能となる。

請求項３に記載の発明によれば、ひとつの光ファイバで複数の集電ブラシの磨耗状態が演算されるため、各集電ブラシに対してそれぞれ光ファイバを配設する必要がない。このため、より容易、簡易に、かつ低費用で集電ブラシの磨耗状態を検出、監視することが可能となる。

この発明の実施の形態１に係る集電ブラシの摩耗検出装置を示す概略構成図である。 図１の摩耗検出装置の光ファイバの配設状態を示す正面図である。 図２の状態から集電ブラシが磨耗した状態を示す正面図である。 この発明の実施の形態２における光ファイバの配設状態を示す正面図である。 図４の状態から一部の集電ブラシが磨耗した状態を示す正面図である。 図４の状態からすべての集電ブラシが磨耗した状態を示す正面図である。 この発明の実施の形態における他の集電ブラシの適用対象例を示す斜視図である。

以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

（実施の形態１）
図１は、この実施の形態に係る集電ブラシの摩耗検出装置（以下、「摩耗検出装置」という）１を示す概略構成図である。この摩耗検出装置１は、集電ブラシの磨耗状態を検出する装置であり、主として、光ファイバ２と、発光部（発光手段）３と、受光部（受光手段）４と、演算処理部（演算手段）５と、通信部（送信手段）６とを備えている。また、この実施の形態では、同期発電機の励磁回路に配設されている集電ブラシ１００を検出、監視対象とし、この集電ブラシ１００は、回転するスリップリング１０１（図２、３参照）に押圧されて磨耗していくものである。

光ファイバ２は、光を伝える伝送路で、石英ガラスなどで構成され、曲げられることで光強度・レベルが減衰、損失する特性を有している。すなわち、後述するようにして屈曲した場合に、受光部４で受光される光強度（振幅）が減衰するようになっている。そして、このような光ファイバ２が、集電ブラシ１００の磨耗に追従して屈曲するように配設されている。

具体的には、図２に示すように、円盤状のスリップリング１０１の側面（円弧面）に、一端面が接するように集電ブラシ１００が配設され、他端部がコイルスプリング１０２側に接続されている。このコイルスプリング１０２によって、集電ブラシ１００の一端面が常にスリップリング１０１に押圧され、スリップリング１０１の回転に伴って、集電ブラシ１００が一端面側から摩耗し、他端部がスリップリング１０１側に前進するようになっている。また、集電ブラシ１００の両側には、集電ブラシ１００を保持するブラシホルダ１０３が配設されている。

そして、コイルスプリング１０２と集電ブラシ１００との間にチューブ状のスペーサ２１が配設され、このスペーサ２１内を貫通して光ファイバ２が配設されている。このようにスペーサ２１内を貫通した状態では、コイルスプリング１０２による圧力が光ファイバ２にはかからず、伝送損失が生じないようになっている。

このようにして光ファイバ２が配設されることで、集電ブラシ１００の摩耗に伴って、図３に示すように、集電ブラシ１００の他端部、つまりスペーサ２１がスリップリング１０１側に前進し、光ファイバ２が屈曲するようになっている。ここで、集電ブラシ１００は、ひとつのスリップリング１０１に対して複数（例えば５つ）配設されているが、通常はすべての集電ブラシ１００がほぼ均等に摩耗していく。このため、この実施の形態では、ひとつの集電ブラシ１００に対してのみ光ファイバ２を配設し、この集電ブラシ１００の摩耗をすべての集電ブラシ１００の摩耗の代表として、検出、監視するようにしている。これに対して、各集電ブラシ１００に対してそれぞれ光ファイバ２を配設して、各集電ブラシ１００の摩耗を検出、監視するようにしてもよい。

発光部３は、光ファイバ２の一端部に配設され、光ファイバ２の一端部から他端部に向けて、検出用の光（検出光）を入力・入射する光源・発光装置であり、一定の強度・レベルの検出光を入力するようになっている。受光部４は、光ファイバ２の他端部に配設され、発光部３から入力された検出光を受光する受光装置であり、受光した光の強度・レベルを検出する強度検出機構を備えている。

演算処理部５は、発光部３、受光部４および通信部６と信号通信（伝送）可能に接続され、発光部３や通信部６などを制御するとともに、受光部４で受光した検出光の減衰量に基づいて、光ファイバ２の屈曲率を算出して集電ブラシ１００の磨耗状態を演算するものである。すなわち、集電ブラシ１００が磨耗すると、上記のようにして光ファイバ２が屈曲し、この屈曲の大きさに応じて検出光が減衰するため、減衰量に基づいて、光ファイバ２の屈曲率および集電ブラシ１００の磨耗状態を演算するものである。具体的には、まず、発光部３から入射された検出光の強度と、受光部４で受光された検出光の強度との差から、検出光の減衰量を算出する。一方、光ファイバ２の屈曲率（あるいは曲率半径）の大きさに対応する検出光の減衰量が、屈曲率データとして予めメモリに記憶され、この屈曲率データに基づいて、算出した減衰量から光ファイバ２の屈曲率を割り出す。また、屈曲率の大きさに対応する集電ブラシ１００の磨耗量が、磨耗量データとして予めメモリに記憶され、この磨耗量データに基づいて、割り出した屈曲率から集電ブラシ１００の磨耗量を割り出すものである。

このように、この実施の形態では、検出光の減衰量から光ファイバ２の屈曲率を割り出した後に、光ファイバ２の屈曲率から集電ブラシ１００の磨耗量を割り出しているが、検出光の減衰量の大きさに対応する集電ブラシ１００の磨耗量を予めメモリに記憶し、減衰量から磨耗量を直接割り出してもよい。この場合でも、検出光の減衰量と光ファイバ２の屈曲率との因果関係および、光ファイバ２の屈曲率と集電ブラシ１００の磨耗量との因果関係に基づいて、集電ブラシ１００の磨耗量を演算するものである。また、上記のように、集電ブラシ１００の磨耗量そのものを演算しているが、集電ブラシ１００の磨耗量が所定の磨耗量（摩耗限界値）を超えているか否かのみを演算するようにしてもよい。つまり、光ファイバ２の屈曲率が所定の屈曲率（摩耗限界値に対応した屈曲率の限界値）を超えているか否か、あるいは、検出光の減衰量が所定の減衰量（摩耗限界値に対応した減衰量の限界値）を超えているか否か、のみを演算結果としてもよく、磨耗状態には、磨耗量以外の状態情報を含む。

通信部６は、演算処理部５で演算された磨耗状態を外部に送信する通信装置であり、この実施の形態では、監視センタに設置されたコンピュータに磨耗状態を送信するようになっている。さらに、この通信部６は、警報ランプ（警報手段、図示せず）を備え、演算処理部５で演算された磨耗状態に基づいて、警報ランプが点灯するようになっている。例えば、集電ブラシ１００の磨耗量が所定の磨耗量を超えると、警報ランプが点灯するものである。

次に、このような構成の摩耗検出装置１の作用および、摩耗検出装置１による集電ブラシの摩耗検出方法について説明する。

まず、スリップリング１０１の回転に伴って、集電ブラシ１００が一端面側から摩耗し、他端部がスリップリング１０１側に前進する。この前進によりスペーサ２１がスリップリング１０１側に前進し、光ファイバ２が屈曲する。つまり、集電ブラシ１００の磨耗に追従して、光ファイバ２が屈曲していく。このような状態で、定期的に演算処理部５から発光部３に対して入射指令が伝送され、発光部３から光ファイバ２に検出光が入力される。次に、受光部４で検出光が受光され、検出された光強度が演算処理部５に伝送される。

続いて、演算処理部５において、上記のようにして集電ブラシ１００の磨耗状態が演算され、この演算結果が通信部６を介して、監視センタのコンピュータに送信される。また、集電ブラシ１００の磨耗量が所定の磨耗量を超えた場合などには、通信部６の警報ランプが点灯するものである。

以上のように、この摩耗検出装置１および摩耗検出方法によれば、光ファイバ２を通過する検出光の減衰量に基づいて、定期的に集電ブラシ１００の磨耗状態を演算する。このため、集電ブラシ１００を取り外する必要がなく、容易に集電ブラシ１００の磨耗状態を検出、監視することが可能であるとともに、目視によらないため、正確に集電ブラシ１００の磨耗状態を検出、監視することが可能となる。しかも、演算された集電ブラシ１００の磨耗状態が監視センタのコンピュータに送信されるため、集電ブラシ１００が配設されている現場に作業者等が行って巡視する必要がなく、より容易に集電ブラシ１００の磨耗状態を監視することが可能となる。さらには、集電ブラシ１００の磨耗量が所定の磨耗量を超えた場合などには、通信部６の警報ランプが点灯するため、作業者等が現場に訪れた際に、集電ブラシ１００の異常磨耗などを容易かつ瞬時に認識することが可能となる。

（実施の形態２）
図４は、この実施の形態に係る摩耗検出装置における光ファイバ２の配設状態を示す正面図である。ここで、実施の形態１と同等の構成については、同一の符号を付することで、その説明を省略する。

この実施の形態では、複数の集電ブラシ１００に対して、ひとつの光ファイバ２が配設されている点で、実施の形態１と構成が異なる。すなわち、ひとつのスリップリング１０１に対して複数（例えば５つ）の集電ブラシ１００が配設され、各集電ブラシ１００のそれぞれの磨耗に対して追従して屈曲するように、ひとつの光ファイバ２が各集電ブラシ１００に接して配設されている。これにより、図５に示すように、ひとつの集電ブラシ１００のみが他の集電ブラシ１００に比べて大きく磨耗した場合、大きく磨耗した集電ブラシ１００に対向した光ファイバ２の部位が、大きく屈曲する。また、図６に示すように、すべての集電ブラシ１００がほぼ均等に磨耗した場合には、それぞれの集電ブラシ１００に対向した光ファイバ２の部位が、屈曲する。

そして、演算処理部５では、受光部４で受光した検出光の減衰量に基づいて、全光ファイバ２の屈曲率を算出して、全集電ブラシ１００の磨耗状態を演算する。すなわち、実施の形態１と同様に、検出光の減衰量から光ファイバ２全体の屈曲率を割り出し、すべての集電ブラシ１００の磨耗量を割り出する。あるいは、すべての集電ブラシ１００の全磨耗量が、所定の磨耗量を超えているか否かを演算するものである。

このような実施の形態によれば、ひとつの光ファイバ２で複数の集電ブラシ１００の磨耗状態が演算されるため、各集電ブラシ１００に対してそれぞれ光ファイバ２を配設する必要がない。すなわち、全集電ブラシ１００がほぼ均等に磨耗して、全磨耗量が所定の磨耗量を超えた場合や、一部の集電ブラシ１００が大きく磨耗して、全磨耗量が所定の磨耗量を超えた場合などにも、ひとつの光ファイバ２によって、そのような磨耗状態（異常磨耗）を検出することが可能となる。このため、より容易、簡易に、かつ低コストで、複数の集電ブラシ１００の磨耗状態を検出、監視することが可能となる。

以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記の実施の形態では、コイルスプリング１０２によって集電ブラシ１００がスリップリング１０１に押圧されている場合について説明したが、その他の押圧手段で押圧されている場合であっても、本発明を適用することができる。例えば、図７に示すように、集電ブラシ１００の一端部がスリップリング１０１に接するように、集電ブラシ１００がブラシケース１１０に収容、保持され、集電ブラシ１００の他端部側を押圧するウズ巻バネ１１１が配設されている場合に、集電ブラシ１００の他端面１００ａに沿うように光ファイバ２を配設する。これにより、集電ブラシ１００が一端面側から摩耗すると、ウズ巻バネ１１１によって集電ブラシ１００がスリップリング１０１側に前進し、光ファイバ２が屈曲するものである。

また、上記の実施の形態では、スペーサ２１内に光ファイバ２を挿入することで、光ファイバ２を配設しているが、光ファイバ２を締結部材でコイルスプリング１０２に締結、固定してもよい。さらに、光ファイバ２の他端部で受光した検出光の減衰量に基づいて、集電ブラシ１００の磨耗状態を演算しているが、光ファイバ２の屈曲部で散乱する光を検出して減衰量とし、この減衰量から磨耗状態を演算するようにしてもよい。また、発電機の集電ブラシ１００のみならず、電動機などの集電ブラシにも適用できることは勿論である。

１ 摩耗検出装置
２ 光ファイバ
３ 発光部（発光手段）
４ 受光部（受光手段）
５ 演算処理部（演算手段）
６ 通信部（送信手段）
１００ 集電ブラシ
１０１ スリップリング

Claims (4)

1. 回転するスリップリングに押圧されて磨耗していく集電ブラシの磨耗状態を検出する集電ブラシの摩耗検出装置であって、
   前記集電ブラシの磨耗に追従して屈曲するように配設された光ファイバと、
   前記光ファイバの一端部から検出光を入力する発光手段と、
   前記光ファイバの他端部から前記検出光を受光する受光手段と、
   前記受光手段で受光した検出光の減衰量に基づいて、前記光ファイバの屈曲率を算出して前記集電ブラシの磨耗状態を演算する演算手段と、
   を備えることを特徴とする集電ブラシの摩耗検出装置。
2. 前記演算手段で演算された磨耗状態を外部に送信する送信手段を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の集電ブラシの摩耗検出装置。
3. 複数の前記集電ブラシのそれぞれの磨耗に対して追従して屈曲するように、ひとつの光ファイバが配設されている、ことを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の集電ブラシの摩耗検出装置。
4. 回転するスリップリングに押圧されて磨耗していく集電ブラシの磨耗状態を検出する集電ブラシの摩耗検出方法であって、
   前記集電ブラシの磨耗に追従して屈曲するように光ファイバを配設し、
   前記光ファイバの一端部から検出光を入力し、
   前記検出光の減衰量に基づいて、前記光ファイバの屈曲率を算出して前記集電ブラシの磨耗状態を演算する、
   ことを特徴とする集電ブラシの摩耗検出方法。
   

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