WO2018197181A1

WO2018197181A1 - Messvorrichtung und verfahren zur messung eines verschleisszustandes

Info

Publication number: WO2018197181A1
Application number: PCT/EP2018/058817
Authority: WO
Inventors: Florian Huber; Gottfried Kain
Original assignee: Schunk Carbon Technology Gmbh
Priority date: 2017-04-28
Filing date: 2018-04-06
Publication date: 2018-11-01
Also published as: US20200067248A1; DE102017207265A1; EP3616273A1; JP6931082B2; CN110582900A; JP2020517964A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung eines Verschleißzustandes eines konsumierbaren Reibelements, eine Messvorrichtung sowie ein Reibelement (10), insbesondere Bürste (11) oder dergleichen, wobei die Messvorrichtung eine Sensoreinrichtung mit einem Sensor aufweist, wobei mittels des Sensors ein Magnetfeld ausbildbar ist, wobei das Reibelement in dem Magnetfeld relativ zu dem Sensor bewegbar ist, wobei die Messvorrichtung einen Indikator (18) aufweist, wobei der Indikator am Reibelement anbringbar ist, wobei der Indikator einen ferromagnetischen, antiferromagnetischen und/oder ferrimagnetischen Stoff aufweist, wobei mittels der Sensoreinrichtung eine Änderung des Magnetfeldes in Folge einer Änderung einer Position des Indikators relativ zu dem Sensor detektierbar ist.

Description

Messvorrichtung und Verfahren zur Messung eines

Verschleißzustandes

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung, ein Reibelement sowie ein Verfahren zur Messung eines Verschleißzustandes eines konsumierbaren Reibelements, insbesondere Bürste oder dergleichen, wobei die Messvorrichtung eine Sensoreinrichtung mit einem Sensor aufweist. Derartige Reibelemente, wie beispielsweise Kohlebürsten für Elektromo- tore, sind grundsätzlich immer einem Verschleiß durch Abrieb von Material des Reibelements unterworfen. Es ist wünschenswert, das Reibelement bereits vor einem Erreichen einer eine Funktion beeinträchtigten Verschleißgrenze auszutauschen. Um einen Verschleißzustand von Reibelementen zu überwachen, werden daher regelmäßig Verschleiß erkennungssysteme eingesetzt. Bekannt sind hier elektrische Kontakte an Reibelementen, oder auch Schalter, die ein Erreichen einer Verschleißgrenze signalisieren können. Derartige Verschleißerkennungssysteme ermöglichen j edoch nicht eine Messung eines Verschleißes bzw. einer verbleibenden Länge eines noch verfügbaren konsumierbaren Kontaktabschnitts des Reibelements . So ist alleine ein Erreichen einer Verschleißgrenze bzw. eine Abnutzung einer Reibfläche dann detektierbar, wenn ein Sensor bzw. Schalter innerhalb des Reibelements oder an einem Bürstenhalter, in dem das Reibelement aufgenommen ist, ausgelö st bzw. betätigt wird.

Ein derartiger Sensor kann beispielsweise eine sogenannte Meldelitze sein, die von dem Reibelement elektrisch isoliert ist und derart angeordnet ist, dass bei Erreichen einer kritischen Länge des Reibelements eine Iso lation der Meldelitze durchbrochen und ein elektrischer Kontakt zur Verschleiß anzeige ausgebildet wird. Beispielsweise kann auch an einem Bürstenhalter ein sogenannter Stiftschaltkontakt angeordnet sein, der mit einem Kontaktfinger gegen eine Oberfläche des Reibelements in dem Bürstenhalter drückt. In der Oberfläche des Reibelements ist eine Ausnehmung ausgebildet, so dass bei einer Abnutzung eines Kontaktabschnittes und damit eines Erreichens einer Verschleiß länge des Reibelements der Kontaktfinger in die Ausnehmung eingreifen und damit einen Schaltimpuls des Stiftschaltkontakts auslö sen kann. Weiter ist es bekannt, Reibelemente mit einer Transpondereinheit zu versehen, die mit einer Sende- und Empfangseinheit drahtlo s kommunizieren kann. So offenbart die DE 10 2007 009 423 A I ein Reibelement, welches mit einer Transpondereinheit versehen ist. Bei Erreichen einer Verschleißgrenze des Reibelements wird die Transpondereinheit durch einen abrasiven Kontakt mit einer Reibfläche, an die das Reibelement anliegt, zerstört. Die Sende- und Empfangseinheit erkennt dann das Reibelement als verschlissen.

Die bekannten Verschleißerkennungssysteme weisen den Nachteil auf, dass eine Verschleiß länge eines Reibelements bzw. eine Länge eines konsumierbaren Kontaktabschnitts des Reibelements nicht absolut gemessen werden kann. Zwar ist es möglich, eine Vielzahl von Sensoren an einem Reibelement entlang dessen Länge anzuordnen, um eine inkre- mentelle Messung der Länge zu ermöglichen, dies ist j edoch aufwendig und lässt keine tatsächliche Bestimmung der Länge des Reibelements zu einem beliebigen Betriebszeitpunkt zu. Auch sind mechanische Sensoren sowie Transponder im Verhältnis zu den Herstellungskosten eines Reibelements vergleichsweise teuer.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Messvorrichtung, ein Reibelement und ein Verfahren zur Verschleißer- kennung vorzuschlagen, welche, bzw. welches eine kostengünstige Messung eines Verschleißzustandes ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Messvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , ein Reibelement mit den Merkmalen des Anspruchs 6, ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 8 und eine Verwendung eines Indikators mit den Merkmalen des Anspruchs 21 gelö st.

Die erfindungsgemäße Messvorrichtung zur Messung eines Verschleißzustandes eines konsumierbaren Reibelements, insbesondere Bürste oder dergleichen, weist eine Sensoreinrichtung mit einem Sensor auf, wobei mittels des Sensors ein Magnetfeld ausbildbar ist, wobei das Reibele- ment in dem Magnetfeld relativ zum Sensor bewegbar ist, wobei die Messvorrichtung einen Indikator aufweist, wobei der Indikator am

Reibelement anbringbar ist, wobei der Indikator einen ferromagneti- schen, antiferromagnetischen und/oder ferrimagnetischen Stoff aufweist, wobei mittels der Sensoreinrichtung eine Änderung des Magnetfeldes in Fo lge einer Änderung einer Position des Indikators relativ zu dem Sensor detektierbar ist.

Fo lglich ist der Sensor so benachbart dem Reibelement angeordnet, dass er innerhalb des Magnetfelds des Sensors bewegbar ist. Ein abrasiver Verschleiß des Reibelements führt naturgemäß zu einer Verkürzung einer Länge, insbesondere einer Verschleiß länge eines konsumierbaren Kontaktabschnitts des Reibelements . Das Reibelement kann beispielsweise zur Übertragung elektrischer Energie nutzbar, in einem Bürstenhalter aufgenommen sein und mittels einer Feder gegen einen Kommutator oder Schleifring einer elektrischen Maschine gedrückt werden. Ein Verschleiß des Kontaktabschnitts des Reibelements führt dann folglich zu einer Bewegung des Reibelements relativ zu dem Sensor bzw. dem vom Sensor erzeugten Magnetfeld. Dadurch, dass der Indikator den ferromagneti- schen, antiferromagnetischen und/oder ferrimagnetischen Stoff aufweist und am Reibelement angebracht ist, beeinflusst der Indikator das Mag- netfeld des Sensors, insbesondere dann, wenn eine Bewegung des Indikators zusammen mit dem Reibelement info lge eines Verschleißes erfolgt. Eine derartige von dem Indikator bewirkte Änderung des Magnetfelds kann von der Sensoreinrichtung detektiert werden. So wird es möglich, zu einem beliebigen Zeitpunkt, unabhängig von einem Betriebszustand einer elektrischen Maschine oder einer Übertragung elektrischer Energie über das Reibelement, das Magnetfeld des Sensors zu detektieren bzw. zu bestimmen und aus den physikalischen Eigenschaften des Magnetfelds, die von dem Indikator beeinflusst sind, eine Relativposition des Indikators und die damit im Zusammenhang stehende absolute Ver- schleiß länge des Reibelements zu bestimmen bzw. zu messen. Prinzipiell ist es auch möglich, dass eine Beeinflussung des Magnetfeldes durch den Indikator erst mit einem beginnenden Verschleiß des Reibelements einsetzt bzw. mit einem vollständigen Verschleiß des konsumierbaren Kontaktabschnitts des Reibelements auch der Indikator verschlissen ist oder umgekehrt. Insgesamt kann so eine absolute Länge eines konsumierbaren Kontaktabschnitts des Reibelements bzw. eine Länge des Reibelements mit einfachsten Mitteln gemessen werden.

Der Sensor kann eine Spule sein, wobei mittels einer Detektorschaltung der Sensoreinrichtung eine Impedanz der Spule messbar sein kann. Eine Spule kann aufgrund ihrer Induktivität bzw. Selbstinduktion bewirken, dass bei einer angelegten Wechselspannung oder einer gepulsten Spannung ein Wechselstrom bzw. Strompuls aufgrund einer in der Spule selbst induzierten Gegenspannung im Spannungsverlauf verzögert hinterher eilt. Der ferromagnetische, antiferromagnetische und/oder ferri- magnetische Stoff des Indikators führt an der Spule zu einer Veränderung der Induktivität der Spule, was eine Wandlung des Spannungs- Strom-Zeitverlaufs bewirken kann. Die Veränderung der Spulenindukti- vität kann durch die An- oder Abwesenheit des Indikators in dem Magnetfeld gemessen werden. Das Prinzip der Messung beruht dann auf einer Änderung der Impedanz der Spule und deren Messung mittels der Detektorschaltung. Die Messvorrichtung kann zur Aufnahme und beweglichen Halterung eines Reibelements einen Bürstenhalter umfassen, wobei der Sensor dann am Bürstenhalter fest angeordnet sein kann. Beispielsweise kann der Sensor im Bereich eines Schafts des Bürstenhalters, der das Reibelement aufnehmen kann, positioniert sein. Der Sensor muss dabei das Reibele- ment nicht berühren, so dass zwischen dem Reibelement und dem Sensor ein Spalt ausgebildet sein kann. Eine Position des Sensors an dem

Bürstenhalter richtet sich nach der Art und Ausbildung des Indikators. Auch ist es möglich, beispielsweise wenn der Sensor eine Spule ist, dass der Sensor an dem Bürstenhalter entlang, in Richtung einer Längsachse des Reibelements, verlaufend ausgebildet ist. Der Bürstenhalter kann zumindest abschnittsweise aus einem Kunststoffmaterial ausgebildet sein, um ein Magnetfeld des Sensors nicht abzuschirmen. In einer besonders einfachen Ausführungsform kann in dem Bürstenhalter eine Aufnahmeö ffnung, beispielsweise eine Bohrung, ausgebildet sein, in die der Sensor einfach einsetzbar ist.

Auch kann die Sensoreinrichtung einen weiteren Sensor aufweisen, mittels dem dann ein weiteres Magnetfeld ausbildbar ist, wobei das Reibelement oder ein weiteres Reibelement in dem weiteren Magnetfeld relativ zu dem weiteren Sensor bewegbar sein kann. Wenn die Sensorein- richtung zur Überwachung zweier Reibelemente dient, kann an dem j eweiligen Reibelement dann ein Sensor positioniert sein. So können eine Mehrzahl von Reibelementen mit der Sensoreinrichtung gleichzeitig gemessen bzw. überwacht werden. Alternativ oder ergänzend ist es auch möglich, den weiteren Sensor zusammen mit dem S ensor jeweils an einem Reibelement anzuordnen. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn das Reibelement besonders lang ist und ein der Länge ange- passtes Magnetfeld erforderlich wird. Der Sensor und der weitere Sensor können daher voneinander beabstandet positioniert sein. Auch ist es möglich, dass der weitere Sensor mit dem weiteren Magnetfeld ein Magnetfeld ausbildet, welches sich von dem Magnetfeld des Sensors unterscheidet, um den Stoff des Indikators noch besser detektieren zu können.

Der Sensor und der weitere Sensor können seriell oder parallel an eine Detektorschaltung der Sensoreinrichtung angeschlo ssen sein. So können beispielsweise mittels der Messvorrichtung mehrere Reibelemente überwacht werden. Insbesondere eine serielle Verbindung der Sensoren untereinander erfordert eine geringe Anzahl an Verbindungskabeln. Es können j edoch dann nur alle Sensoren bzw. die damit überwachten Reibelemente im Gesamten gemessen werden. Ein paralleler Anschluss der Sensoren an die Detektorschaltung ermöglicht hingegen eine diffe- renzierte Messung einzelner Reibelemente.

Das erfindungsgemäße Reibelement zur Übertragung von Strömen, insbesondere Bürste oder dergleichen, ist zur Messung einer Verschleißlänge des Reibelements mit einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung ausgebildet. Das Reibelement bildet zusammen mit der Messvorrichtung ein Messsystem aus .

Das Material des Reibelements kann überwiegend Grafit sein. Beispielsweise kann das Reibelement an eine Bürste zur Kontaktierung mit einem Kommutator oder Schleifring einer elektrischen Maschine, vorzugsweise einem Elektromotor oder Generator, sein. Das Reibelement kann auch im Wesentlichen vo llständig aus Grafit ausgebildet sein. Der Grafit kann dabei auch ein Bindemittel und Anteile von Metallen aufweisen. Die Metalle dienen dabei jedoch als Leistungsverbesserer des Reibelements und können nicht an sich den Indikator ausbilden. Der Stoff des Indikators kann sich von dem Material des Reibelements dadurch unterschei- den, dass der Stoff des Indikators nicht für eine vorausgesetzte Funktion des Reibelements erforderlich ist, sondern alleine der Ausbildung des Indikators dient.

Der Indikator kann relativ bezogen auf eine Länge des Reibelements abschnittsweise am Reibelement angebracht sein. Als eine Länge des Reibelements wird eine Gesamtlänge des Reibelements bezogen auf eine Längsachse des Reibelements verstanden. Der Indikator kann demnach auch nur an einem Abschnitt des Reibelements angebracht sein.

Auch kann vorgesehen sein, dass ein weiterer Indikator am Reibelement angebracht ist. Mit einem weiteren Indikator wird eine Position der j eweiligen Indikatoren, und damit eine Messung einer Verschleiß länge des Reibelements noch genauer bestimmbar. Der weitere Indikator kann in einer übereinstimmenden Position mit dem Indikator oder in einer davon abweichenden Position, benachbart oder in einem Abstand, am Reibelement angebracht sein. In einer Ausführungsform kann der Indikator eine am Reibelement angebrachte bzw. andrückende Ro llbandfeder sein. Die Rollbandfeder kann beispielsweise aus einem ferromagnetischen Stoff, insbesondere Federstahl, ausgebildet sein, oder diesen Stoff aufweisen. Optional kann der Indikator auch eine Schraubenfeder sein. Die Rollbandfeder kann eine Andruckkraft auf das Reibelement bewirken, die das Reibelement an beispielsweise einen Kommutator oder Schleifring drückt. Ein Verschleiß des Reibelements durch Abrieb führt dann zu einer Verkürzung einer Länge des Reibelements, wodurch sich eine Position der Rollbandfeder relativ zu dem Sensor verändert. Die Rollbandfeder kann so das Magnetfeld des Sensors beeinflussen, wodurch eine Länge des Reibelements messbar wird.

In einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Indikator eine am

Reibelement angebrachte Beschichtung sein. Die Beschichtung kann beispielsweise aus dem Stoff des Indikators bestehen oder diesen aufwei- sen und durch einen elektrochemischen Prozess, eine stromlo s reduktive Abscheidung, eine Gasphasenabscheidung, eine thermische Zersetzungsreaktion, durch Tauchen in einer Schmelze, durch ein Druckverfahren oder durch Aufkleben einer Schicht ausgebildet sein. Dabei ist es bereits ausreichend, wenn die Beschichtung vergleichsweise dünn, beispielswei- se < 100 μιη ausgebildet ist.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Reibelement den Indikator ausbildet, wobei einem Material des Reibelements der ferromagnetische, antiferromagnetische und/oder ferrimagnetische Stoff zugesetzt sein kann. Wenn das Reibelement durch Sintern von Pulver ausgebildet wird, kann der Stoff dann auch in Form eines Pulvers dem Material des Reibelements zugegeben und mit diesem vermischt werden. Gleichwohl ist es möglich, dem Reibelement nur abschnittsweise den Stoff zuzusetzen. Der Stoff kann zwar die Funktionseigenschaften des Reibelements ändern, durch die Zugabe des Stoffes zu dem Material des Reibelements wird der Indikator j edoch besonders einfach und kostengünstig im Rahmen eines bereits bestehenden Herstellungsverfahrens für Reibelemente ausbildbar.

Der Indikator kann relativ bezogen auf eine Länge des Reibelements alleine in einem konsumierbaren Kontaktabschnitt der Länge des Reibelements ausgebildet sein. Ein Verbindungsabschnitt des Reibelements, welcher nicht aufgebraucht wird, kann dann frei von einem Indikator ausgebildet sein. Der Kontaktabschnitt kann eine Kontaktfläche aufweisen, über die eine Übertragung elektrischer Energie auf einen Kontaktpartner erfolgt. Sofern der Indikator eine Beschichtung ist, kann der Indikator das Reibelement in dem Kontaktabschnitt umfänglich bede- cken. Auch ist es möglich, dass der Indikator nur eine oder auch mehrere Flächenabschnitte des Kontaktabschnitts, beispielsweise eine Seitenfläche, eines rechteckigen Reibelements, in dem Kontaktabschnitt bedeckt. Wenn das Material des Reibelements den Indikator aufweist beziehungsweise ausbildet kann der Stoff des Indikators auch nur in dem konsu- mierbaren Kontaktabschnitt des Reibelements vorhanden sein. Ein abrasiver Abtrag des konsumierbaren Kontaktabschnitts führt demnach zu einem Verbrauch des Indikators und damit zu einer kontinuierlichen beziehungsweise proportionalen Änderung des Magnetfeldes .

Der Indikator kann auch relativ bezogen auf eine Länge des Reibelements alleine in einem Verbindungsabschnitt der Länge des Reibelements ausgebildet sein. Der Verbindungsabschnitt kann einer Kontaktfläche des Reibelements abgewandt sein und an einen konsumierbaren Kontaktabschnitt der Länge des Reibelements anschließen. Wie der konsumierbare Kontaktabschnitt kann auch der Verbindungsabschnitt den Indikator als dort angebrachte Beschichtung oder als ein Zusatz in einem Material des Reibelements aufweisen. Der Verbindungsabschnitt dient zur Verbindung des Reibelements mit beispielsweise einer Litze zum elektrisch leitenden Anschluss des Reibelements beziehungsweise zur Anlage an einer eine Andruckkraft ausbildenden Feder. Ein abrasiver Abtrag des Verbindungsabschnitts beziehungsweise ein Verbrauch desselben ist daher nicht vorgesehen. Durch eine Änderung einer Länge des konsumierbaren Kontaktabschnitts kann der Verbindungsabschnitt j edoch relativ zu dem Sensor verschoben werden, wodurch sich eine Änderung des Magnetfeldes des Sensors ergibt. Gleichwohl ist der Indikator selbst keiner Änderung unterworfen. Sollte eine Mehrzahl von Indikatoren vorgesehen sein, kann der Verbindungsabschnitt sowie ein konsumierbarer Kontaktabschnitt jeweils voneinander verschiedene Indikatoren aufweisen.

Weiter kann der Indikator relativ bezogen auf eine Länge des Reibelements alleine in einem Indikatorabschnitt zwischenliegend einem Verbindungsabschnitt und einem konsumierbaren Kontaktabschnitt der Länge des Reibelements ausgebildet sein. Wenn der Indikator als eine Beschichtung ausgebildet ist, kann der Indikatorabschnitt als ein vergleichsweise schmales Band um einen Umfang des Reibelements ausgebildet sein. Wenn der Indikator von einem Material des Reibelements ausgebildet ist, kann der Indikatorabschnitt als ein vergleichsweise dünner Materialstreifen, bezogen auf die Länge des Reibelements, in diesem ausgebildet sein. Sofern mehrere Indikatoren vorgesehen sind, können auch mehrere Indikatorabschnitte ausgebildet sein. Weiter kann ergänzend der Verbindungsabschnitt und/oder der Konsumierbare Kontaktabschnitt einen vom Indikator des Indikatorabschnitts sich unter- scheidenden Indikator aufweisen. Auch hier kann es bereits ausreichend sein, eine Beschichtung beziehungsweise den Stoff des Indikators alleine an einer Seite beziehungsweise Seitenfläche des Reibelements anzubringen, die dem Sensor zugewandt ist.

Der Stoff kann aus Eisen, Kobalt, Nickel, deren Legierung, Legierungen von Eisen-Silizium, Eisen-Bohr, Eisen-Aluminium, Aluminium-Nickel- Kobalt, Mang an- Antimon, oder Mangan- Wismut bestehen.

Der Stoff kann Oxide der Elemente Eisen (Fe₂0₃ , Fe₃0₄), Nickel (Ni-O), Chrom (Cr0₂) und/oder Spinelle des Typs AB₂0₄, vorzugsweise mit mehrwertigen Metallkationen (Mg, Mn, Fe, Co, Ni, Cu) für den Buchsta- ben A und dreiwertigen Metallkationen (Fe) für den Buchstaben B, alleine oder in Kombination aufweisen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Messung eines Verschleißzustandes eines konsumierbaren Reibelements, insbesondere Bürste oder dergleichen, wird mittels eines Sensors einer Sensoreinrichtung einer Messvorrichtung ein Magnetfeld ausgebildet, wobei das Reibelement in diesem Magnetfeld relativ zu dem Sensor angeordnet wird, wobei ein Indikator der Messvorrichtung, der einen ferromagnetischen, antifer- romagnetischen und/oder ferrimagnetischen Stoff aufweist, am Reibelement angebracht wird, wobei mittels der Sensoreinrichtung eine Ände- rung des Magnetfeldes in Fo lge einer Änderung einer Position des

Indikators relativ zu dem Sensor detektiert wird. Zu den Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf die Vorteilsbeschreibung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung verwiesen.

Mittels der Sensoreinrichtung kann eine Impedanz des Sensors gemessen und mit einer in der Sensoreinrichtung gespeicherten Referenzimpedanz verglichen werden, wobei aus einer Differenz von gemessener Impedanz und Referenzimpedanz eine Teillänge des konsumierbaren Kontaktabschnitts einer Länge des Reibelements bestimmt werden kann. Wenn der Sensor eine Spule ist kann in diese eine Wechselspannung oder eine gepulste Spannung eingespeist werden, wodurch aufgrund einer Spuleninduktivität eine Phasenverschiebung der Wechselspannung beziehungsweise der gepulsten Spannung im so ausgebildeten Stromkreis auftritt. Mittels der Sensoreinrichtung beziehungsweise einer Detektorschaltung der Sensoreinrichtung kann eine Impedanz des Sensors bestimmt werden. Beispielsweise kann es vorgesehen sein die Impedanz des Sensors bei einem neuen, noch nicht abgenutzten Reibelement als Referenzimpedanz festzulegen und in der Sensoreinrichtung zu speichern. Die Messvorrichtung kann dann mit einem Reibelement kalibriert werden. Wird das Reibelement relativ zum Sensor bewegt, insbesondere durch Abnutzung des Kontaktabschnitts ändert sich die Impedanz des Sensors aufgrund der von dem Indikator bewirkten Änderung des Magnetfeldes des Sensors . Die dann gemessene Impedanz wird von der Sensoreinrichtung beziehungsweise der Detektorschaltung mit der Referenzimpedanz verglichen. Aufgrund der so bestimmten Differenz von gemessener Impedanz und Referenzimpedanz kann dann die verbleibende Teillänge des konsumierbaren Kontaktabschnitts von der Detektorschaltung berechnet werden. Diese Berechnung kann beispielsweise auf Basis einer mathematischen Funktion erfo lgen. Das Verfahren ist so prinzipiell mit jedem Reibelement mit einem Indikator anwendbar, da stets eine Kalibrierung des Reibelements erfolgen kann. Hierdurch wird es auch möglich die Messvorrichtung universell, für verschiedene Reibelemente die zur Übertragung elektrischer Energie dienen oder aber auch für Reibelemente die keine Übertragung elektrischer Energie ermöglichen bzw. dafür vorgesehen sind, einzusetzen. Insbesondere kann vorgesehen sein mittels der Sensoreinrichtung eine Änderung der Position des Indikators relativ zum Sensor kontinuierlich zu messen. So kann dann ein absoluter Verschleißzustand des Reibele- ments beziehungsweise die Teillänge des konsumierbaren Kontaktabschnitts zu j edem Zeitpunkt gemessen werden. Diese Messung kann unabhängig davon erfolgen, ob das Reibelement von Strom durchflö ssen wird beziehungsweise eine elektrische Maschine in Betrieb ist. Mittels der Sensoreinrichtung kann dann auch ein Verschleiß des Reibelements im Verhältnis zu einem Betrieb der elektrischen Maschine bestimmt werden. Beispielsweise kann dann auch voraus berechnet werden, nach wieviel Betriebsstunden der elektrischen Maschine das Reibelement voraussichtlich vo llständig verschlissen sein wird und ausgetauscht werden muss. Ein Austausch von Reibelementen wird dadurch besonders gut planbar.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens ergeben sich aus den Merkmalsbeschreibungen der auf den Vorrichtungsanspruch 1 rückbezogenen Unteransprüche. Erfindungsgemäß wird ein Indikator aus einem ferromagnetischen, antiferromagnetischen und/oder ferrimagnetischen Stoff mit einem konsumierbaren Reibelement, insbesondere Bürste oder dergleichen, zur Messung eines Verschleißzustandes des Reibelements verwendet. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Verwendung des Indikators ergeben sich aus den Merkmalsbeschreibungen der auf den Vorrichtungsanspruch 1 und den Verfahrensanspruch 1 8 rückbezogenen Unteransprüche.

Die Erfindung ist für verschiedenste Anwendungen nutzbar. Beispielsweise kann eine elektrische Maschine zwei Schleifringe aufweisen an denen j eweils zwei Bürsten kontaktiert sind, die in j eweils einem Bürstenhaltern angeordnet sind. An einem dem Schleifring abgewandten hinteren Ende der Bürsten ist jeweils eine aus Nickel bestehende Be- schichtung aufgebracht und an einem vorderen Ende der Bürste j eweils eine Spule als ein Sensor der Sensoreinrichtung in dem Bürstenhalter integriert. Über eine Anschlussbuchse an den Bürstenhaltern können Signale der j eweiligen Spulen an eine Detektorschaltung der S ensoreinrichtung übertragen werden.

Beispielsweise kann eine dreiphasige Drehstrommaschine drei Schleifringbahnen mit drei Bürsten aufweisen, die an einem vorderen, j eweils den Schleifringbahnen zugewandten Ende der Bürste eine flächige

Beschichtung einer Bürstenmantelfläche mit Eisen aufweisen. Auch hier können in den j eweiligen Bürstenhaltern an einem vorderen Ende, benachbart einer Bürstenlauffläche, Spulen integriert sein, welche seriell miteinander verbunden sind. Die Bürstenhalter können dann über eine zweipo lige Anschlussbuchse mit einer Detektorschaltung in der Sensoreinrichtung verbunden sein.

Nach einem weiteren Beispiel kann eine elektrische Maschine zwei Schleifringbahnen unterschiedlicher Polarität aufweisen, an die j eweils drei Bürsten kontaktiert sind. Die Bürsten können j eweils an einem hinteren Ende eine Materialschicht mit einem Zusatz von Eisen (Ill)-oxid aufweisen. Auch hier können in Bürstenhaltern nahe einem vorderen Ende der Bürsten Spulen als Sensoren integriert sein, welche parallel geschaltet sein können. An den Bürstenhaltern kann eine siebenpolige Anschlussbuchse zur Übertragung von Messsignalen zur Detektorschal- tung ausgebildet sein.

Bei einem weiteren Beispiel kann die elektrische Maschine mit zwei Schleifringen unterschiedlicher Polarität j e zwei Bürsten an einem

Schleifring aufweisen, welche in einem Bereich einer maximal zulässigen Verschleißlänge eine dünne Zwischenschicht mit einem Zusatz von Eisenpulver aufweisen.

Im Fo lgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines Reibelements;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines Reibelements;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform eines Reibelements;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer vierten Ausführungsform eines Reibelements;

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer fünften Ausfüh- rungsform eines Reibelements;

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht einer sechsten Ausführungsform eines Reibelements;

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht einer siebten Ausführungsform eines Reibelements;

Fig. 8 eine perspektivische Ansicht einer achten Ausführungsform eines Reibelements;

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht einer neunten Ausführungsform eines Reibelements;

Fig. 10 eine perspektivische Ansicht einer zehnten Ausfüh- rungsform eines Reibelements;

Fig. 11 eine schematische Schnittansicht eines Bürstenhalters mit einem unverbrauchten Reibelement;

Fig. 12 eine schematische Schnittansicht des Bürstenhalters aus Fig. 11 mit einem verbrauchten Reibelement. Die Fig. 1 zeigt eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines Reibelements 10 , welches eine Bürste 1 1 ausbildet. Ein Bürstenkörper 12 besteht im Wesentlichen aus Grafit und weist an einem vorderen Ende 13 eine Kontaktfläche 14 zur Anlage eines hier nicht dargestellten Schleif- rings einer elektrischen Maschine, und an einem hinteren Ende 15 eine Litze 1 6 auf, die in dem Bürstenkörper 12 aufgenommen ist und zur elektrisch leitenden Verbindung der Bürste 1 1 dient. An der Bürste 1 1 beziehungsweise deren Oberfläche 17 ist ein Indikator 1 8 durch eine Beschichtung 19 angebracht. Die Beschichtung 19 weist mehrere Mikro- meter Dicke auf und besteht im Wesentlichen aus einem ferromagneti- schen Stoff, wobei die Beschichtung 19 alternativ auch einen antifer- romagnetischen und/oder ferrimagnetischen Stoff aufweisen kann. Der Stoff kann beispielsweise Eisen, Kobalt oder Nickel sowie Legierungen aus Eisen-Nickel, Eisen-Kobalt, Nickel-Kobalt, Eisen-Silizium, Eisen- Bohr, Eisen-Aluminium, Aluminium-Nickel-Kobalt, Nickel-Eisen- Kobalt, Mangan- Antimon und Mangan- Wismut sein. Die Beschichtung 1 9 ist voll umfänglich relativ zu einer Längsachse 20 der Bürste 1 1 an der Oberfläche 17 an dem hinteren Ende 15 aufgebracht. Die Oberfläche 17 im Bereich des vorderen Endes 13 weist hingegen keine Beschichtung auf und bildet somit einen konsumierbaren Kontaktabschnitt 21 mit einer Teillänge LK einer Länge L des Bürstenkörpers 12 aus. Folglich ist die Beschichtung 19 in einem Verbindungsabschnitt 22 mit einer Länge LV der Länge L des Bürstenkörpers 12 ausgebildet. Die Bürste 1 1 ist zusammen mit einer hier nicht dargestellten Messvorrichtung und einem Bürstenhalter nutzbar, wobei mittels eines Sensors einer Sensoreinrichtung der Messvorrichtung ein Magnetfeld ausgebildet wird und die Bürste in dem Magnetfeld relativ zu dem Sensor angeordnet wird, wobei der Indikator 1 8 eine Änderung des Magnetfelds in Folge einer Änderung einer Position des Indikators 1 8 relativ zu dem Sensor durch einen Verbrauch des konsumierbaren Kontaktabschnitts 21 bewirkt. Die Messvorrichtung kann dann die Änderung der Position des Indikators 1 8 relativ zu dem Sensor zur Bestimmung der Länge LK des konsumierbaren Kontaktabschnitts 21 verwenden.

Die Fig. 2 zeigt ein Reibelement 23 , welches im Unterschied zum Reibelement aus Fig. 1 eine Beschichtung 24 aufweist, die lediglich an einer Seitenfläche 25 der Oberfläche 17 in dem Verbindungsabschnitt 22 aufgebracht ist. Hierbei ist zu beachten, dass das Reibelement 23 stets so verbaut werden muss, dass die Beschichtung 24 in einen Erfassungsbereich eines Sensors gelangen kann. Die Beschichtung 24 kann beispielsweise mittels einer hier nicht dargestellten Kleberschicht auf die Seitenfläche 25 aufgebracht sein.

Die Fig. 3 zeigt ein Reibelement 26, welches im Unterschied zum Reibelement aus Fig. 1 eine Beschichtung 27 aufweist, die alleine in dem konsumierbaren Kontaktabschnitt 21 auf die Oberfläche 17 des Bürstenkörpers 12 aufgebracht ist. Die Beschichtung 27 wird über eine Lebensdauer des Reibelements 26 durch einen abrasiven Abtrag verschlissen und ist im Wesentlichen an einem Ende der Lebensdauer vollständig entfernt.

Die Fig. 4 zeigt ein Reibelement 28 , welches im Unterschied zum Reibelement aus Fig. 1 eine Beschichtung 29 aufweist, die in einem Übergangsbereich von dem konsumierbaren Kontaktabschnitt 2 1 zu dem Verbindungsabschnitt 22 auf der Oberfläche 1 7 aufgebracht ist. Die Beschichtung 29 bildet so einen Indikatorabschnitt 30 aus . Wenn die Beschichtung 29 aufgrund eines abrasiven Abtrags des konsumierbaren Kontaktabschnitts 21 einen Sensor passiert, kann sich beispielsweise eine Impedanz eines Magnetfeldes des Sensors von einem Ausgangswert zu einem veränderten Wert und wieder zurück zu dem Ausgangswert ändern. So ist dann möglich ohne eine genaue Berechnung einer Länge des Reibelements 28 zumindest zwei Positionen des Reibelements 28 zu detektieren. Das in der Fig. 5 dargestellte Reibelement 3 1 weist im Unterschied zum Reibelement aus der Fig. 4 eine weitere Beschichtung 32 in dem Indikatorabschnitt 30 auf.

Die Fig. 6 zeigt ein Reibelement 33 , welches im Unterschied zu dem Reibelement aus Fig. 1 anstelle einer Beschichtung einen Indikator 34 in dem Verbindungsabschnitt 22 aufweist, der durch eine Zugabe eines ferromagnetischen, antiferromagnetischen und/oder ferrimagnetischen Stoffs zu einem Material des Bürstenkörpers 12 ausgebildet ist. Der Stoff kann in Form von Partikeln 35 bei einem Sintern des Bürstenkör- pers 12 dem Material zugesetzt werden. Die Partikel 35 sind im Wesentlichen in dem Verbindungsabschnitt 22 homogen verteilt, wobei in dem konsumierbaren Kontaktabschnitt 2 1 keine Partikel des Stoffs zugesetzt sind. Ein Prinzip einer Detektion entspricht der dem in Fig. 1 dargestellten Reibelement. Die Fig. 7 zeigt ein Reibelement 36 bei dem im Unterschied zum Reibelement aus Fig. 6 Partikel 35 lediglich in einem Teilabschnitt 27 an einer Seitenfläche 38 des Verbindungsabschnitts 22 beziehungsweise der Oberfläche 17 vorhanden sind.

Die Fig. 8 zeigt ein Reibelement 39 bei dem im Unterschied zum Reibe- lement aus Fig. 6 Partikel 35 des Stoffs alleine in dem konsumierbaren Kontaktabschnitt 21 dem Material des Bürstenkörpers 12 zugesetzt sind. Der Verbindungsabschnitt 22 weist keine Partikel des Stoffs auf.

Die Fig. 9 zeigt ein Reibelement 40, bei dem im Unterschied zum Reibelement aus Fig. 6 Partikel 35 des Stoffs allein in einem Indikatorab- schnitt 41 zwischenliegend dem konsumierbaren Kontaktabschnitt 2 1 und dem Verbindungsabschnitt 22 in das Material eingebracht sind.

Die Fig. 10 zeigt ein Reibelement 42, bei dem im Unterschied zum Reibelement aus Fig. 9 in dem Verbindungsabschnitt 22 weitere Partikel 43 in ein Material des Bürstenkörpers 12 eingebracht sind, wodurch ein weiterer Indikator 44 in den Verbindungsabschnitt 22 ausgebildet ist.

Eine Zusammenschau der Fig. 11 und 12 zeigt eine schematische

Schnittansicht eines Schleifrings 45 einer hier nicht näher dargestellten elektrischen Maschine mit einem Bürstenhalter 46 und einem Reibelement 47, welches eine Bürste 48 ausbildet. Die Bürste 48 ist entlang einer Längsachse 49 innerhalb eines Schafts 50 des Bürstenhalters 46 bewegbar. Über eine Feder 5 1 wird eine Andruckkraft auf eine Kontaktfläche 52 der Bürste 48 bewirkt. Eine Übertragung elektrischer Energie kann dann über eine Litze 53 , die an der Bürste 48 angebracht ist, über die Kontaktfläche 52 auf den Schleifring 45 erfo lgen. Die Bürste 48 besteht im Wesentlichen aus Grafit, wobei in einem Teilabschnitt 54 eines Verbindungsabschnitts 55 eines Bürstenkörpers 56 der Bürste 48 ein ferromagnetischer, antiferromagnetischer und/oder ferrimagnetischer Stoff dem Grafit zugesetzt ist, so dass hier ein Indikator 57 ausgebildet ist. An dem Bürstenhalter 46 ist in einer Ausnehmung 58 ein Sensor 59 angeordnet, der im Wesentlichen von einer hier nicht näher dargestellten Spule ausgebildet ist. Der Sensor 59 und der Indikator 57 sind Teil einer hier nicht vollständig dargestellten Messvorrichtung 60. Ein konsumier- barer Kontaktabschnitt 61 des Bürstenkörpers 56 ist zunächst vergleichsweise lang und wird durch einen abrasiven Abtrag des Materials des Kontaktabschnitts 6 1 soweit verkürzt, dass eine Position des Indikators 57 relativ zu dem Sensor 59, wie aus den Fig. 11 und 12 ersichtlich, bewirkt wird. Ein von dem Sensor 59 erzeugtes Magnetfeld wird durch eine veränderte Relativpositionierung des Indikators 57 ebenfalls geändert, woraus aus der Änderung der Relativposition des Indikators 57 von der Messvorrichtung 60 beziehungsweise einer hier nicht dargestellten Detektorschaltung an Messvorrichtung 60, eine entsprechende Längenänderung des konsumierbaren Kontaktabschnitts 61 abgeleitet, und damit ein Erreichen einer Verschleißgrenze detektiert wird.

Claims

Patentansprüche

1. Messvorrichtung (60) zur Messung eines Verschleißzustandes eines konsumierbaren Reibelements (10, 23, 26, 28, 31, 33, 36, 39, 40, 42, 47), insbesondere Bürste (11, 48) oder dergleichen, wobei die Messvorrichtung eine Sensoreinrichtung mit einem Sensor (59) aufweist, dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,

dass mittels des Sensors ein Magnetfeld ausbildbar ist, wobei das Reibelement in dem Magnetfeld relativ zu dem Sensor bewegbar ist, wobei die Messvorrichtung einen Indikator (18, 34, 57, 44) aufweist, wobei der Indikator am Reibelement anbringbar ist, wobei der Indikator einen ferromagnetischen, antiferromagnetischen und/oder fer- rimagnetischen Stoff aufweist, wobei mittels der Sensoreinrichtung eine Änderung des Magnetfeldes in Folge einer Änderung einer Position des Indikators relativ zu dem Sensor detektierbar ist.

2. Messvorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,

dass der Sensor (59) eine Spule ist, wobei mittels einer Detektorschaltung der Sensoreinrichtung eine Impedanz der Spule messbar ist.

Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,

dass die Messvorrichtung (60) zur Aufnahme und beweglichen Halterung eines Reibelements (10, 23, 26, 28, 31, 33, 36, 39, 40, 42, 47) einen Bürstenhalter (46) umfasst, wobei der Sensor (59) am Bürstenhalter fest angeordnet ist.

Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,

dass die Sensoreinrichtung einen weiteren Sensor aufweist, mittels dem ein weiteres Magnetfeld ausbildbar ist, wobei das Reibelement oder ein weiteres Reibelement (10, 23, 26, 28, 31, 33, 36, 39, 40, 42, 47) in dem weiteren Magnetfeld relativ zu dem weiteren Sensor bewegbar ist.

Messvorrichtung nach Anspruch 4,

dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,

dass der Sensor (59) und der weitere Sensor seriell oder parallel an eine Detektorschaltung der Sensoreinrichtung angeschlossen sind.

Reibelement (10, 23, 26, 28, 31, 33, 36, 39, 40, 42, 47) zur Übertragung von Strömen, insbesondere Bürste (11, 48) oder dergleichen, ausgebildet zur Messung einer Verschleißlänge des Reibelements mit einer Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche.

Reibelement nach Anspruch 6,

dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,

dass das Material des Reibelements (10, 23, 26, 28, 31, 33, 36, 39, 40, 42, 47) überwiegend Grafit ist.

8. Reibelement nach Anspruch 6 oder 7,

dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,

dass der Indikator (18, 34, 57, 44) relativ bezogen auf eine Länge (L) des Reibelements (10, 23, 26, 28, 31, 33, 36, 39, 40, 42, 47) abschnittsweise am Reibelement angebracht ist.

9. Reibelement nach einem der Ansprüche 6 bis 8,

dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,

dass ein weiterer Indikator (44) am Reibelement (31, 42) angebracht ist.

10. Reibelement nach einem der Ansprüche 6 bis 9,

dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,

dass der Indikator eine am Reibelement (10, 23, 26, 28, 31, 33, 36, 39, 40, 42, 47) angebrachte Rollbandfeder ist.

11. Reibelement nach einem der Ansprüche 6 bis 10,

dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,

dass der Indikator (18) eine am Reibelement (10, 23, 26, 28, 31) angebrachte Beschichtung ist.

12. Reibelement nach einem der Ansprüche 6 bis 11,

dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,

dass das Reibelement (33, 36, 39, 40, 42, 47) den Indikator (34, 57) ausbildet, wobei einem Material des Reibelements der ferromagneti- sche, antiferromagnetische und/oder ferrimagnetische Stoff zugesetzt ist.

13. Reibelement nach Anspruch 11 oder 12,

dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,

dass der Indikator relativ bezogen auf eine Länge (L) des Reibele- ments (26, 39) alleine in einem konsumierbaren Kontaktabschnitt (21, 61) der Länge des Reibelements ausgebildet ist.

14. Reibelement nach einem der Ansprüche 11 bis 13,

dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,

dass der Indikator (18, 34, 57, 44) relativ bezogen auf eine Länge (L) des Reibelements (10, 23, 33, 36, 42) alleine in einem Verbindungsabschnitt (22, 55) der Länge des Reibelements ausgebildet ist.

15. Reibelement nach einem der Ansprüche 11 bis 14,

dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,

dass der Indikator (44) relativ bezogen auf eine Länge (L) des Reibelements (28, 31, 40, 42) alleine in einem Indikatorabschnitt (30, 41) zwischenliegend einem Verbindungsabschnitt (22, 55) und einem konsumierbaren Kontaktabschnitt (21, 61) der Länge des Reibelements ausgebildet ist.

16. Reibelement nach einem der Ansprüche 6 bis 15,

dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,

dass der Stoff aus Eisen, Kobalt, Nickel, deren Legierungen, Legierungen von Eisen-Silizium, Eisen-Bohr, Eisen-Aluminium, Aluminium-Nickel-Kobalt, Mang an- Antimon, oder Mangan- Wismut besteht.

17. Reibelement nach einem der Ansprüche 6 bis 16,

dadurch g ek e nn z e i c hn e t ,

dass der Stoff Oxide der Elemente Eisen (Fe₂0₃, Fe₃0₄), Nickel (NiO), Chrom (Cr0₂) und/oder Spinelle des Typs AB₂0₄, vorzugsweise mit zweiwertigen Metallkationen (Mg, Mn, Fe, Co, Ni, Cu) für den Buchstaben A und dreiwertigen Metallkationen (Fe) für den Buchstaben B, alleine oder in Kombination aufweist.

18. Verfahren zur Messung eines Verschleißzustandes eines konsumierbaren Reibelements (10, 23, 26, 28, 31, 33, 36, 39, 40, 42, 47), insbesondere Bürste (11, 48) oder dergleichen,

dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,

dass mittels eines Sensors (59) einer Sensoreinrichtung einer Messvorrichtung (60) ein Magnetfeld ausgebildet wird, wobei das Reibelement in dem Magnetfeld relativ zu dem Sensor angeordnet wird, wobei ein Indikator (18, 34, 57, 44) der Messvorrichtung, der einen ferromagnetischen, antiferromagnetischen und/oder ferrimagnetischen Stoff aufweist, am Reibelement angebracht wird, wobei mittels der Sensoreinrichtung eine Änderung des Magnetfeldes in Folge einer Änderung einer Position des Indikators relativ zu dem Sensor detek- tiert wird.

19. Verfahren nach Anspruch 18,

dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,

dass mittels der Sensoreinrichtung eine Impedanz des Sensors gemessen und mit einer in der Sensoreinrichtung gespeicherten Referenzimpedanz verglichen wird, wobei aus einer Differenz von gemessener Impedanz und Referenzimpedanz eine Teillänge eines konsumierbaren Kontaktabschnitts (21, 61) einer Länge (L) des Reibelements bestimmt wird.

20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19,

dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,

dass mittels der Sensoreinrichtung eine Änderung der Position des Indikators (18, 34, 57, 44) relativ zum Sensor (59) kontinuierlich gemessen wird.

21. Verwendung eines Indikators (18, 34, 57, 44) aus einem ferromagnetischen, antiferromagnetischen und/oder ferrimagnetischen Stoff mit einem konsumierbaren Reibelement (10, 23, 26, 28, 31, 33, 36, 39, 40, 42, 47), insbesondere Bürste (11, 48) oder dergleichen, sung eines Verschleißzustandes des Reibelements.