用于监测电机中换向器系统的电刷磨损的设备和方法

摘要

本发明涉及一种用于监测电机中换向器系统电刷磨损的设备和方法，在所述设备中，电刷被可调节地容纳在电刷架内，并且由弹簧元件朝集电器的方向施加力，所述设备的构造使得随着达到限定的磨损行程，电刷和集电器之间的接触面积改变，这可通过测量值检测到。

说明书

技术领域

本发明涉及用于监测电机中换向器系统的电刷磨损的设备和 方法。

背景技术

由DE 10 2004 035 318 A1已知，根据电动机的转数确定电动 机碳刷的磨损。在这种情况下，对电动机运行期间的转子转数进行 合计或者由检测到的电压值导出。如果转数超过某个临界值，则输 出警告信号。

由DE 10 2005 061 412 A1已知，换向器的电刷被设计为具有 多个导电性不同部分的双组分部件。通过阻抗传感器在电刷不断磨 损期间记录测量信号中阻抗的不同，其可以显示。但是前提是，具 有两个导电性不同部分的电刷结构。

发明内容

本发明的目的在于，能够以简单的措施可靠地检测电机换向器 中的电刷磨损。

所述目的根据本发明通过各独立权利要求的特征实现。从属权 利要求给出了有利的改进方案。

依据本发明的设备或者方法用于监测电机例如电动机或者发 电机中电刷的磨损。在一种有利的应用中规定，用于监测磨损的设 备被用在内燃机的起动电动机中。

换向器系统包括多个电刷用于传输电流，其中至少一个电刷被 可调节地容纳在电刷架内，并且被弹簧元件朝集电器的方向施加力。 通过本身已知的实施方式，在电刷磨损的情况下将电刷朝集电器的 方向校准，从而在长的运行时间期间内保证电刷和旋转的集电器之 间可靠的电流传输。

在依据本发明的设备中，在电刷的调节方向看，至少一个电刷 具有限定的、优选地最大磨损行程，其中随着达到该限定的磨损行 程，电刷和集电器之间的接触面积改变。通过测量值检测达到限定 的磨损行程。

该实施方式使得能够使用由唯一的一种电刷材料制成的电刷， 因为用以检测规定的磨损行程的测量值与材料差异无关，而仅与电 刷所走过的进给量有关。该进给量要么可以通过机械的方式感知， 例如通过到达止挡并且触发接触，要么可以根据优选的实施方式以 电的方式通过检测电机的电特征值感知，该电特征值由于接触面积 不同而变化。

根据一种优选的实施方式，接触面积随着达到规定的磨损行程 而减小，这里属于此类情况的还有电刷和集电器外周面之间的接触 被中断的情况。通过接触面积减小或者接触被中断，至少一个电特 征值改变，这可以通过相应的测量装置或者电子设备确定。接触面 积的减小导致电阻升高，从而导致整车电路中电压降减小，该电压 降可以确定，接着例如显示一个信号，即该电刷的磨损行程已经用 尽，等候置换电刷。

根据一种优选的实施方式，电机的至少两个电刷具有不同的限 定的磨损行程，因此在磨损近似相同的前提下，这些磨损行程在不 同的时间点达到。一旦具有减小的限定的磨损行程的电刷用到该电 刷和集电器之间的接触面积变化的程度，则显示相应的信号，同时 具有较长限定的磨损行程的电刷仍然一直与集电器接触并传输电 流。因此基本上在继续磨损的情况下也能够保持电流传输并且向用 户显示当前的磨损状态。尽管至少一个电刷磨损，但电机仍然能够 完全地或者以至少只略微减少的程度继续运行。

根据一种有利的实施方式，至少一个电刷的进给量在朝向集电 器的方向上被限制到最大允许的磨损行程，特别地，这借助于止挡 实现。该止挡以有利的方式位于电刷架上，或者替代地位于另外的 在壳体侧的部件上。为了限制进给量，要么限制弹簧元件的调节运 动，使得随着到达止挡，不再通过弹簧元件的力朝集电器的方向继 续对电刷施加力。根据另一种实施方式，通过止挡限制电刷的调节 运动，使得被弹簧元件朝集电器的方向施加力的电刷随着到达止挡 而达到最大允许的磨损行程，这里电刷和集电器之间的接触面积也 要么减小或者该接触完全被中断。止挡例如以朝内的凸缘的形式被 构造在电刷架上，其以希望的方式限制进给量。

根据另一种有利的、用于限制进给运动的止挡的非强制必需的 实施方式，电刷体包括具有恒定横截面积的磨损段以及与磨损段相 比具有多个不相同的横截面面积的基段。磨损段遭受所允许的磨损， 其中，随着用尽磨损段，基段开始与集电器接触，并且由于基段具 有多个不相同的横截面面积，电特征值，特别是电机中的电压发生 变化，可以对其进行记录。特别地，基段的横截面面积比磨损段的 小，其中原则上也可以考虑基本段具有较大的横截面积。

根据另一种有利的实施方式，电机具有多个各具有两个电刷的 电刷对，其中电刷对的至少一个电刷、然而有利的是该电刷对的两 个电刷在最大允许的磨损行程上与其他的电刷对不同。该电刷对的 该电刷或者两个电刷特别地具有缩短的最大磨损行程，以便能够及 早提示磨损，而不会使电机的运行良好性失效。例如在六极电机中 使用带有六个碳刷的电刷系统，其中一个电刷对的两个碳刷具有减 小的磨损行程，使得随着达到该电刷对的最大磨损行程仅还通过四 个碳刷传输电流，这可以根据升高的总电阻进行检测。

电特征值(根据该电特征值能够确定磨损的关键性区域)一方 面是接通电机时的电压扰动，另一方面是切断供电后电机延长的惯 性运转时间。

在至少一个、但有利的是两个具有减小的磨损行程的碳刷不再 贴靠在集电器的外周面上从而不再继续磨损后，虽然其余碳刷的磨 损少许增加，但是这仍然允许有足够的时间进行维护工作和更换电 刷。

有利的是，在电刷对中无论是正电刷还是负电刷都具有减小的 磨损行程，以避免导致极性过载进而导致迅速地磨损。优选地，在 一个电刷对内磨损行程大小相等，其中，原则上也考虑各不相同的、 分别相对于别的电刷减小了的磨损行程，以便例如有目的地补偿电 刷对内不同的磨损行为。

只要在电机中提供至少两个电刷对，则有利的是仅一个唯一的 电刷对的两个电刷具有减小的磨损行程。但是也考虑多个电刷对而 不是全部电刷对具有减小的磨损量，其中，缩短的磨损行程既可以 大小相等，也可以大小不等，以便例如在分级的方法中指示电刷失 效程度渐增。

附图说明

由其他的权利要求、附图说明和附图可以获知其他的优点和有 利的实施方式。其中：

图1示出了电机中的换向系统的剖视图，该换向系统具有碳 刷，该碳刷被可调节地容纳在电刷架中，并且通过弹簧元件朝集电 器的外周面方向被施加力，

图2示出了一种换向系统，在该换向系统中，碳刷的磨损行 程通过电刷架上的止挡限制，

图3示出了另一种换向系统，在该换向系统中，弹簧运动通 过止挡限制，

图4示出了另一种实施例，在该实施例中，与图2中一样碳 刷的磨损行程被限制，其中止挡位于电刷架的切向侧壁上，

图5示出了另一种换向系统，在该换向系统中，电刷具有横 截面积减小的区段。

在图中相同的部件具有相同的附图标记。

具体实施方式

依据图1的换向系统1是仅示意性示出的电机2，例如用于内 燃机的起动电动机的组成部分。换向系统1包括碳刷3以及集电器5， 所述碳刷被可调节地容纳在壳体侧的电刷架4内，所述集电器与电 机2的转子固定连接。转子轴线用附图标记6表示，集电器5也围 绕该转子轴线转动。

可调节地容纳在电刷架4内的碳刷3由弹簧元件7的力朝向集 电器外周面的方向施加力。弹簧元件7同样容纳在电刷架4内。碳 刷3的调节运动以及弹簧元件7的作用方向相对于转子纵轴线6是 沿径向的。通过绞合线8向电刷3供电。

由于碳刷3在电刷架4内的径向调节性以及弹簧元件7的力的 施加，碳刷3在磨损时自动地沿径向朝集电器5的方向校准。

在图2中示出了一种换向系统1，该换向系统在很大程度上对 应于按照图1的换向系统，但是附加地设有一个进给量限制件，用 以实现碳刷3的限定的最大磨损行程。该止挡通过电刷架4上的止 挡元件9以及电刷侧的止挡元件10构成。根据图2中换向系统在切 线方向的视图，电刷架4或者碳刷3上的止挡元件9和10在轴线方 向上延伸。在电刷架4侧，止挡元件9形成在电刷架4的下端面上 的朝向内的凸缘，该凸缘与碳刷3上的止挡元件10相对应，其中止 挡元件10相对于电刷基体沿轴向突出，并且沿径向位于电刷的远离 与集电器的接触面的一侧。止挡元件9和10的位置相互校准，使得 与依据图1的换向系统相比，沿径向调节方向看，在依据图2的换 向系统1中的碳刷具有较小的最大磨损行程。一旦碳刷3上的止挡 元件10与电刷架4上的止挡元件9接触，就中断朝集电器5方向的 进一步的径向进给。由此在碳刷3的端面和集电器5的外周面之间 的滑动接触中断，使得通过该碳刷不能再继续传输电流。只要通过 具有较大磨损长度的其他碳刷，例如通过在按照图1的换向系统范 围内的碳刷为电机供电，则继续的供电仅由这些具有较大磨损长度 的碳刷进行。可以根据电特征值确定由于具有减小的磨损行程的一 个碳刷或者碳刷对的失效而导致的供电中的变化。

在依据图3的实施例中，通过止挡元件9减小不是减小碳刷3 的调节行程，而是弹簧元件7的调节行程。因此，一旦碳刷3经过 相应的磨损行程，弹簧元件7的力就支撑在位于电刷架4上的指向 内的止挡元件9上。通过支撑在止挡元件9上，弹簧元件7失去其 对碳刷3的作用，从而不再沿径向朝集电器5的外周面方向对该碳 刷施加力，该碳刷停留在它到达的位置。通过这种方式还限制了碳 刷3的磨损行程。

图3与图4同样地，沿轴向示出了换向器系统1的视图。集电 器5的旋转运动以及相应地电机转子的旋转运动用箭头11表示。止 挡元件9位于电刷架4的内侧与电刷架的自由端面相邻，即位于圆 周侧壁上。

类似于图2，在依据图4的实施例中，碳刷3的进给行程是受 到限制的。为此，在电刷架4或者碳刷3上的止挡元件9和10相互 作用。但与图2不同的是，止挡元件9、10不在电刷架或者碳刷的 轴向端面上，而在圆周面上，由此碳刷和电刷架在轴向上可以被相 应构造得较短。

在依据图5的实施例中，通过在碳刷体内部在碳刷中设置凹口 14来限制碳刷3的磨损行程。碳刷体在径向被分为远离集电器5的 基段12和朝向集电器5的磨损段13，其中磨损段在与集电器的接触 面和基段12之间延伸。基段12在凹口14的区域内具有比磨损段13 小的横截面面积，该磨损段在其径向延伸长度内具有恒定的横截面 面积。一旦磨损段通过磨损被完全蚀去，基段12便在具有减小的横 截面面积的凹口区域与集电器5的外周面接触。电机中的电特征值 由于减小的横截面面积而发生变化，这可以被显示出来以确定已经 经过一段时期的磨损。碳刷3的减小的横截面面积引起电阻升高和 电压扰动，这可以测量。