监视一个以上电机元件状态的系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明大体涉及监视电刷和刷架组件的监视系统，所述监视系统可以用于电气装 置和/或集电环组件。更加具体地本发明涉及使用柔性传感器，监视刷架组件中电刷磨损 和/或电气装置集电环情况的监视装置、组件、系统和方法。
【背景技术】
[0002] 电气装置中电刷的目的是将电流从静触点接通到动触点，或者相反。电刷和刷架 可以用在例如电气装置或滑动连接应用中，所述电气装置例如发电机、电机和/或集电环 组件，所述滑动连接应用，例如旋转机器上的集电环组件，例如回转起重机或者单轨铁路上 的线性滑动连接。许多电气装置中的电刷是由导电材料制成的模块或其他结构，所述材料 例如石墨、碳石墨、人工石墨、金属材料等，所述电刷适合于与一个导电平面或者多个导电 平面接触让电流通过。电导线和电分流器从电刷延伸出来以向另一个导电部件的电刷提供 电通路，或者从另一个部件的电刷提供电通路。
[0003] 在一些设计中，在操作过程中，刷盒类型的刷架或者其他类型的刷架，可以用来支 持电刷与电气装置移动接触表面的接触。可以设计电刷和刷盒，使得电刷能够在刷盒内滑 动，在电刷和电刷所接触的移动接触表面之间提供连续的接触。在操作过程中，异常情况和 /或阈值情况可能发生，这些情况表明电气装置一个以上部件需要更换，电气装置一个以上 部件需要检查或者注意，以及/或者需要实施维护。例如，异常和/或阈值情况可能表明一 个以上电刷、刷架、弹簧、分流、换向器、集电环和/或其他部件可能需要更换，个以上电刷、 刷架、弹簧、分流、换向器、集电环和/或其他部件可能需要检查，以及/或者可能需要实施 维护。为了观察异常情况和/或阈值情况的发生，监视电气装置一个以上部件是具有优势 的。进一步地，警告操作者和/或技术员，异常和/或阈值情况以及/或者计划技术干预的 发生是具有优势的。
【发明内容】
[0004] 本发明指向使用柔性传感器，监视刷架组件中电刷磨损和/或电气装置集电环情 况的监视装置、组件、系统和方法。因此，一个进行说明的实施例为设置用来监视电机刷架 组件碳刷的监视装置。监视装置可以包括柔性传感器和信号处理电路，所述信号处理电路 用来处理从柔性传感器接收的信号。所述柔性传感器可以具有电阻，所述电阻基于柔性传 感器的曲率半径变化，其中所述柔性传感器的曲率半径与弹簧的变形相关，所述弹簧的变 形为碳刷与电机旋转部件的接合提供力。信号处理电路可以连接到传感器，并且可以对其 进行设置，使用有关柔性传感器可变电阻的信息确定碳刷磨损状态的程度。
[0005] 另一个进行说明的实施例为，用来监视与电机关联的一个以上碳刷磨损状态，和/ 或电机旋转部件磨损状态的系统。该系统可以包括一个以上与电机和位置监视器关联的刷 架组件，所述位置监视器用来从一个以上刷架组件接收磨损状态信息。每个刷架组件可以 包括碳刷、紧邻碳刷的弹簧、紧邻所述弹簧定位的柔性传感器和连接到柔性传感器的磨损 状态监视器。可以对所述弹簧进行设置来给碳刷提供力，使得所述碳刷接合电机的旋转部 件。柔性传感器具有基于柔性传感器曲率半径可变电阻。所述曲率半径表示碳刷的物理位 置和/或运动。通过监视碳刷的物理位置和/或运动，例如通过监视与弯曲传感器曲率半 径关联的程度（例如，电阻、电压、电流等），可以确定碳刷的磨损状态和/或电机旋转部件 的磨损状态。可以对磨损状态监视器进行设置，使用柔性传感器可变电阻来确定碳刷磨损 状态的程度。位置监视器可以与一个以上所述电刷组件磨损状态监视器通信连接，用来接 收有关一个以上所述电刷组件碳刷磨损状态的信息，并且将一个以上所述碳刷的磨损状态 传递给使用者。
[0006] -种监视电气装置一个以上部件磨损状态的方法，可以包括从柔性传感器获得可 变电阻值来检测碳刷相对于电气装置旋转部件的运动，可变电阻值与阈值进行比较来确定 碳刷的磨损状态，并且将所述碳刷磨损状态的标示传递给使用者。
[0007] 另一个实施例为带有一体化传感器的刷架组件，所述传感器用来监视碳刷或者电 机关联的旋转部件的磨损状态。所述刷架组件包括碳刷，弹簧和磨损状态传感器，所述弹簧 用来提供力使所述碳刷与电机旋转部件接合。磨损状态传感器可以包括弯曲传感器、比较 器、标示器和通信电路。比较器可以将从弯曲传感器接收的信号与预定的阈值进行比较来 确定电机碳刷和旋转部件中至少一个的磨损状态。标示器可以将电机碳刷和旋转部件中至 少一个的磨损状态的标示提供给使用者。通信电路可以将有关电机碳刷和旋转部件中至少 一个的磨损状态的信息传递给接近所述电机的位置监视器。
[0008] 上面的
【发明内容】
为一些例子的实施例，并不打算描述每个公开的实施例，也不打 算描述本发明各个方面的实施情况。
【附图说明】
[0009] 可以考虑将下面各实施例详细的说明结合附图来对本发明个方面进行更加完整 的理解，其中：
[0010] 图1示出了示例性电刷监视系统的视图；
[0011] 图2A和2B为图1磨损状态传感器的立体图；
[0012] 图3示出了包括图1和2磨损状态传感器的刷架组件的侧视图；
[0013] 图4为表示图1-3磨损状态传感器的框图；
[0014] 图5A和5B为柔性传感器立体图；
[0015] 图6A和6B示出了具有特定碳刷磨损状态的刷架组件的侧视图；
[0016] 图7为表示具有位置监视器的框图；
[0017] 图8示出了使用唯一标识系统来参考电机上刷架和关联电刷位置的电机安装模 块和刷架组件的示例性总线；
[0018] 图9示出了与柔性传感器可变电阻关联的电压示意图，所述柔性传感器的可变电 阻与碳刷的磨损状态关联；
[0019] 图10示出了说明电机旋转部件情况的瞬态电压信号例子的示意图；
[0020] 图11示出了监视一个以上电气装置部件磨损状态的方法。
[0021] 尽管可以对本发明的各方面进行各种修改和采用替代形式，但其详细说明已经通 过附图中例子的方式进行了示出并且将更加详细地描述。然而应该理解，不打算将本发明 的各个方面限制在所描述的特定的实施例。相反，本发明打算覆盖所有落入本发明精神和 保护范围的修改、等效和替换技术方案。
【具体实施方式】
[0022] 对于下面被定义的术语，将采用所下的这些定义，除非在权利要求书或者说明书 的其他地方给出了不同的定义。
[0023] 假设本文所有的数字值都由术语"大约"进行了修饰，无论是否明确指出。术语"大 约"一般指所述领域技术人员认为与所列举的值等同的数值的范围（即，具有相同的功能或 结果）。在一些例子中，术语"大约"包括了被四舍五入到最接近有效数字的数字。
[0024] 通过端点来列举的数字范围，包括了该范围内的所有数字（例如1到5包括了 1， 1. 5,2,2· 75,3,3· 80,4 和 5)。
[0025] 对于各种元件、特征和/或规格，尽管公开了一些合适的尺寸、范围和/或数值，应 当理解，本领域的技术人员，受到本发明的启示，可以从那些特别公开的部分中得到所需要 的尺寸、范围和/或数值。
[0026] 正如说明书和所附权利要求书中所使用的，单数形式的"a"、"an"和"the"包括了 其所指对象的复数形式，除非内容中有另外明确的要求。正如说明书和所附权利要求书中 所使用的，术语"或"一般按照其"和/或"的意思来使用，除非内容中有另外明确的要求。
[0027] 下面的详细说明应该参照附图进行阅读，在这些附图中，不同附图的相似元件具 有相同的编号。该详细说明和附图未必按比例描绘用来说明的实施例，也不打算限制本发 明的保护范围。描述进行说明的实施例仅仅打算作为示例。可以从任一个进行了说明的实 施例中选择特征并入到另外的实施例，除非有相反的明确表述。
[0028] 图1示出了示例性电刷监视系统100用来说明的视图，该系统可以包括刷架组 件110、位置监视器120和/或包括了远程监视装置150、160的远程监视点140。在一些 情况中，刷架组件110基本上类似于，名为"刷架装置，电刷组件，以及方法"的美国专利 No. 7, 034, 430中所描述的的刷架组件，通过引用，其全部并入到本文中。然而，进行说明的 电刷监视系统100可以使用各种刷架组件构造。也就是说，进行说明的电刷监视系统100 可以与任何所需要的电气装置的刷架组件构造结合起来使用。例如，进行说明的电刷监视 系统 100 可以与美国专利 Nos. 6, 731，042、5, 753, 992、5, 621，262、5, 463, 264、5, 397, 952 和 5, 256, 925中所公开的刷架组件、刷架和/或电刷一起使用；其中的每一个都通过引用并入 到本文中。
[0029] 刷架组件110,例如图1所示的，可以包括诸如刷盒的刷架22,所述刷架22在多个 侧面围绕电刷24,并且包括多个用来引导电刷24线性运动或者纵向运动的引导面。在一 些实施例中，刷架22未表现为盒子的形式，但是可以包括一个以上引导面或者部分的引导 面，来引导电刷24的线性运动或者纵向运动，所述引导面包括一个以上，例如紧靠和/或围 绕电刷24 -个以上侧面，和/或延伸进或延伸穿过电刷24的槽、杆和圆柱。
[0030] 刷架22可以固定到安装杆26,并且适合于安装到例如安装块70的另一种结构。 刷架组件110可以用来放置电刷24,所述电刷24与导电表面12接触，所述导电表面12为 例如电机旋转部件15的表面，所述旋转部件诸如集电环、集电环或者换向器，并且传导来 自其的电流。电刷24可以从刷架22下边缘延伸出来，使得电刷24的磨损表面与导电表面 12接合。安装杆26可以包括过中心的结合机构、用于滑动接合的开槽的或者有沟的结合 机构，或者便于电刷24和导电表面12结合和脱离的其他机构。在其他实施例中，刷架组件 可以包括刚性地安装到另一种结构上的刷架，所述另一种结构使得刷架保持固定不动，或 者安装到另一种按需布置的结构上的刷架。例如，在一些实施例中，刷架可以用螺栓固定到 或者焊接到稳定的结构。在美国专利Nos. 6, 731，042、5, 753, 992、5, 621，262、5, 463, 264、 5, 397, 952和5, 256, 925中公开了一些这样的刷架；通过引用将它们并入到本文中。
[0031] 如图1所示，安装杆26可以包括上杆部件27和下杆部件28,两者彼此铰链或者枢 轴结合。当上杆部件27和下杆部件28相互对齐时（例如，上杆部件27的纵轴平行于下杆 部件28的纵轴），可以认为刷架22处在接合或者锁定的位置，使得电刷24可以紧邻导电表 面12,或者与其接触。当上杆部件27倾斜于下杆部件28 (例如，上杆部件27的纵轴倾斜于 下杆部件28的纵轴），可以认为刷架22处在未接合或者未锁定的位置，使得电刷24不与导 电表面12相邻，而是与其分隔，或者与其不直接电接触。在操作过程中，安装杆26可以可 去除地连接到安装块70。在一些实施例中，安装杆26可以与安装块70滑动接合、联锁或者 用别的方法可去除地连接。安装块70可以连接到、固定到另一种结构或者用别的方法从其 延伸，所述结构，例如，维持安装块70相对于导电表面12的静止。
[0032] 在一些实施例中，手柄21可以连接到刷架22,这有助于刷架22与导电表面12的 接合与脱开。例如，手柄21可以连接到上杆部件27,使得手柄21的运动相对于下杆部件 28只驱动（例如，枢转、滑动、释放）上杆部件27。手柄21可以是可去除手柄，或者是可永 久连接到上杆部件27或者刷架22另一部分的手柄21。
[0033] 图1也说明了弹簧29,例如恒力弹簧，所述弹簧向电刷24提供张力，朝着导电表面 12偏压电刷24,并使两者接触。例如，弹簧29可以连接到刷架组件110的刷架22部分或 者安装杆26部分。在一些实施例中，弹簧29可以沿电刷24的一个侧面延伸，所述电刷24 位于刷架组件110的电刷24和安装杆26之间。
[0034] 刷架组件110可以进一步包括磨损状态监视器50和柔性传感器60,其中磨损状 态监视器50可以与柔性传感器60通信连接。例如，磨损状态监视器50可以接受代表电刷 24位置和/或运动的信号。在一些情况下，磨损状态监视器50可以紧邻弹簧29定位。例 如，磨损状态监视器50可以紧邻弹簧29的一个面安装，或者用别的方法和弹簧29安装，例 如，如图3所示，在由弹簧29所形成的弹簧卷里。磨损状态监视器50可以包括一个以上标 示器55,所述标示器传递电刷24、导电表面12或者两者的物理状态。在一些情况下，为了 将磨损状态信息传递给使用者，标示器55可以包括一个以上发光二极管（LEDs)，扬声器或 者两者的结合。在一些情况下，磨损状态监视器50可以可以紧邻刷架组件110部件上弹簧 29以外的表面定位。例如，磨损状态监视器50可以定位在刷架22、下杆部件28、上杆部件 27上，或者紧邻它们定位，和/或定位在一个以上刷架组件110分流器上，或者紧邻其定位， 和/或定位在刷架组件110手柄21上，或者紧邻其定位。在一些情况下，磨损状态监视器 50可以永久地和/或可移动地并入为刷架组件110手柄21或其他部件的一个部分。
[0035] 柔性传感器60也可以紧邻弹簧29定位，使得电刷24的运动可以引起柔性传感器 60屈曲或者另外地变形。例如，柔性传感器60的近端可以与刷架组件110的刷架22或安 装杆26的一部分连接，而远端可以与磨损状态监视器50连接和/或通信连接。在一些情 况下，柔性传感器60可以连接到弹簧29、嵌入弹簧29、与弹簧29接触，并且跟踪或跟随电 刷24的移动。例如，柔性传感器60可以贴附到弹簧29的表面（例如，内表面、外表面等）。 在另一个例子中，柔性传感器60可以紧邻弹簧29定位。如此，柔性传感器60的任何运动 可以直接对应电刷24的运动。
[0036] 例如，对应柔性传感器60电阻值的信号，可以与电刷24的线性移动或纵向移动、 变化和/或减少相等、成比例，或者用另外的方法对其进行表示。在一些情况下，磨损状态 监视器50可以将柔性传感器60的稳态电阻值与电刷24的磨损状态联系起来，并且/或者 将瞬态电阻与导电表面12和/或旋转部件15的磨损状态联系起来。柔性传感器60的稳 态电阻值可以对应旋转部件15 -次或多次旋转所获得的值，并且可以对应电刷24上表面 相对于旋转部件15导电表面12的位置。在一些情况下，柔性传感器60的瞬态电阻值可以 对应旋转部件15至少部分旋转过后所获得的值，例如，电刷24震动所产生的电阻值，所述 震动由旋转部件15导电表面12中的变化引起。稳态电值（例如，电平）可以与一个以上 预定的阈值进行比较，来确定电刷24的磨损状态。类似地，瞬态电值可以与电刷24的震动 有关，可以对其进行监视，并且/或者将其与一个以上预