专利名称：用于检测电动旋转设备滑动接触部件的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种检测装置，该装置用于检测电动旋转设备、尤其是涡轮发电机的滑动接触部件，该装置具有一个滑动接触部件支座和一个获取滑动接触部件状态参数的传感器以及一个用于计算由传感器获取的状态参数的计算单元。
背景技术：
本发明尤其涉及带有滑环的涡轮发电机或带有集流环的励磁机的插刷支座。在插刷支座中插进碳刷作为可更换的滑动接触部件。
电动旋转设备在转子上具有磁场绕组。磁场绕组的励磁电流通过碳刷经过滑环进行输送。对于输送电能的发电机来说励磁电流的大小取决于所需的功率。为了尽可能好地通过碳刷输送励磁电流需要一特定的碳刷电流载荷。电流通过旋转的滑环和与滑环接触的固定碳刷进行输送。在接触期间碳刷在相应的旋转对称滑环面上滑动。因此碳刷受到很大磨损。
碳刷设置在所谓的插刷支座里面，支座本身固定在固定的环上。这样构成插刷支座和环，使插刷支座能够相对容易地从固定器上取下来。如果电刷达到其最小许用长度时，则必须更换设置在插刷支座里面的电刷、尤其是碳刷。
由于剧烈磨损以及各碳刷对磨损的耐用度非常不同，因此必须在相对较短时间间隔的维护工作范围里检测碳刷的磨损。这种维护工作在运行期间的工作电压下进行。由于危险电压这种维护工作只能由受过培训的专业人员进行。此外这种维护工作是非常费时的，因为例如对于6000A励磁电流的发电设备来说必须维护大约120个碳刷。
一般来讲，在碳刷与滑环或整流环之间的系统中除了普通的摩损以外还非常易与损坏，因此必须附加地进行监测。扰动作用表现为过快地磨损、过高的温度、所谓的碳刷烧损、与此相关的所谓烧伤斑点、不允许的振动和振颤、电刷脱落等等。为了检测缺陷通常需要昂贵的带有检测导线的检测仪器，检测导线由各碳刷引到相应的计算单元。在此常常必须首先将通风或隔音装置、过滤器等拆除，以便能够将检测导线引到每个要被检测的碳刷。此外要在靠近可能具有危险的电压条件下工作。
例如通过DE 197 58 235，DE 196 19 728 A1以及DE 196 19 733 A1可以得到检测碳刷磨损的装置。在这些文献中配有不同的传感器装置用于获取磨损。
尤其是在DE 196 19 733中配有光传感器以及感应式、电容式或光电式位移传感器，通过这些传感器能够检测到碳刷的位置并由此检测到碳刷磨损。此外存在一个作为力承受体的压电传感器用于确定弹簧力，通过此弹簧力碳刷顶压在滑环上。此外描述了一种流体系统，其中从一个确定的碳刷磨损开始压力空气的流通路线打开或封闭。所有已知的系统都需要昂贵的布线系统，例如从传感器到插刷支座外边的计算单元和测试单元的电线，或者例如复杂的压力空气管道。在更换碳刷时必须首先将管道拆除然后接着再连接上，这在整体上将导致费时地更换碳刷。尤其是当通过电导线将传感器连接到计算单元时需要采取附加的措施用于电位隔离及用于提高耐电强度。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种用于检测滑动接触部件的装置，该装置保证实现安全可靠的功能并且也有利于维护且价廉。
按照本发明，这个目的通过权利要求1的特征而实现。按照该特征，通过传感器获取固定在支座里面的滑动接触部件、尤其是碳刷的状态参数并输送到计算单元用于计算，其中信号无导线地传递到计算单元。
通过无导线传输将避免在支座、尤其是插刷支座与计算单元之间进行昂贵的布线。由此在维修中无需对导线分离与再连接的附加措施。
此外通过无导线监测除了监测一般的磨损以外还能够连续地检测可能出现的缺陷。为了达到插刷支座，不需要复杂的附加的检测仪器和拆除相应的装置。总之，由此能够很好地实现维护便利性。此外为了检测无需在带电部件上直接工作。检测更多地是分散地通过检测单元进行并且在必要时也可以自动地进行检测。甚至能够在识别到不允许的运行状态、例如发电机紧急断路情况下自动启动自动保护措施。此外，由于无需将专用导线引至插刷支座，因此可以通过简单的方法对现有的插刷装备这个系统。也不必改变碳刷的原理结构。此外由于无需检测导线，避免了引起短路的危险，并且也无需各传感器相互间电位隔离的措施。再者，为了无导线地传递信号可以采用传统的微电子系统，该系统不仅占地小而且非常廉价。
通过无线电或光电式传输信号是适用的。在此无线电波的频率范围尤其是调整在约433MHz。对于光电式传输尤其要考虑红外信号。这些措施保证可靠且无干扰地传递信号。
此外最好规定，将传感器与电子模块连接，该电子模块具有用于传输信号的发射模块。同时在电子模块中以具有优点的方式将传感器所获取的检测信号转换成适合发射的信号，该信号由信号模块给出。在电子模块中可以组合其它功能并可以实现检测信号的第一次处理。
对于传感器以及电子模块的运行配有自给的电源、例如通过电池供电是适用的，以便在任何时候都可靠地保证与集中电源无关地进行检测。
此外，在一个优选的实施例中电子模块包括一个缓冲存储器用于存储所获取的检测信号。由此能够通过传感器进行连续地检测，只在确定的时间或者仅在计算单元询问时才发射与检测数据相匹配的信号。
尤其是由此可以实现多个传感器信号都由计算单元接收的可能，如同在优选的扩展结构中所规定的那样。在检测信号暂存在电子模块里的情况下断续地、即交替地与计算单元进行数据交换。
此外还具有优点地规定，发射给计算单元的信号具有编码。该编码专门与各滑动接触部件相匹配或者与从属于滑动接触部件的各传感器或电子模块相匹配。在此编码包括例如识别号码、滑动接触部件的安装位置、获取该检测信号的日期和时间。
为了安全而可靠地检测滑动接触部件的磨损将传感器按照发射-接收原理设计成两部分，其中一部分固定设置而另一部分相关于磨损可移动地设置。这两部分优选由永久磁铁和继电器、尤其是舌簧继电器构成。当永久磁铁到达继电器时，继电器接通。接通信号作为检测信号传递给电子模块。由于滑动接触部件磨损增加而产生继电器与永久磁铁之间的相对移动。
在不同的位置配置多个与继电器相匹配的永久磁铁是适用的。这一点用来获取不同的磨损值。由此实现在间断的步骤中跟踪磨损程度的可能。
除此之外或者作为替换多个相邻设置的继电器也是适用的。继电器的不同定位同样用来获取相互独立测得的不同磨损值。为此各继电器的检测信号尤其明确地与各继电器匹配并且被发射到计算单元进行处理的信号配有相应的编码，该编码能够识别各继电器。
与尽可能紧凑和集成的结构形式有关，将传感器与滑动接触部件设置在一个支座壳体里面。壳体具有用于滑动接触部件的滑动接触护套，带有内置伸缩套的管状壳体部件连接在滑动接触护套上。与伸缩套刚性连接的移动部件伸进伸缩套，在移动部件上设置传感器的移动部分。伸缩套与滑动接触部件共同起作用，使由于磨损引起的位置变化引起传感器移动部分的位移。与此相反，传感器固定部分在调整和装配以后位置固定地设置在管状壳体部件中间。
在此移动部件最好由管材，尤其是不导电的塑料管制成，在管材内壁上设置传感器的移动部分。另外规定，在这个管件中间穿进一个带有固定部分的测试套管。在此测试套管最好同样由管状构成，在其中间导线引到电子模块。通过这种结构实现整体上非常紧凑的结构形式。此外这种结构能够以相对较少的装配费用配置在传统的插刷支座里面。对此还可以选择使测试套管包括或围绕移动部件。
为了获取除正常磨损或过量磨损以外的其它扰动参数可以在优选的扩展结构中附加地或选择地配置振动传感器、温度传感器、电流传感器和/或弹簧力传感器。
振动传感器用于获取不允许的滑动接触部件振动。在此尤其要评价滑动接触部件在运行中的加速情况。所出现的振动常常作用于多个方向。因此最好可以通过振动传感器区别相互不同的振动方向。根据振动方向和振动频率可以推断出有关振动形式和与此相关的潜在危险的结论。
对于振动存在着区别允许振动与临界振动的问题。因此在优选的扩展结构中规定，将由振动传感器获取的检测信号存储起来并由计算单元进行长时间比较。这种长时间比较提供一个非常有力的振动评价结论。
温度传感器用于获取滑动接触部件处的温度。为此以简单的方法测得不允许的高温。温度传感器尤其是作为运行期间的连续检测。由此可以及时辨别由于高温产生的缺陷并通过采取针对性措施避免可能发生的严重后果。在一个适用的扩展结构中在滑动接触部件上具有一个孔，这个孔通向磨损方向的底端面。必要时传感器可以在这个孔中移动。因此也存在直接在滑动接触部件磨损端检测温度的可能性。
可靠运行的一个重要因素是流经滑动接触部件的电流。通过电流传感器测得的电流能够及时地得到滑动接触部件与滑环之间接触不良的报告。
弹簧力传感器用于获取作用于滑动接触部件上的弹簧的弹簧力。通过这个弹簧滑动接触部件顶压在滑环上。根据弹簧力一方面可以得到磨损结论，另一方面可以得到接触压力不足并由此推断出滑动接触部件与滑环之间接触不良的结论。
下面结合附图详细描述本发明的实施例。附图中分别简化地示出图1为一个插刷支座，带有一个传感器装置用于检测滑动接触部件的磨损，还带有一个用于传递无线信号的电子模块，图2为大为简化的方框图，用于说明通过图1中的电子模块进行信号处理，图3为可以与图1相比较的视图，其中电子模块用于传递红外信号，图4为简化的方框图，用于说明通过图3中的电子模块进行信号处理，图5为非常简化的视图，由该视图说明检测装置每个元器件的共同作用，图6为可与图1相比较的视图，其中设置振动传感器代替磨损检测传感器装置，图7为为可与图1相比较的视图，其中设置温度传感器代替磨损检测传感器装置。
在附图中作用相同的部件具有相同的标记符号。
具体实施例方式
按照图1插刷支座2包括壳体4，该壳体在底部具有滑动接触护套6和连接在该护套上的管状壳体部件8。在壳体部件8内部设置伸缩套9。在滑动接触护套6里设置滑动接触部件10、特别是碳刷。滑动接触部件10在运行时与滑环12接触。
伸缩套9穿过滑动接触护套6的端面限定套14延伸到这个护套。伸缩套9在端面上封闭，伸缩套9上的连接件16顶压在滑动接触部件10的端部。在这个连接件16上设置塑料套管18，该套管穿在伸缩套9里面。测试套管20又从上部伸进塑料套管18。套管同样是管状结构并与电子模块22连接。电子模块22位于管状壳体部件8上面。电子模块22在中间具有缺口24，通过这个缺口检测套管26可以穿过去并穿进伸缩套9一直到连接件16。
在此检测套管26最好由检测管构成，检测管在端部例如按照叉状配置开缝。检测套管26例如可以进行滑动接触部件10磨损的手动检测。检测套管在放弃自动检测磨损的情况下是特别实用的，如同例如对图6和7中的实施例所配置的那样。
在测试套管20的端部相互间隔距离地固定两个继电器28A，B，该继电器尤其是由舌簧继电器构成。在塑料套管18的内壁上设置永久磁铁30。电导线从两个继电器28A，B分别在测试套管20内部引到电子模块22。继电器28位置不变地固定。为此测试套管20与电子模块22刚性固定。与此相反，永久磁铁30移动地设置，因为当滑动接触部件10磨损时由于设置在伸缩套内部的压簧22使滑动接触部件向滑环12方向上随动。同时通过连接件16与滑动接触部件10连接的塑料套管18也被迫移动，使永久磁铁30向滑环12方向上移动。
一旦永久磁铁30到达第一继电器28A，继电器接通，则发出一个电压脉冲给电子模块22。在那里将这个检测信号在信号模块34A中处理成无线信号，并将其无导线地发出。除了信号模块34A以外电子模块22还包括一个可更换的电池36，该电池负责对电子模块22独立供电。此外在电子模块22中配有电压极限值传感器38、两个开关键40A，B以及信号灯42，当滑动接触部件10达到最小许用长度时，信号灯点亮。此外开关键40A，B用于继电器功能测试。发射模块34A例如发出频率范围433MHz左右的无线信号。
此外，插刷支座2包括一个可摆动地固定在滑动接触护套6上的手柄杠杆44。在手柄杠杆44与滑动接触护套6之间设置弹簧46，该弹簧将手柄杠杆44从滑动接触护套6上顶开。手柄杠杆44在其下端作用在夹紧体48上。手柄杠杆44与夹紧体48一起作为滑动接触部件10在滑动接触护套6中的固定装置并可以更换滑动接触部件10。
在电动设备、尤其是发电机运行时旋转的滑环12在滑动接触部件10上滑动。由此使磨损增加并且滑动接触部件通过弹簧32随动。随着磨损增加永久磁铁30首先接近第一继电器28A。一旦永久磁铁到达继电器，则继电器28A接通并产生相应的无线电信号。在此这个第一无线信号的产生与第一磨损临界值有关。例如这个临界值指出，滑动接触部件10还只能运行给定的时间。如果滑动接触部件继续磨损，则永久磁铁30到达第二继电器28B并使继电器接通，由此发出第二无线信号。这个第二无线信号是到达另一个磨损临界值的标志，例如现在开始给出绝对磨损极限并且需要紧急更换滑动接触部件10。
各继电器28A，B分别具有已编码的无线信号，其中编码在电子模块22中产生，以便能够区别两个从属于继电器28A，B的无线信号。对于带有两个继电器28A，B的结构，也可以选择在塑料套管18内壁上配置多个永久磁铁30。通过跟踪由继电器28产生的信号可以连续地检测磨损。
借助于由图2所示方框图可以看出无线信号从电子模块22传递到计算单元50。计算单元50同时作为到达的无线信号的接收站并具有接收模块52A，该模块检测无线信号。由接收模块52A控制一个开关54，该开关将无电位导线触点接通到例如用于信号继续传递的控制台。此外同时接通指示灯56并且配有接通/断开按键用于应答。由电子模块22的方框图可以看出已经在图1中描述过的各元器件，即电池36、信号模块34、电压极限值发送器38和两个按键40A，B。在这个方框图中两个继电器28A，B从属于电子模块22的功能。按键40A构成测试按键，通过该按键可以测试功能性。第二按键40B用于信号编码。在此通过第二按键40B在首次安装时对信号模块34进行相应地编程，以便将无线信号发射给计算单元50。
在电子模块22中可以附加配置缓冲存储器58(用虚线表示)。最好在缓冲存储器58中暂存已经处理过的信号并且或者以有序的周期性时间间隔发射给计算单元50，或者在计算单元50询问时发射给计算单元。在图2中数据交换仅建立在从信号模块34A到接收模块52A。但是两个模块34A，52A最好不仅作为发射模块而且作为接收模块，以便它们能够相互通讯并交换数据。
图3中的插刷支座2与图1中的基本上全等，差别在于，配有发射红外信号的信号模块34B。这个发射模块34B与发射模块34A一样最好是可编程和可编码的。为了发射红外信号，发射模块34B具有一个红外灯60。为了接收信号配有红外检波器61。
在图4中示出与图3实施例相关的方框图。在这里两个继电器28A，28B仍然作为功能部件从属于电子模块22。计算单元50包括接收模块52B，现在它用于接收和发射红外信号。通过发射模块34B与接收模块52B之间的双箭头表明，两个模块34B，52B不仅用于发射而且也接收红外信号。接收模块52B通过红外线接口与计算机62连接，该计算机负责其它计算并且特别是控制开关器件64，以便在相应的信号下点亮信号灯56并将无电位导线触点55接通到控制台。
由图5可以看出为检测滑动接触部件10所配置的各个元器件在原理上的相互作用。根据此图在所谓的通风罩65里面设置插刷支座支撑体66，该支撑体在圆周上具有多个插刷支座2。插刷支座2分别具有信号模块34A，B，通过该模块发射已编码并具有特定滑动接触部件特征的信号。在此三个在左半图中示出的信号模块34A用于发射无线信号，该信号被相应的无线信号接收模块52A所接收。与此相反，在右半图中的两个信号模块34B用于发射红外信号，该信号被从属的接收模块52B所接收。接收模块通过红外连接与计算机62连接。
如同已经描述过的，计算单元50的接收模块52A，B也设计成发射单元，以便能够将数据传递给电子模块。通过这种途径存在对相应的电子模块进行编码和调整的可能性。
在图6所示的插刷支座2中没有自动确定磨损的检测装置。在这里通过检测套管26手动地确定磨损。按照这个实施例配有振动传感器68，传感器直接设置在连接件16的接头里面。因此滑动接触部件10的振动运动直接由振动传感器获取。在此这个传感器特别是设计成模拟或数字的加速度传感器。它同时作为多维检测的传感器，以便能够检测和区别不同振动方向上的振动。在振动传感器68上连接导线管70，在导线管里穿过连接到电子模块22的检测导线。在这里信号传递通过红外信号实现。为了获得振动频率、振幅和相位由振动传感器68测得的加速度紧接着在可以是计算机62的计算单元50中进行分析。在计算机62中还特别地对所获取的振动数据进行长时间比较。根据分析结果作出关于缺陷的诊断，例如由于滑环烧损斑点造成的滑环不圆度而使轴震动所引起的缺陷或者由滑动接触部件10振动所引起的缺陷。一旦超过给定的加速度值，则产生相应的极限值报告。为了获取滑动接触部件10可能明显地由振颤造成的振动，振动传感器68最好直接设置在滑动接触部件10端部，如同由第二振动传感器70所表示的那样。也可以同时使用两个振动传感器68，70。
按照图7配有温度传感器72，该传感器同样设置在滑动接触部件10端部。孔74穿进滑动接触部件10，而温度传感器72可以被送到底部位置，如同由在底部的温度传感器72’所表示的那样。温度传感器72也可以被送到滑动接触部件10磨损面的附近，以获取那里的温度。当温度过高时发出相应的信号。
此外，代替温度传感器或振动传感器的也可以是电流传感器，该传感器检测流经滑动接触部件10的电流。此外可以配置弹簧力传感器，该传感器获取设置在伸缩套9里面的压簧32的弹簧力，以便能够由此推断出滑动接触部件10的磨损。也可以相互组合各实施例所描述的传感器。
权利要求
1.用于检测电动旋转设备、尤其是发电机滑动接触部件(10)的装置具有一个滑动接触部件(10)的支座(2)以及一个用于检测滑动接触部件(10)状态参数的传感器(28，30，68，70，72)和一个用于计算由传感器(28，30，68，70，72)测得的状态参数的计算单元(50)，其特征在于，传感器(28，30，68，70，72)信号无导线地传递到计算单元(50)。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号通过无线电波或光电方式(IR)进行传递。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述传感器(28，30，68，70，72)与电子模块(22)连接，该模块具有用于传递信号的发射模块(34)。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，为了驱动传感器(28，30，68，70，72)和电子模块(22)配有自给的电源(36)。
5.如权利要求3或4所述的装置，其特征在于，所述电子模块(22)包括一个缓冲存储器(58)。
6.如上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，存在多个滑动接触部件(10)，它们分别配有传感器(28，30，68，70，72)，并且多个传感器(28，30，68，70，72)信号都由计算单元(50)接收。
7.如上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，传输给计算单元(50)的信号具有编码。
8.如上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，用于获取滑动接触部件(10)磨损的传感器(28，30)由两部份组成，其中一部分(28)固定不动地设置而另一部分(30)相关于磨损可移动地设置。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述传感器的一部分由永久磁铁(30)构成而另一部分由继电器(28)构成。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，将多个与继电器(28)相匹配的永久磁铁(30)配置在不同位置用于获取不同的磨损值。
11.如权利要求9或10所述的装置，其特征在于，配置多个相互间隔设置的继电器(28)用于获取不同的磨损值。
12.如上述权利要求8至11中任一项所述的装置，其特征在于，所述滑动接触部件(10)设置在支座(2)外壳(4)的滑动接触护套(6)里面，滑动接触部件具有邻接滑动接触护套(6)的管状壳体部件(8)，该管状壳体部件带有内置的伸缩套(9)，伸缩套与滑动接触部件(10)相互作用并与移动部件(18)刚性连接，移动部件穿进伸缩套(9)并在移动部件上设置传感器(28；30)的可移动部分(30)，其中传感器(28；30)的固定部分(28)位置不变地设置在壳体部件(8)内部。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述移动部件由管材(18)构成，在其内壁固定设置移动部分(30)，而带有固定部分(28)的测试套管穿进管材(18)内部。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，通过测试套管(20)导线引至电子模块(22)。
15.如上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，为了检测不允许的振动配置振动传感器(68；70)。
16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，通过振动传感器(68；70)可以检测出并相互区别不同的振动方向。
17.如权利要求15或16所述的装置，其特征在于，由传感器(68；70)所获得的检测信号可以被存储，而计算单元(50)能够进行长时间比较。
18.如上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，配置温度传感器(72)用于获取滑动接触部件(10)处的温度。
19.如权利要求18所述的装置，其特征在于，在滑动接触部件(10)里面配置一个孔(74)，温度传感器(72)可以在孔里面移动。
20.如上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，配置一个电流传感器用于获取在滑动接触部件(10)上流过的电流并/或配置一个弹力传感器用于获取作用于滑动接触部件(10)上的弹簧(32)的弹力。
全文摘要
用于检测电动旋转设备、尤其是发电机的滑动接触部件(10)的装置。具有一个滑动接触部件(10)，支座、尤其是插刷支座(2)以及一个用于检测滑动接触部件(10)状态参数的传感器(28，30，68，70，72)。此外配有用于计算由传感器(28，30，68，70，72)测得的状态参数的计算单元(50)，其中传感器(28，30，68，70，72)信号无导线地传递到计算单元(50)。通过无导线传递使装置特别便于维护。
文档编号H01R39/00GK1395343SQ0212513
公开日2003年2月5日 申请日期2002年6月28日 优先权日2001年6月28日
发明者于尔根·克拉尔 申请人:西门子公司