專利名稱：接地功能受監(jiān)控的電機(jī)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電機(jī)，該電機(jī)具有定子、轉(zhuǎn)子、其上固定有轉(zhuǎn)子的軸，以及用于使軸接地的接地裝置。此外，本發(fā)明還涉及一種用于監(jiān)控電機(jī)的接地功能的方法。
背景技術(shù)：
電機(jī)能夠具有接地電刷，以例如維持轉(zhuǎn)子無電勢(shì)地(例如對(duì)于風(fēng)力發(fā)電裝置)。此夕卜，電機(jī)被用于例如軌道車輛，其中，工作電流通過接地電刷從轉(zhuǎn)子排出。由于功能原因或者說防護(hù)原因，始終需要監(jiān)控接地電刷的接地功能。目前，只能通過機(jī)械系統(tǒng)，監(jiān)控接地電刷是否低于剩余長(zhǎng)度。其中，一旦電刷低于最低長(zhǎng)度，就通過微型開關(guān)斷開接觸。目前不可能監(jiān)控接地電刷的接地能力。
如之前所做的說明，在技術(shù)領(lǐng)域中，電刷通常用于將電能傳輸至整個(gè)系統(tǒng)的活動(dòng)部件。其中，通過滑動(dòng)接觸建立連接，而滑動(dòng)接觸經(jīng)受磨損。在許多應(yīng)用(例如軌道驅(qū)動(dòng)裝置)中，必須通過軌道閉合通向變電站的電動(dòng)機(jī)回路。因?yàn)檐壍谰哂谢鼐€的功能，所以必須越過車輪軸承，將整個(gè)電動(dòng)機(jī)電流傳輸至車輪軌道觸點(diǎn)。為了避免通過滾動(dòng)軸承傳送電流以及為了避免該部件的快速毀壞，通過電刷滑動(dòng)接觸橋接軸承。在此，對(duì)于長(zhǎng)使用壽命來講，重要的是監(jiān)控電刷火花的接地功能、接地電刷的功能以及接地系統(tǒng)中的非特定的高電流。目前沒有持續(xù)監(jiān)控接地電刷。由于受限的使用壽命以及在特定的使用壽命前失靈，例如在電氣過載和機(jī)械過載時(shí)，部分冗余地設(shè)計(jì)接地電刷并且定期對(duì)其進(jìn)行檢查。其中，例如通過專門的接觸電刷從軸中減少供電，而非通過軸的軸承。通常，對(duì)于四軸機(jī)車，三個(gè)軸用于供電，第四個(gè)軸用于機(jī)車的接地。第四個(gè)軸的電刷與機(jī)車的殼體連接。三個(gè)接地電刷的電流的總量與牽引電流相比。如果牽引電流和三個(gè)軸的接地電流之間的差不為零(故障電流)，則接地系統(tǒng)中一定有故障。以此方式，實(shí)現(xiàn)故障電流保護(hù)開關(guān)的功能，該故障電流保護(hù)開關(guān)即在對(duì)地短路(接地)的情況下觸發(fā)機(jī)車的主開關(guān)。在電機(jī)接地的情況下，如果過晚對(duì)損壞的接地電刷進(jìn)行維修,則可能已經(jīng)在電動(dòng)機(jī)或者發(fā)電機(jī)軸上造成了后續(xù)損壞。此類例子是滾動(dòng)軸承中不允許的過高的電流傳輸(軸承電流)。在此也可以指人身保護(hù)以及所連接的機(jī)器(例如傳動(dòng)裝置或者測(cè)量裝置)上的滾動(dòng)軸承的保護(hù)。此外，接地系統(tǒng)中不期望的高的電流也會(huì)導(dǎo)致問題。該電流能夠通過磁感應(yīng)、電勢(shì)中的差別或者軌道車輛的軌道中的外部電流引起，并且能夠通過電磁效應(yīng)產(chǎn)生軸承電流或者誤操作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，更好地監(jiān)控電機(jī)的接地裝置的接地功能。根據(jù)本發(fā)明，該目的通過一種電機(jī)得以實(shí)現(xiàn)，該電機(jī)具有定子、轉(zhuǎn)子、其上固定有轉(zhuǎn)子的軸，以及用于使軸接地的接地裝置，此外還包括用于測(cè)量接地裝置的接地電流以及用于提供相應(yīng)的測(cè)量值的測(cè)量裝置和用于根據(jù)測(cè)量值，監(jiān)控接地裝置的接地功能的監(jiān)控裝置。此外，根據(jù)本發(fā)明，還提供一種用于監(jiān)控電機(jī)的接地功能的方法，該電機(jī)具有定子、轉(zhuǎn)子、其上固定有轉(zhuǎn)子的軸，以及用于使軸接地的接地裝置，該方法還用于測(cè)量接地裝置的接地電流并且提供相應(yīng)的測(cè)量值，以及用于根據(jù)測(cè)量值，監(jiān)控接地裝置的接地功能。在有利的方式下，也檢測(cè)電機(jī)的接地電流，該接地電流的類型和/或大小允許推斷接地裝置的接地功能。通過持續(xù)監(jiān)控接地電流，能夠以此保證持續(xù)監(jiān)控接地功能。優(yōu)選地，能夠通過測(cè)量裝置，無接觸地測(cè)量接地電流。特別地，能夠通過測(cè)量裝置，檢測(cè)由接地電流引起的磁場(chǎng)或者電場(chǎng)。通過該無接觸的測(cè)量方法，可以實(shí)現(xiàn)無磨損的測(cè)量。替換方式為，測(cè)量裝置能夠具有電流探頭。因此，可以實(shí)現(xiàn)不依賴于外部電場(chǎng)和磁場(chǎng)的無故障的測(cè)量。對(duì)于一種優(yōu)選的實(shí)施方式，通過測(cè)量裝置，在IOkHz至IOMHz的頻率范圍內(nèi) 測(cè)量接地電流。在該范圍內(nèi)，大多產(chǎn)生足夠高的稱合(Einkopplung),并且傳播效應(yīng)(Ausbreitungseffekte)尚未起到任何重要作用。另外，接地裝置能夠具有接地電刷，該接地電刷的接地電流間接通過其上的壓降由測(cè)量裝置確定。以此方式，可以極精確地監(jiān)控接地電刷的質(zhì)量。此外，測(cè)量裝置具有分流電阻，接地電流流過該分流電阻，并且由測(cè)量裝置進(jìn)行測(cè)量。此類測(cè)量電阻能夠容易地集成于該系統(tǒng)內(nèi)，并且同樣能夠容易地監(jiān)控通過該測(cè)量電阻的壓降。在一個(gè)優(yōu)選的應(yīng)用中，軌道車輛裝備有上述的電機(jī)；除此之外，軌道車輛還具有車輪軸承，該車輪軸承由接地裝置電橋接(ueberbrueckt),以便電機(jī)的接地電流預(yù)期地通過接地裝置，而非通過車輪軸承流出。因此，能夠有目的地避免軸承電流。在一個(gè)特別的實(shí)施方式中，軌道車輛具有防止高電流的保護(hù)電阻，其中，接地電流流過保護(hù)電阻，并且測(cè)量裝置測(cè)量或者說確定保護(hù)電阻中的接地電流。


現(xiàn)在，根據(jù)附圖進(jìn)一步闡述本發(fā)明，在這些附圖中示出圖I具有接地裝置和監(jiān)控裝置的電機(jī)的簡(jiǎn)圖，以及圖2用于監(jiān)控電機(jī)的接地裝置的接地功能的原理圖。
具體實(shí)施例方式接下來進(jìn)一步描述的實(shí)施例是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。在圖I的實(shí)施例中，顯示有一種電機(jī)(elektrische Maschine),在此為電動(dòng)機(jī),具有定子I和轉(zhuǎn)子2。轉(zhuǎn)子2安裝在軸3上。借助于第二軸承4，軸3被放置在定子I上。除此之外，在電機(jī)中還標(biāo)記有用于確定軸承電流的等效電路圖部件。一方面存在在定子的繞組和殼體之間的電容Cp另一方面存在在定子的繞組和轉(zhuǎn)子之間的電容CWK。此外，在轉(zhuǎn)子和殼體之間產(chǎn)生電容Cp除此之外，在軸3和殼體之間，能夠測(cè)量阻抗Zw。通過電容性的分壓器，變流器運(yùn)行中常見的定子的繞組上的共模電壓被“分配”到軸上(BVR)。結(jié)果就是軸承電壓。如果軸承上的潤(rùn)滑油膜不能繼續(xù)保持電壓，則產(chǎn)生電弧，而電弧會(huì)導(dǎo)致軸承電流。除此之外，從圖I中可以看出，電機(jī)的殼體已接地。另外，軸3也借助于電刷5接地。電動(dòng)機(jī)自身有可能不具有接地電刷，但是電機(jī)整體具有一個(gè)需要對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控的接地裝置，例如在輪對(duì)上。在此，無接觸地借助于測(cè)量裝置6和監(jiān)控裝置7，對(duì)電刷5的接地功能進(jìn)行監(jiān)控。監(jiān)控裝置7對(duì)外發(fā)出相應(yīng)的監(jiān)控信號(hào)S，通過該監(jiān)控信號(hào)S，控制電機(jī)或者為操作者傳送相應(yīng)的消息。盡管早在幾十年前就有要充分監(jiān)控接地功能的問題，然而，迄今為止仍沒有真正讓人滿意的補(bǔ)救措施。發(fā)明者已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，現(xiàn)在流行的這樣的前提是錯(cuò)誤的，即除了在滑動(dòng)接觸(Schleifkontakt)上不會(huì)在接地電刷上產(chǎn)生任何壓降。因此，現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)持續(xù)的對(duì)接地功能的監(jiān)控。接地電刷或者說接地功能的監(jiān)控能夠通過例如測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，該測(cè)量系統(tǒng)能夠無接觸地檢測(cè)交流和直流電壓電勢(shì)。通過利用該傳感器，例如將該傳感器安裝到電機(jī)定子的靜止的軸瓦或者說軸承瓦套上，能夠在軸承電流事件前識(shí)別到軸上存在的電勢(shì)。如果電刷不能繼續(xù)排導(dǎo)電勢(shì)，則能夠因此監(jiān)控電刷的功能。由接地電流產(chǎn)生的電壓降能夠在例如標(biāo)準(zhǔn)接地電刷5的或者附加的分流電阻的 一部分上測(cè)得。電壓降即能夠作為指示電刷是否足夠長(zhǎng)或者說是否臟污的指示。如下文中進(jìn)一步的闡述，如果在特定的頻率下測(cè)量電壓降，則可以達(dá)到特別好的結(jié)果。監(jiān)控的另一實(shí)現(xiàn)能夠在于，通過符合技術(shù)條件的接地電阻觀察電壓降。此類接地電阻是例如保護(hù)接地中的保護(hù)電阻，例如對(duì)于軌道車輛來說，為50m0hm。如果該保護(hù)電阻上的電壓降到低于特定的閾值，則接地不正確，其中，該閾值必須考慮到運(yùn)行狀態(tài)(“干擾發(fā)射機(jī)是否已接通？ ”)并且能夠考慮到頻率范圍或者時(shí)間過程或者說脈沖形式。在一種實(shí)現(xiàn)形式中，能夠?yàn)榻拥仉娏鞯臏y(cè)量預(yù)設(shè)單獨(dú)的測(cè)量電刷。在另一實(shí)施方式中，唯一的電刷被用于接地以及測(cè)量。在這種情況下，能夠預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)換開關(guān)，以在一般運(yùn)行模式和測(cè)量模式之間來回切換。對(duì)于電機(jī)的另一實(shí)施方式，存在有多個(gè)接地電刷，并且(也)使用其中一個(gè)進(jìn)行測(cè)量。與此無關(guān)，為了監(jiān)控接地功能，也能夠存在用于監(jiān)控電刷長(zhǎng)度的長(zhǎng)度傳感器。對(duì)于車輪軸承，接地功能質(zhì)量的檢驗(yàn)?zāi)軌蚓哂兄匾饬x。特別是對(duì)于軌道車輛，車輪軸承的此類監(jiān)控是有必要的。在此，接地電刷橋接車輪軸承，并且通過車輪軌道觸點(diǎn)，用作牽引電流的回線。如果有損壞，則接地接觸的電阻上升，并且可能增加通過車輪軸承自身的電流。這會(huì)在短時(shí)間內(nèi)毀壞軸承。電機(jī)內(nèi)可能存在的電流回路也可能導(dǎo)致不期望的效果。因此，要盡量避免電流回路。通過測(cè)量接地電流，可能也能夠識(shí)別到電流回路。在某些應(yīng)用下，監(jiān)控接地質(zhì)量的這一附加功能能夠絕對(duì)有利。對(duì)于通過接地電刷流出的電流，接地電刷代表阻抗。該阻抗由下列部分形成材料、滑動(dòng)接觸、存在于電刷材料中沖擊接觸(Stampfkontakt)中的銅絞線、沖擊接觸(其可能在運(yùn)行中由于振動(dòng)而變差)以及絞合線與電動(dòng)機(jī)殼體的接觸。接地功能在持續(xù)的運(yùn)行中可能的惡化與滑動(dòng)接觸條件的惡化一同出現(xiàn)?；覊m、油、腐蝕等可能是改變的原因。接觸條件的惡化始終與通過電刷流出的電流的改變相關(guān)。如果對(duì)該電流進(jìn)行測(cè)量(例如通過分流電阻)并且將其與驅(qū)動(dòng)裝置投入運(yùn)行時(shí)的數(shù)值(理想接觸條件)聯(lián)系起來，則可以由此得出關(guān)于電刷的接地能力的斷言。除了單純的RMS (Route Mean Square (均方根),有效值)形式的測(cè)量值和PK值(Peak Wert，峰值)，在此還能將在定義的較長(zhǎng)的時(shí)間間隔內(nèi)的電流的直方分類關(guān)聯(lián)起來。
在使用測(cè)量系統(tǒng)，如用于監(jiān)控軸承電流的裝置，例如被分配用于測(cè)量單純的軸承電壓的“軸承電流傳感器”的情況下，可以借助于開關(guān)，將測(cè)量任務(wù)和接地任務(wù)彼此分開。目前，只能通過借助于電刷進(jìn)行的電勢(shì)相關(guān)的電壓測(cè)量，來利用軸承電流傳感器。然而，只用于測(cè)量目的的電刷會(huì)對(duì)電機(jī)的容積和成本產(chǎn)生不良影響?，F(xiàn)在，根據(jù)圖2，進(jìn)一步闡述原則上如何能夠?qū)崿F(xiàn)接地電流的測(cè)量。為此，顯示了(例如用于保護(hù)接地的)導(dǎo)電體8，該導(dǎo)電體8或者說導(dǎo)線雙向接地。通過電場(chǎng)9或者說磁場(chǎng)10，能夠在導(dǎo)體8中感應(yīng)出雜散電流Is。特別是通過寄生電感耦合(即通過例如電動(dòng)機(jī)的磁雜散場(chǎng)10或者針對(duì)與保護(hù)接地電連接的結(jié)構(gòu)的導(dǎo)線的磁雜散場(chǎng)10)或者寄生電容耦合(即通過例如電動(dòng)機(jī)的定子繞組和電動(dòng)機(jī)殼體之間的或者電動(dòng)機(jī)電纜的導(dǎo)線及其屏蔽之間的電雜散場(chǎng)9)，安全引線8始終帶有高頻電雜散電流Is，而不會(huì)存在絕緣故障。該高頻電流導(dǎo)致接地電刷上的電壓降，安全引線8內(nèi)的附加的分流電阻或者保護(hù)接地或者說保護(hù)電阻。在圖2中，通過阻抗Zb表示接地電刷。接地電刷通常具有復(fù)雜的成分，如寄生電感。通過接地電刷，可以測(cè)量電壓降Ub。

但是，如上所述，也可以借助于在圖2中通過阻抗Zs表示的附加的分流電阻或者保護(hù)電阻，確定接地電流。阻抗也具有復(fù)雜的成分，如寄生電感。為了確定接地電流，在此也測(cè)量電壓降Us。有利地，在IOkHz至IOMHz的頻率范圍內(nèi)測(cè)量電壓降。對(duì)于還更高的頻率，稱合(Einkopplung)往往更低(例外情況例如對(duì)于電動(dòng)機(jī)頻率來說，高電流的電感稱合)。對(duì)于更高的頻率，即便接地電刷損壞，電流也能夠通過傳播效應(yīng)流入保護(hù)電阻(例如Lambda四分之一波長(zhǎng)變換器；特殊情況\ /4 :對(duì)于30MHz，具有2. 5m長(zhǎng)的線路的接地電阻“識(shí)別出”對(duì)地短路，即便接地電刷損壞，并且顯示針對(duì)地電位(Masse)的空轉(zhuǎn)(Leerlauf))。然而，借助于昂貴的技術(shù)/評(píng)估，也可以在較高的頻率下進(jìn)行測(cè)量。替換方式為，也能夠直接借助于電流傳感器，測(cè)量安全引線系統(tǒng)內(nèi)的電流。保護(hù)接地上的該雜散電流測(cè)量能夠通過例如電流探頭(Stromzange)進(jìn)行,然而,該電流探頭及其昂貴。在圖2中，通過參考標(biāo)號(hào)11標(biāo)記電流傳感器。此外，也能間接通過接地電流的影響(即電場(chǎng)和磁場(chǎng))測(cè)量接地電流。為此，在圖2中顯示用于磁場(chǎng)的傳感器12以及用于電場(chǎng)的另一傳感器13。同樣能夠通過電流測(cè)量或者通過磁場(chǎng)的間接測(cè)量或者分流電阻上的電壓降的間接測(cè)量進(jìn)行，測(cè)量電流回路中的例如基于電場(chǎng)的不期望或者甚至不允許的高電流。通過因此可能的持續(xù)監(jiān)控，能夠避免電機(jī)的損壞和危險(xiǎn)狀態(tài)。另外，能夠延長(zhǎng)保養(yǎng)間隔。例如對(duì)于風(fēng)力發(fā)電裝置，需要發(fā)電機(jī)軸的接地，以免滾動(dòng)軸承中的高軸承電流。能夠如此在因?yàn)椴y形成而損壞軸承之前，發(fā)現(xiàn)功能故障。這最終如此實(shí)現(xiàn)，即通過下游的電子裝置或者說邏輯電路，對(duì)測(cè)得的接地電流進(jìn)行評(píng)估。必要時(shí)，可以提供例如關(guān)于保養(yǎng)間隔的相應(yīng)的信息?？蛇x地，測(cè)得的電流也能夠直接用于控制電機(jī)，例如用于強(qiáng)制切斷。參考標(biāo)號(hào)列表I定子2轉(zhuǎn)子3軸4軸承5電刷
6測(cè)量裝置7監(jiān)控裝置8導(dǎo)體9電場(chǎng)10磁場(chǎng)11電流傳感器12傳感器13傳感器 Cwg電容Cwe電容Ceg電容S監(jiān)控信號(hào)Zb, Zw, Zs 阻抗Ub, Us電壓降
權(quán)利要求
1.電機(jī)，具有: -定子(1)， -轉(zhuǎn)子(2)， -軸(3 )，在所述軸(3 )上固定有所述轉(zhuǎn)子(2 )，以及 -接地裝置(5 )，用于使所述軸(3 )接地， 其特征在于 -測(cè)量裝置(6)，用于測(cè)量所述接地裝置(5)的接地電流，并且用于提供相應(yīng)的測(cè)量值，以及 -監(jiān)控裝置(7 )，用于根據(jù)所述測(cè)量值，監(jiān)控所述接地裝置(5 )的接地功能。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電機(jī)，其中，能夠通過所述測(cè)量裝置(6)，無接觸地測(cè)量所述接地電流。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電機(jī)，其中，能夠通過所述測(cè)量裝置(6)，測(cè)量由所述接地電流引起的磁場(chǎng)或者電場(chǎng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電機(jī)，其中，所述測(cè)量裝置(6)具有電流探頭(11)。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電機(jī)，其中，通過所述測(cè)量裝置(6)在IOkHz至IOMHz的頻率范圍內(nèi)測(cè)量所述接地電流。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電機(jī)，其中，所述接地裝置(5)具有接地電刷，由所述測(cè)量裝置(6)測(cè)量所述接地電刷的接地電流。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電機(jī)，其中，所述測(cè)量裝置(6)具有分流電阻，所述接地電流流過所述分流電阻并且由所述測(cè)量裝置(6 )進(jìn)行測(cè)量。
8.軌道車輛，具有根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電機(jī)以及車輪軸承(4)，所述車輪軸承(4)電橋接所述接地裝置(5)，以便所述電機(jī)的接地電流預(yù)期地通過所述接地裝置(5)而非通過所述車輪軸承(4)流出。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的軌道車輛，具有防止高電流的保護(hù)電阻(Zs)，其中，所述接地電流流過所述保護(hù)電阻，并且所述測(cè)量裝置(6)測(cè)量所述保護(hù)電阻中的所述接地電流。
10.用于監(jiān)控電機(jī)的接地功能的方法，所述電機(jī)具有定子(1)，轉(zhuǎn)子(2)，其上固定有所述轉(zhuǎn)子(2)的軸(3)，以及用于使所述軸接地的接地裝置(5)，其特征在于 -測(cè)量所述接地裝置(5)的接地電流，并且提供相應(yīng)的測(cè)量值，以及 -根據(jù)所述測(cè)量值，監(jiān)控所述接地裝置(5)的接地功能。
全文摘要
應(yīng)更好地對(duì)電機(jī)的接地質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控。因此本發(fā)明提出一種電機(jī)，該電機(jī)具有定子(1)、轉(zhuǎn)子(2)、其上固定有轉(zhuǎn)子(2)的軸(3)以及用于使軸接地的接地裝置(5)；另外，該電機(jī)還具有用于測(cè)量接地裝置(5)的接地電流并且用于提供相應(yīng)的測(cè)量值的測(cè)量裝置(6)。此外，電機(jī)還具有監(jiān)控裝置(7)，用于根據(jù)測(cè)量值監(jiān)控接地裝置(5)的接地功能。以此方式能夠持續(xù)地檢驗(yàn)例如接地電刷的關(guān)于臟污和磨損的狀態(tài)。
文檔編號(hào)H02K11/00GK102783000SQ201080065144
公開日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2010年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月1日
發(fā)明者卡斯滕·普羅博爾, 奧利弗·泰勒, 漢斯·蒂施曼徹, 約爾格·哈塞爾, 阿爾諾·斯特肯博恩 申請(qǐng)人:西門子公司