刷磨损监测布置结构及其方法与流程

1.本发明描述一种刷磨损监测布置结构，以及一种监测碳刷上的磨损的方法。


背景技术：

2.电机（诸如发电机）可以在所述电机的旋转部分与静止部分之间的界面处包括多个“碳刷”。术语“碳刷”通常用于指代通过烧结或烘焙导电粉末和粘结剂的混合物制成的块，其中嵌入的导体电缆从一个面凸出。此类碳刷用于为从电机的一个部分到电气接地的另一部分的雷电电流或漏电电流提供电流路径。例如，数个此类碳刷可以安装在直驱式风力涡轮机的外转子和内定子之间的界面处。同样地，数个此类碳刷可以安装在风力涡轮机的机舱中的旋转毂与静止部分之间的界面处。
3.碳刷通常按矩形块的形式制成，并且保持在相应成形的刷保持器中。所述刷保持器可以安装到电机的旋转部分或静止部分。从碳刷的视角来看，其相对于旋转表面（其可以是转子或定子）保持静止，并且其接触面按压抵靠所述旋转表面。为提供可靠的电流路径，刷保持器通常还包括坚固弹簧组件，所述坚固弹簧组件对碳刷的背面施加持续的压力，使得其接触面始终与旋转表面进行良好接触。碳刷的接触面与旋转表面之间的摩擦逐渐磨损所述刷，直到最终必须将其更换。
4.在不具有由这些碳刷在旋转/静止界面处提供的电流路径的情况下，例如在对机舱或转子叶片发生雷击的情况下，可能出现严重损坏，因为非常大的电流可能无法找到电气接地的简单路径，并且可能产生雷击电磁脉冲（lemp）或闪络。这可能导致严重损坏。因此，碳刷始终充分发挥功能非常重要，即，必须在碳刷磨损过大并失去其有效性之前将其更换。如果容易接近碳刷以进行目视检查，则可以容易地完成更换。然而，在风力涡轮机（例如海上风电场的风力涡轮机）的情况下，维修例程与显著的成本相关联，并且通常仅在绝对必需时才被安排。因此，不可能频繁地检查碳刷的状态，并且仅更换接近于其寿命尽头的碳刷。相反，风力涡轮机或风电场的操作员通常依赖于对刷寿命的估计，但是与其它维修任务同时安排刷更换，以便避免不必要的成本。一方面，这可能导致仅部分磨损的刷的不必要更换。另一方面，所安排的刷更换可能来得太晚，因为并非所有相同类型的刷都以相同速率磨损。这可能导致无效刷被忽视的不期望情况，伴随着损坏风力涡轮机的风险。在用于监测风力发电厂的碳刷的刷磨损的现有技术方法中，us 2014/091918 a1提出将应答器单元附接到碳刷，并且使用收发器/接收器单元来在碳刷磨损时追踪应答器单元的进度。然而，对于具有许多风力涡轮机（其各自带有许多碳刷）的风电场来说，这将出奇地昂贵。


技术实现要素：

5.因此，本发明的目的是提供一种检测这种碳刷中的磨损的更好方式。此目的通过权利要求1的刷磨损监测布置结构并且通过监测碳刷上的磨损的权利要求13的方法来实现。
6.根据本发明，所述刷磨损监测布置结构包括：被实现成在电机的静止部分与旋转
部分之间传递电流的碳刷；布置在碳刷的侧面上的可视磨损指示器；被实现成容纳碳刷并且设置有孔口的刷保持器，当碳刷布置在所述保持器中时，所述孔口暴露磨损指示器的一部分；以及用于在碳刷的使用期间观察磨损指示器的所暴露部分的监测装置。所述监测装置包括被配置成在碳刷的使用期间捕获磨损指示器的所暴露部分的图像的图像传感器。
7.在本发明的上下文中，可以假定，碳刷的主体基本上是矩形的，使得每一侧面是矩形的。所述磨损指示器形成在这些侧矩形面中的至少一者上。优选地，磨损指示器从最接近于接触面的边缘朝向相对边缘（离接触面最远）延伸。
8.还应该理解，刷保持器或其它机械部件被实现成如引言中所述一致地向刷施加压力，使得刷的接触面持续地按压抵靠旋转表面。
9.本发明的刷磨损监测布置结构可以用于在其旋转部分与其静止部分之间的界面处实现碳刷的任何电机中。例如，根据本发明的风力涡轮机包括发电机，所述发电机带有转子和定子，以及用于在转子与定子之间传递电流（其可以是雷电电流或漏电电流）的多个碳刷。这些碳刷中的至少一者是本发明的刷磨损监测布置结构的实施例的一部分。如果同时更换一个旋转/静止界面的所有碳刷，则监测那些刷中的一者的磨损可能足以识别应该更换所有刷的时间表，因为可以预期所有刷都将平均地磨损。
10.根据本发明，监测碳刷上的磨损的方法至少包括如下步骤：在碳刷的侧表面上设置磨损指示器；将碳刷布置在刷保持器中；在刷保持器中设置孔口，所述孔口被成形为暴露磨损指示器的一部分；以及通过设置图像传感器来监测磨损指示器的所暴露部分以估计碳刷的剩余寿命，所述图像传感器被配置成在碳刷的使用期间捕获磨损指示器的所暴露部分的图像。
11.本发明的方法提供一种确定碳刷的磨损状态的方便且可靠的方式。代替依赖于对预期寿命的估计，并且包括安全裕度。
12.通过从属权利要求给出本发明的特别有利的实施例和特征，如在以下描述中所揭示的。可以视情况组合不同权利要求类别的特征以给出本文中未描述的另外的实施例。
13.在下文中，可以假定，碳刷在风力涡轮机中用于提供跨越旋转部分与静止部分之间的界面的电流路径。在本发明的上下文中，术语“碳刷”、“石墨刷”和简单的“刷”是同义词，并且在下文中可以可互换地使用。
14.磨损指示器应该理解为沿着碳刷的一侧延伸，即，从一个边缘（靠近接触面）延伸到相对边缘。磨损指示器可以是可以被光学地或以其它方式检测的任何元件或结构。例如，磨损指示器可以设置成在一端（例如在最接近于接触面的端部）处浅并且在另一端的方向上逐步变得更深的凹槽或沟槽的形式。然后，可以通过使用激光测量沟槽的深度来检测刷磨损。当深度达到预先确定的限值时，这可以解释为指示刷需要更换。
15.然而，将刷形成为包括这种沟槽可能增加制造成本，并且可能减损刷的结构完整性。因此，根据本发明，磨损指示器是可视的，即，可以使用光学布置结构来对其进行监测或观察。
16.例如，磨损指示器可以被设置为可以按压到碳刷的侧面上的标签。可替代地，磨损指示器可以涂覆或打印到碳刷的侧面上。监测装置包括合适的光学布置结构，例如被布置成捕获所述孔口和磨损指示器的所暴露部分的图像的图像传感器。可以定期（例如每天一次、每周一次或根据被监测的刷的类型和安装其的电机视情况而定）捕获孔口和磨损指示
器的可视部分的图像。在下文中，可以假定，监测布置结构包括这种光学布置结构。图像可以在本地存储和处理（例如在作为电机的控制布置结构的一部分的存储器单元中）或传输到远程位置（例如传输到风力涡轮机的远程操作员）以供处理。
17.在其最简单的形式中，磨损指示器可以是施用到离接触面最远的端部处的侧面的清晰可辨的标记（例如黑色石墨体上的白点）。例如，可以在刷主体的可用部分的最后四分之一中作出所述标记。一旦此标记出现在孔口中，便表明刷接近其寿命的尽头，并且应该予以更换。
18.由于可能期望对刷的当前磨损状态有更详细的了解，例如以便能够更好地将刷更换任务与其它所安排的维修例程包括在一起，在本发明的特别优选的实施例中，磨损指示器展现从初始颜色到最终颜色的平滑过渡。例如，磨损指示器从接触面处的边缘沿刷的相对端部的方向延伸，并且逐渐从第一颜色变为第二颜色。然后，磨损指示器呈现一类从第一颜色平滑过渡到第二颜色的“值标度”。例如，值标度可以解释为从0%（第一颜色）到100%（第二颜色）的平滑过渡。50%将是介于第一与第二颜色之间的颜色或色度（例如介于白色与黑色之间的灰色）。百分比可以解释为“已消耗寿命”，使得第二颜色的逐渐增加与碳刷的增加的磨损一致。借助合适的图像处理技术，分析图像序列以确定刷的磨损程度并估计剩余寿命相对直接。
19.在下文中，可以假定，第一颜色在最接近于接触面的端部处开始并且可以称为“初始颜色”，并且第二颜色在离接触面最远的端部处并且可以称为“最终颜色”。磨损指示器优选地放置在刷主体上，使得孔口中最终颜色的出现指示刷正接近其寿命的尽头。然后，操作员有足够时间（例如一个月或更长时间）来安排更换。
20.优选地，磨损指示器在第一颜色与第二颜色之间展现高对比度。例如，初始颜色可以是黑色，并且最终颜色可以是白色，因为这些颜色在视觉上容易区分。在这种实施例中，白色的出现将被解释为意指寿命尽头即将来临。当然，颜色的次序可以颠倒，使得白色的完全消失将与即将来临的寿命尽头相关联。
21.其它实现方式也是可能的，并且磨损指示器并不限于黑色（石墨块的颜色）与另一颜色（诸如白色）之间的过渡。可以选择任何两种颜色作为初始颜色和最终颜色，然而优选的是，这些颜色具有高对比度。同样地，磨损指示器可以是其上打印多种颜色序列的标签。例如，可以使用五种不同颜色的序列来指示刷的使用寿命的20%、40%、60%、80%和100%。
22.如上文所指示的，监测装置可以包括被配置成在碳刷的使用期间捕获磨损指示器的所暴露部分的图像的合适的图像传感器。如果磨损指示器是从一种颜色变为第二颜色的条带，则可以使用简单的单色图像传感器，因为其仅需要能够区分两种不同颜色。优选地，监测装置还包括被配置成检测所捕获图像中的差异并且基于所检测到的差异来估计碳刷的剩余寿命的图像分析单元。例如，如果磨损指示器逐渐从黑色（刷是新的）变为白色（刷被磨损），则对当前“灰色”值的评估可以指示碳刷的剩余使用寿命的持续时间。如果暴露在刷保持器的孔口中的颜色的值被评估为75%（其中黑色代表100%，并且白色代表0%），则可以得出结论，所述刷仍具有其剩余使用寿命的75%。如果暴露在刷保持器的孔口中的颜色的值被评估为仅20%，则可以得出结论，所述刷仅具有其剩余使用寿命的五分之一，并且可以向控制布置结构发布适当信号，使得可以及时地安排更换。
23.在本发明的进一步优选的实施例中，可以与每一所捕获图像一起记录时间戳。连
同孔口中可视的磨损指示器的颜色以及电机中的操作条件的知识一起，可以使用此信息来获得对特定类型的碳刷如何磨损的性质的更好理解。所述信息可以收集在数据库中以供将来参考，并且可以有助于针对特定应用选择正确类型的刷。
24.用于捕获磨损指示器的所暴露部分的图像的图像传感器可以位于到达孔口的视线中。由于诸如风力涡轮机的电机中的条件通常可能是黑暗的，因此所述光学布置结构还可以包括闪光灯或其它合适的照亮源。
25.将监测装置的图像传感器布置在到达刷保持器孔口的视线中可能并不直接。因此，在本发明的进一步优选的实施例中，所述监测布置结构包括在所述孔口与监测装置的图像传感器之间延伸的光导。所述光导可以是诸如透明可弯折杆的柔性部分，其可以被布置成从刷保持器横穿一距离到达布置在更方便位置处的图像传感器。此布置结构的另一优点在于，光导可以填充刷保持器孔口，因此防止灰尘或其它颗粒在孔口中积聚。
26.根据结合附图考虑的以下具体实施方式，本发明的其它目的和特征将变得显而易见。然而，应理解，附图仅出于图示目的而设计，并且并不作为对本发明的限制的限定。
附图说明
27.图1示出本发明的刷磨损监测布置结构的实施例；图2示出用于图1的刷磨损监测布置结构中的碳刷；图3示出用于图1的刷磨损监测布置结构中的刷保持器；图4示出在本发明的刷磨损监测布置结构的实施例中施用于碳刷的替代磨损指示器；图5示出本发明的刷磨损监测布置结构的另外的实施例；图6示出带有本发明的刷磨损监测布置结构的实施例的电机。
28.在附图中，相似的附图标记始终指代相似的对象。附图中的对象未必按比例绘制。
具体实施方式
29.图1示出本发明的刷磨损监测布置结构1的实施例，其中刷保持器11安装到电机2的静止部件21。碳刷10包括在刷保持器11中，刷保持器11包括弹簧11s以对碳刷10施加压力，从而将其接触面10c按压抵靠电机2的旋转部件22的导电表面。电线10w或电缆从碳刷10的主体内延伸，并且可以被夹持或以其它方式附接到导电静止部件21。以此方式，碳刷10为雷电电流i
hi
或漏电电流提供到达电气接地的路径。
30.刷保持器11已经形成为在一侧上包括孔口11a或“视窗”11a。通过此孔口，可以看到磨损指示器w的部分w
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。磨损指示器w已经附接到碳刷10的对应侧面。在此示例性实施例中，相机120被布置成具有如由虚线所指示的到达孔口11a的视线，使得其可以捕获磨损指示器w的所暴露部分w
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的图像p。相机120可以被配置成定期（例如每天一次）自动捕获图像p，或者可以由远程操作员控制以在各种时间捕获图像p。在图像分析单元121中处理图像p。图像分析单元121可以是本地的，并且可以通过合适接口从相机120接收图像p。可替代地，图像p可以例如通过（无线）局域网或其它合适的通信接口传输到电机的远程控制器。虽然在附图中未示出，但是监测布置结构1还可以包括闪光灯或其它光源来照亮孔口11a中的磨损指示器w的所暴露部分w
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，使得可以获得一致的高质量图像p，即使在电机2中的条件
是黑暗的情况下也是如此。
31.图2示出用于图1的刷磨损监测布置结构中的碳刷10。所述附图示出施用到碳刷10的侧面10s的磨损指示器w。磨损指示器w可以直接打印到碳刷10的侧面10s上，或者如此处示出打印到标签上，所述标签然后被附接到碳刷10。磨损指示器在碳刷10的有效工作长度10l上延伸。通常，碳刷的一部分（此处用虚线指示）无法使用，并且包含连接器线10w的嵌入端部。在此示例性实施例中，磨损指示器w在一端（最接近于碳刷10的接触面10c的端部）处具有初始或第一颜色ca，并且随着朝向碳刷10的后部的距离增加而逐渐过渡到最终或第二颜色cz。此处，初始颜色ca是黑色，并且最终颜色cz是白色，其中在初始黑色颜色ca与最终白色颜色cz之间具有基本上无限制的灰度范围。应理解，碳刷10的主体也是黑色的，虽然其在附图中未示出。
32.图3示出用于图1的刷磨损监测布置结构中的刷保持器11。当碳刷10插入到刷保持器11中时，刷保持器11的一个侧壁中的视窗11a或孔口11a允许看到图2的磨损指示器w的对应部分w
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。所述附图还示出碳刷将插入到其中的矩形腔，以及紧固件可以通过其插入以将刷保持器11安装到电机的部件的通孔。为简单起见，所述附图并不示出将向插入保持器11中的碳刷施加压力的弹簧组件。
33.图4示出在本发明的刷磨损监测布置结构的实施例中施用于碳刷的替代磨损指示器w。在每一实施例中，存在从一端处的初始颜色ca或图案（针对靠近接触面的放置）到另一端处的最终颜色cz或图案的过渡。所述颜色和/或图案被选择成使得可以通过简单的图像处理算法容易地分析这些颜色和/或图案以确定磨损指示器w的所暴露部分w
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的值。此处，100%的值可以对应于磨损指示器w的最暗区域，而0%的值可以对应于磨损指示器w的最亮区域。“灰色”的值（即，最暗与最亮值的混合）相对容易地使用合适的图像处理技术来建立，如本领域技术人员将已知的。
34.图5示出本发明的刷磨损监测布置结构1的另外的实施例。此处，光导122从孔口11a延伸到监测布置结构1的相机壳体。闪光灯led光源123和图像传感器芯片120布置在光导122的另一端处。为了捕获图像p，闪光灯123可以通过光导122发送光脉冲。所述光脉冲从磨损指示器w的所暴露部分w
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反射并且由图像传感器120检测。此实施例的优点在于图像传感器120并不需要孔口的清晰视界，而是可以放置在任何方便位置处，并且即使发电机内部的非常不良的照明条件也将不会对图像质量产生影响。
35.图6示出带有本发明的刷磨损监测布置结构1的实施例的电机2（在此情况下是直驱式风力涡轮发电机2）。数个相同类型的碳刷布置在静止部件的圆周周围，例如布置到发电机定子2的端板上。在发电机的操作期间，碳刷的接触面按压抵靠旋转表面（例如安装到外转子的制动板）。为清楚起见，此处未示出这些细节，并且已经通过先前的附图解释了这些细节。监测装置12的图像传感器120被设置成用于具有如上文所解释的磨损指示器的至少一个碳刷，并且相机被设置成捕获所述磨损指示器的所暴露部分的图像p。由图像传感器120收集的图像p被传输到控制布置结构3（例如远程风电场控制器3），并且被处理。在此示例性实施例中，监测装置12的模块分布在风力涡轮机2和风电场控制器3上，例如其中图像传感器120“原位地”位于风力涡轮机中，并且对应的图像分析单元121在远程风电场控制器3中。风电场可以包括任何数目个风力涡轮机，并且风电场控制器3可以实现单个图像分析单元121，所述单个图像分析单元121处理来自配备有本发明的刷磨损监测布置结构的实施
例的所有风力涡轮机的图像p。
36.由于所有碳刷具有相同类型、被同时更换并且在其寿命期间暴露至相同条件，因此监测单个碳刷的磨损是足够的。如果认为所监测的刷接近其使用寿命的尽头，则由风电场控制器3安排维修程序，并且同时更换所有碳刷。
37.所述附图还表明，当每一风力涡轮机配备有本发明的刷磨损监测布置结构的实施例时，风电场控制器3可以从风电场的其它风力涡轮机2接收图像p。通过从风电场的所有风力涡轮机获得关于刷磨损的实时数据，风电场控制器3可以识别需要更换的任何碳刷，从而避免通过无效碳刷而产生lemp损坏的风险。此外，通过从刷磨损监测布置结构接收这种详细的实时数据，风电场控制器3可以以有利的高度效率安排维修例程。
38.虽然已经以优选实施例及其变型的形式公开了本发明，但是将理解，可以在不背离本发明的范围的情况下对其作出许多额外修改和变化。
39.为清楚起见，应理解，贯穿此申请使用“一（a）”或“一（an）”并不排除多个，并且“包括”并不排除其它步骤或元件。对“单元”或“模块”的提及并不排除使用多于一个单元或模块。