DE102012206863A1

DE102012206863A1 - Diagnosevorrichtung für einen Kommutatormotor

Info

Publication number: DE102012206863A1
Application number: DE201210206863
Authority: DE
Inventors: Philipp Hugelmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-04-25
Filing date: 2012-04-25
Publication date: 2013-10-31

Abstract

Bei einer Diagnosevorrichtung (300) zur Diagnose eines Kommutatormotors (100), der einen mit einem Kollektor (183) versehenen Kommutator (185) aufweist, wobei der Kollektor (183) an einer Kollektorlauffläche (189) in Schleifkontakt mit zugeordneten Bürsten (187, 197) steht und elektrisch leitend mit einer Motorwicklung (199) verbunden ist, die im Betrieb des Kommutatormotors (100) ein Wechselspannungssignal erzeugt, das einem über die Bürsten (187, 197) und den Kollektor (183) der Motorwicklung (199) zugeführten Gleichspannungsversorgungssignal überlagert ist, wobei das Wechselspannungssignal eine Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen aufweist, ist eine Auswerteeinheit vorgesehen, die dazu ausgebildet ist, im Betrieb des Kommutatormotors (100) einen momentanen Verschleißzustand von mindestens einer der Bürsten (187, 197) auf der Basis der Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen zu bestimmen.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Diagnosevorrichtung zur Diagnose eines Kommutatormotors, der einen mit einem Kollektor versehenen Kommutator aufweist, wobei der Kollektor an einer Kollektorlauffläche in Schleifkontakt mit zugeordneten Bürsten steht und elektrisch leitend mit einer Motorwicklung verbunden ist, die im Betrieb des Kommutatormotors ein Wechselspannungssignal erzeugt, das einem über die Bürsten und den Kollektor der Motorwicklung zugeführten Gleichspannungsversorgungssignal überlagert ist, wobei das Wechselspannungssignal eine Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen aufweist.
Aus dem Stand der Technik sind derartige Diagnosevorrichtungen zur Diagnose von Kommutatormotoren bekannt, deren Motorwicklung im Betrieb des Kommutatormotors ein Wechselspannungssignal erzeugt. Dieses ist einem der Motorwicklung zugeführten Gleichspannungsversorgungssignal überlagert und bildet mit diesem ein resultierendes Motorspannungssignal, das einen niederfrequenten Basisspannungsanteil und eine Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen aufweist. Die hochfrequenten Spannungsspitzen entstehen bei Auf- und Abkommutierungen an Bürsten eines dem Kommutatormotor zugeordneten Kommutators und können von der Diagnosevorrichtung z.B. zur Bestimmung einer jeweiligen Motorpositionierung und Motordrehzahl bzw. Drehstellung und Drehzahl eines dem Kommutatormotor zugeordneten Rotors ausgewertet werden.
Nachteilig am Stand der Technik ist, dass derartige Diagnosevorrichtungen lediglich zur Bestimmung unterschiedlicher Betriebsparameter, wie Motorpositionierung und Drehzahl, geeignet sind, jedoch nicht zur automatisierten Motordiagnose bzw. Bestimmung einer momentanen Motorqualität.
Offenbarung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine neue Diagnosevorrichtung zur Diagnose eines Kommutatormotors bereit zu stellen, bei der eine automatisierte Motordiagnose bzw. Bestimmung einer momentanen Motorqualität ermöglicht wird.
Dieses Problem wird gelöst durch eine Diagnosevorrichtung zur Diagnose eines Kommutatormotors, der einen mit einem Kollektor versehenen Kommutator aufweist. Der Kollektor steht an einer Kollektorlauffläche in Schleifkontakt mit zugeordneten Bürsten und ist elektrisch leitend mit einer Motorwicklung verbunden, die im Betrieb des Kommutatormotors ein Wechselspannungssignal erzeugt, das einem über die Bürsten und den Kollektor der Motorwicklung zugeführten Gleichspannungsversorgungssignal überlagert ist. Das Wechselspannungssignal weist eine Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen auf. Eine Auswerteeinheit ist vorgesehen, die dazu ausgebildet ist, im Betrieb des Kommutatormotors einen momentanen Verschleißzustand von mindestens einer der Bürsten auf der Basis der Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen zu bestimmen.
Die Erfindung ermöglicht somit die Bereitstellung einer Diagnosevorrichtung zur Diagnose eines Kommutatormotors, bei der durch die Auswertung eines resultierenden Motorspannungssignals eine automatisierte Bestimmung eines momentanen Verschleißzustands der Bürsten des Kommutatormotors und somit eine automatisierte Bestimmung einer momentanen Motorqualität sicher und zuverlässig ermöglicht wird.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Auswerteeinheit dazu ausgebildet, zugeordnete Auf- und Abkommutierungszeitpunkte am Kollektor für die mindestens eine der Bürsten auf der Basis der Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen zu bestimmen.
Somit können für die mindestens eine der Bürsten auf einfache Art und Weise zugeordnete Auf- und Abkommutierungszeitpunkte bestimmt werden.
Die Auswerteeinheit ist bevorzugt dazu ausgebildet, zumindest eine zwischen einem ersten Aufkommutierungszeitpunkt und einem darauf folgenden ersten Abkommutierungszeitpunkt ablaufende Zeitspanne für die mindestens eine der Bürsten zu bestimmen.
Somit kann für jede Lamelle des Kollektors eine jeweilige Verweildauer im Bereich der mindestens einen der Bürsten sicher und zuverlässig bestimmt werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist eine Speichereinheit zur Speicherung einer Referenzzeitspanne vorgesehen. Die Auswerteeinheit ist vorzugsweise dazu ausgebildet, die zumindest eine Zeitspanne mit der Referenzzeitspanne zu vergleichen, um einen der mindestens einen der Bürsten zugeordneten Verschleißfaktor zu bestimmen.
Die Erfindung ermöglicht somit durch einen Vergleich einer momentanen Verweildauer einer Lamelle des Kollektors im Bereich der mindestens einen der Bürsten mit einer als Referenz dienenden früheren Verweildauer einen Rückschluss auf einen jeweiligen Verschleiß der Bürste.
Die Referenzzeitspanne ist bevorzugt bei einer Diagnose des Kommutatormotors zum Zeitpunkt einer ersten Inbetriebnahme des Kommutatormotors mit der mindestens einen der Bürsten bestimmbar.
Somit kann die Referenzzeitspanne auf einfache Art und Weise für jeden Kommutatormotor individuell bestimmt werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist eine Speichereinheit zur Speicherung einer Nachschlagtabelle vorgesehen, wobei die Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, auf der Basis der Nachschlagtabelle für die zumindest eine Zeitspanne einen der mindestens einen der Bürsten zugeordneten Verschleißfaktor zu bestimmen. Die Nachschlagtabelle ist bevorzugt für unterschiedliche Motortypen und -ausgestaltungen vorgebbar.
Die Erfindung ermöglicht somit die Vorgabe von Verschleißfaktoren für eine Vielzahl unterschiedlicher Kommutatormotoren, sodass kostensparend auf individuelle Diagnosen der Kommutatormotoren, z.B. zum Zeitpunkt von deren ersten Inbetriebnahmen, verzichtet werden kann.
Bevorzugt ist eine Ausgabeeinheit vorgesehen, wobei die Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, ein Warnsignal zur Ausgabe durch die Ausgabeeinheit zu erzeugen, falls der Verschleißfaktor einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt.
Somit kann einem Benutzer der Diagnosevorrichtung unkompliziert und schnell die momentane Motorqualität angezeigt werden.
Die Auswerteeinheit ist bevorzugt dazu ausgebildet, die Bestimmung des momentanen Verschleißzustands der mindestens einen der Bürsten in Abhängigkeit von einer momentanen Motordrehzahl zu ermöglichen.
Somit kann auf einfache Art und Weise eine Vergleichbarkeit der zwischen einem ersten Aufkommutierungszeitpunkt und einem darauf folgenden ersten Abkommutierungszeitpunkt ablaufenden Zeitspanne und einer zugeordneten Referenzzeitspanne bzw. die Anwendbarkeit einer entsprechenden Nachschlagtabelle gewährleistet werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Diagnosevorrichtung nach Art eines mit dem Kommutatormotor verbindbaren, separaten Diagnosegeräts ausgebildet.
Die Erfindung ermöglicht somit die Bereitstellung einer Diagnosevorrichtung, die zur Diagnose einer Vielzahl unterschiedlicher Kommutatormotoren Anwendung finden kann.
Das Eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch ein Verfahren zur Diagnose eines Kommutatormotors, der einen mit einem Kollektor versehenen Kommutator aufweist, wobei der Kollektor an einer Kollektorlauffläche in Schleifkontakt mit zugeordneten Bürsten steht und elektrisch leitend mit einer Motorwicklung verbunden ist, die im Betrieb des Kommutatormotors ein Wechselspannungssignal erzeugt, das einem über die Bürsten und den Kollektor der Motorwicklung zugeführten Gleichspannungsversorgungssignal überlagert ist, wobei das Wechselspannungssignal eine Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen aufweist. Im Betrieb des Kommutatormotors wird ein momentaner Verschleißzustand mindestens einer der Bürsten auf der Basis der Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen bestimmt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines Kommutatormotors mit einem zugeordneten Getriebe gemäß einer Ausführungsform,
2A eine schematische Ansicht des Kollektors des Kommutators von 1 mit einer zugeordneten Bürste gemäß einer ersten Ausführungsform,
2B eine schematische Ansicht des Kollektors des Kommutators von 1 mit einer zugeordneten Bürste gemäß einer zweiten Ausführungsform,
3 eine schematische Ansicht der Diagnosevorrichtung von 1 gemäß einer Ausführungsform,
4 ein Messdiagramm von im Betrieb des Kommutatormotors von 1 von der Diagnosevorrichtung von 3 bei einer ersten Inbetriebnahme des Kommutatormotors gemessenem Motorstrom und resultierender Motorspannung gemäß einer Ausführungsform,
5 ein vergrößerter Ausschnitt des Messdiagramms von 4,
6 eine schematische Ansicht der aus der resultierenden Motorspannung von 3 extrahierten, hochfrequenten Spannungsspitzen, und
7 eine schematische Ansicht von aus einer resultierenden Motorspannung extrahierten, hochfrequenten Spannungsspitzen, die von der Diagnosevorrichtung von 3 nach einer vorgegebenen Einsatzdauer des Kommutatormotors von 1 messbar sind.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt einen mit Stator- und Rotorkomponenten 181 bzw. 182 versehenen Kommutatormotor 100 mit einer Motorwelle 184 gemäß einer Ausführungsform, der illustrativ in einem Motorgehäuse 180 angeordnet ist. Die Statorkomponenten 181 weisen beispielhaft Permanentmagneten 186 auf und die Rotorkomponenten 182 beispielhaft einen Rotor- bzw. Eisenkern 188 mit einer zur Vereinfachung der Zeichnung nur abschnittsweise gezeigten Motorwicklung 199.
Der Kommutatormotor 100 kann z.B. als Antriebsmotor für einen elektrischen Fensterheber, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, Anwendung finden. Hierzu ist der Motor 100 illustrativ mit einem in einem Getriebegehäuse 120 angeordneten Getriebe 110 verbunden, das von der Motorwelle 184 z.B. zur Betätigung eines zugeordneten Fensterhebers antreibbar ist.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Kommutatormotor 100 zur Kommutierung einen Kommutator 185 mit einem vorgegebenen Kommutatordurchmesser auf und kann derart steuer- bzw. regelbar sein, dass sowohl ein Reversierbetrieb, als auch Vorgaben hinsichtlich einer gewünschten Drehgeschwindigkeit realisierbar sind. Die Funktionsweise und der Aufbau eines geeigneten Kommutatormotors sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt, sodass hier zwecks Knappheit der Beschreibung auf eine eingehende Beschreibung verzichtet wird.
Illustrativ umfasst der Kommutator 185 einen Kollektor 183, der an einer zugeordneten Kollektorlauffläche 189 mit zwei oder mehr Bürsten 187, 197 einen Schleifkontakt herstellt, sodass dem Motor 100 im Betrieb über die Bürsten 187, 197 und den Kollektor 183 ein geeigneter Motorstrom zugeführt werden kann. Zur Zuführung dieses Motorstroms zum Motor 100 sind die Bürsten 187, 197 mit einer zugeordneten Gleichspannungsversorgungsquelle 106, 108 elektrisch leitend verbunden, die hier zur Vereinfachung der Zeichnung lediglich schematisch durch ihren Pluspol 108 und ihren Minuspol 106 angedeutet ist und die zur Zuführung eines zugeordneten Gleichspannungsversorgungssignals (412 in 4) zur Motorwicklung 199 ausgebildet ist.
Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Beschreibung einer Gleichspannungsversorgungsquelle lediglich beispielhaften Charakter hat und nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen ist. Vielmehr kann auch eine Wechselspannungsversorgungsquelle zur Bereitstellung eines Wechselspannungsversorgungssignals Anwendung finden, wobei das Wechselspannungsversorgungssignal z.B. durch geeignete Transformatorelemente in ein geeignetes Gleichspannungsversorgungssignal umgewandelt wird.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Bürsten 187, 197 mit einer bei 3 beschriebenen Diagnosevorrichtung 300 zur Diagnose des Kommutatormotors 100 verbunden oder zumindest verbindbar. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Diagnosevorrichtung 300 lediglich illustrativ unmittelbar an die Bürsten 187, 197 angeschlossen ist und nicht zur Einschränkung der Erfindung. Vielmehr können zwischen die Diagnosevorrichtung 300 und die Bürsten 187, 197 noch weitere elektronische Bauteile verschaltet werden, z.B. Filterkomponenten zur Filterung von elektromagnetischen Störsignalen usw., oder die Diagnosevorrichtung 300 kann unmittelbar an die Gleichspannungsversorgungsquelle 106, 108 angeschlossen werden.
Die Bürsten 187, 197 sind in einem zugeordneten Bürstenhalter 140 angeordnet, der z.B. nach Art eines einstückigen Spritzgussteils ausgebildet ist, und weisen jeweils eine Bürstenbreite auf, die z.B. im Bereich von 1,8 mm bis 3,0 mm liegt. Mindestens eine der Bürsten 187, 197 kann kohlehaltiges Material aufweisen und ist z.B. nach Art einer Kohlebürste ausgebildet.
Der Kollektor 183 ist in einer in Richtung von Pfeilen 150 gesehenen, vergrößerten Draufsicht 160 verdeutlicht und weist illustrativ eine Vielzahl von ringförmig angeordneten Lamellen 168, 169, 170, 171, 172, 173, 174, 175, 176, 177, 178, 179 auf, deren Außenumfang die Kollektorlauffläche 189 ausbilden. Die Anzahl der Lamellen 168, 169, 170, 171, 172, 173, 174, 175, 176, 177, 178, 179 ist z.B. gleich einem ganzzahligen Vielfachen von vier. Die Lamellen 168, 169, 170, 171, 172, 173, 174, 175, 176, 177, 178, 179 sind illustrativ an einem den Rotorkomponenten 182 zugeordneten Befestigungselement 190 befestigt. Dieses Befestigungselement 190 ist z.B. eine Rotorwelle 190, die mit dem Rotorkern 188 verbunden oder an diesen angeformt ist.
Der Rotorkern 188 weist beispielhaft eine Vielzahl von Polsegmenten auf, zwischen denen zugeordnete Nuten bzw. Schlitze zur Aufnahme der Motorwicklung 199 ausgebildet sind. Illustrativ weist der Rotorkern 188 zwölf Polsegmente 128, 129, 130, 131, 132, 133, 134, 135, 136, 137, 138, 139 auf, die jeweils einen Zahnabschnitt und einen zugeordneten Jochabschnitt haben. Z.B. hat das Polsegment 130 einen Zahnabschnitt 192 und einen Jochabschnitt 194. Der Rotorkern 188 ist somit zwölfnutig ausgebildet und darüber hinaus gemäß einer Ausführungsform vierpolig am Stator 181 ausgestaltet. Die Motorwicklung 199 ist zur Vereinfachung der Zeichnung lediglich am Polsegment 139 gezeigt; dem Fachmann ist jedoch hinreichend bekannt, wie die Motorwicklung 199 vollständig am Rotorkern 188 angeordnet werden kann.
Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass der vierpolige Kommutatormotor 100 lediglich beispielhaft zwölfnutig ausgebildet ist und nicht zur Einschränkung der Erfindung. Vielmehr kann der vierpolige Kommutatormotor 100 wie oben beschrieben eine Anzahl von Lamellen und somit eine Anzahl von Nuten aufweisen, die gleich einem ganzzahligen Vielfachen von vier ist, sodass die vorliegende Erfindung z.B. auch bei sechzehnnutigen oder achtnutigen, vierpoligen Kommutatormotoren Anwendung finden kann.
Im Betrieb des Kommutatormotors 100 wird der Motorwicklung 199 von der Gleichspannungsversorgungsquelle 106, 108 über den Kommutator 185, d.h. über die Bürsten 187, 197 und den Kollektor 183, ein Gleichspannungsversorgungssignal (412 in 4) zugeführt, um die Rotorwelle 190 und somit die Motorwelle 184 in Drehungen zu versetzen. Hierdurch wird der Motorwicklung 199 über die Bürsten 187, 197 und die voneinander beabstandeten Lamellen 168, 169, 170, 171, 172, 173, 174, 175, 176, 177, 178, 179 des Kollektors 183 ein zum Betrieb des Kommutatormotors 100 erforderlicher Motorstrom von der Gleichspannungsversorgungsquelle 106, 108 derart zugeführt, dass der Kollektor 183 relativ zu den Bürsten 187, 197 verdreht wird und somit durch entsprechende, an den Bürsten 187, 197 auftretende Lamellenwechsel Kommutierungen des Kommutators 185 bewirkt werden.
Unter einem „Lamellenwechsel“ wird im Kontext der vorliegenden Erfindung verstanden, dass z.B. bei einer Drehung der Rotorwelle 190 im Uhrzeigersinn zunächst die Lamelle 174 an der Bürste 197 anliegt, dann die Lamelle 173, dann die Lamelle 172 usw. Hierbei kann zwischen Auf- und Abkommutierungen der Lamellen unterschieden werden, wobei im Kontext der vorliegenden Erfindung der Begriff „Aufkommutierung“ bedeutet, dass z.B. bei der Drehung der Rotorwelle 190 im Uhrzeigersinn eine entsprechende Lamelle, z.B. die Lamelle 174, in Kontakt mit der Bürste 197 kommt, wohingegen der Begriff „Abkommutierung“ bedeutet, dass der Kontakt zwischen dieser Lamelle und der Bürste 197 wieder getrennt wird, z.B. durch die weitere Drehung der Rotorwelle 190 im Uhrzeigersinn. Anders ausgedrückt erfolgt eine „Abkommutierung“ im Kontext der vorliegenden Erfindung, wenn eine durch Drehung der Rotorwelle 190 in Schleifkontakt mit einer der Bürsten 187, 197 gebrachte Lamelle, z.B. die Lamelle 174, wieder vollständig von der entsprechenden Bürste 187, 197 weggedreht wird.
2A zeigt den mit dem Kollektor 183 versehenen Kommutator 185 des Kommutatormotors 100 von 1 mit einer beispielhaften Bürste 210, die gemäß einer Ausführungsform zur Realisierung der Bürsten 187, 197 Anwendung finden kann. Der illustrativ in eine mit einem Pfeil 207 angedeutete Drehrichtung drehbare Kollektor 183 weist die bei 1 beschriebene Kollektorlauffläche 189 auf, die in Schleifkontakt mit der Bürste 210 steht. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass zwecks Einfachheit und Übersichtlichkeit der Zeichnung in 2A auf eine Darstellung der übrigen Komponenten des Kommutatormotors 100 verzichtet wurde.
Die Bürste 210 ist illustrativ V-förmig ausgebildet und verbreitert sich in Richtung eines Pfeils 214 gesehen zumindest annähernd linear ausgehend von einer Anfangsbreite 212 an einem dem Kollektor 183 zugewandten axialen Ende 211 bis zu einer Endbreite 213 an einem vom Kollektor 183 abgewandten axialen Ende. Im Betrieb des Kommutators 185 verschleißt die Bürste 210 durch das Schleifen an der Kollektorlauffläche 189, sodass sich die am Kollektor 183 anliegende Breite der Bürste 210 von der Anfangsbreite 212 kontinuierlich bis hin zur Endbreite 213 vergrößert. Um hierbei einen Ausfall oder ungewünschte Funktionsstörungen des Kommutatormotors 100 zu verhindern, sollte die Bürste 210 spätestens dann ausgetauscht werden, wenn deren an der Kollektorlauffläche 189 anliegende Breite eine vorgegebene Austauschbreite erreicht hat. Diese vorgegebene Austauschbreite wird illustrativ von einer in einem Bereich 214 dargestellten Breite 215 repräsentiert. Anders ausgedrückt, sollte die Bürste 210 spätestens dann ausgetauscht werden, wenn der zwischen dem axialen Ende 211 und dem Bereich 214 angeordnete Abschnitt der Bürste 210 verschlissen ist.
2B zeigt die Anordnung von 2A mit einer beispielhaften Bürste 250, die gemäß einer Ausführungsform zur Realisierung der Bürsten 187, 197 von 1 Anwendung finden kann. Diese ist im Gegensatz zur Bürste 210 von 2A illustrativ T-förmig ausgebildet und hat an einem dem Kollektor zugewandten axialen Ende 251 eine beispielhafte Anfangsbreite 252, die sich in Richtung eines Pfeils 205 gesehen in einem Bereich 254 stufenförmig auf eine Endbreite 253 erweitert. Um hierbei einen Ausfall oder ungewünschte Funktionsstörungen des Kommutatormotors 100 von 1 zu verhindern, sollte die Bürste 250 spätestens dann ausgetauscht werden, wenn deren an der Kollektorlauffläche 189 anliegende Breite z.B. die Endbreite 254 erreicht hat.
3 zeigt die Diagnosevorrichtung 300 von 1, die illustrativ eine Anzeigeeinheit 310, auf der z.B. zumindest ein Warnsignal 340 anzeigbar ist, sowie eine Auswerteeinheit 320 und eine Speichereinheit 330, in der zumindest eine für unterschiedliche Motortypen und -ausgestaltungen vorgebbare Nachschlagtabelle 335 ablegbar ist, aufweist. Die Diagnosevorrichtung 300 ist gemäß einer Ausführungsform zur Diagnose des Kommutatormotors 100 von 1 ausgebildet und kann entweder als integraler Bestandteil des Kommutatormotors 100 oder nach Art eines mit dem Kommutatormotor 100 verbindbaren, separaten Diagnosegeräts ausgebildet sein. Die Funktionsweise der Diagnosevorrichtung 300 wird nachfolgend in Bezug auf 4 bis 7 beschrieben.
4 zeigt ein beispielhaftes Messdiagramm 400 mit illustrativen zeitlichen Verläufen eines resultierenden Motorspannungssignals 410 sowie eines Motorstromsignals 420, die gemäß einer Ausführungsform im Betrieb des Kommutatormotors 100 von 1 mit der Diagnosevorrichtung 300 von 3 messbar sind. Eine Vergrößerung 500 des Messdiagramms 400 ist bei 5 beschrieben.
Wie oben bei 1 beschrieben wird der Motorwicklung 199 im Betrieb des Kommutatormotors 100 von der Gleichspannungsversorgungsquelle 106, 108 über den Kommutator 185, d.h. über die Bürsten 187, 197 und den Kollektor 183, ein Gleichspannungsversorgungssignal 412 zugeführt, sodass der Motorwicklung 199 über die Bürsten 187, 197 und die voneinander beabstandeten Lamellen 168, 169, 170, 171, 172, 173, 174, 175, 176, 177, 178, 179 des Kollektors 183 das zum Betrieb des Kommutatormotors 100 erforderliche Motorstromsignal 420 zugeführt wird. Dieses Motorstromsignal 420 weist eine Welligkeit 421 mit entsprechenden Stromspitzen auf, von denen zwecks Übersichtlichkeit und Einfachheit der Zeichnung nur drei mit dem Bezugszeichen 422 gekennzeichnet sind. Die Stromspitzen 422 entstehen an den Bürsten 187, 197 jeweils aufgrund von Aufkommutierungen und werden im Allgemeinen als „Stromrippel“ bezeichnet und können z.B. zur Bestimmung einer jeweiligen Motorpositionierung und Motordrehzahl bzw. Drehstellung und Drehzahl des Rotors 182 ausgewertet werden.
Durch das Gleichspannungsversorgungssignal 412 wird in der Motorwicklung 199 eine Energie erzeugt, die von der Motorwicklung 199 in Form eines Wechselspannungssignals 415 auf die Bürsten 187, 197 rückgekoppelt und dem Gleichspannungsversorgungssignal 412 überlagert wird, sodass dieses und das rückgekoppelte Wechselspannungssignal 415 das resultierende Motorspannungssignal 410 bilden. Dieses resultierende Motorspannungssignal 410 hat einen dem Gleichspannungsversorgungssignal 412 zugeordneten, niederfrequenten Basisspannungsanteil 416 und eine Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen, von denen zwecks Übersichtlichkeit und Einfachheit der Zeichnung nur drei mit dem Bezugszeichen 414 gekennzeichnet sind, sowie ein dem Wechselspannungssignal 415 zugeordnetes, hochfrequentes Rauschen 413. Das hochfrequente Rauschen 413 kann z.B. durch extrinsische Störgrößen, wie z.B. EMV- und/oder ESD-Strahlung entstehen. Die Spannungsspitzen 414 entstehen jeweils bei Auf- und Abkommutierungen an den Bürsten 187, 197, wie nachfolgend bei 5 beschrieben, wobei zumindest die bei den Abkommutierungen entstehenden Spannungsspitzen 414 dem Wechselspannungssignal 415 zuzuordnen sind.
5 zeigt die Stromrippel bzw. Stromspitzen 422 des Motorstromsignals 420 von 4 sowie die hochfrequenten Spannungsspitzen 414 des resultierenden Motorspannungssignals 410 von 4 in einem Messdiagramm 500 mit etwas mehr als zweifach vergrößertem zeitlichem Maßstab. 5 verdeutlicht das Auftreten der Stromrippel 422 ausschließlich bei Aufkommutierungen und das Auftreten der Spannungsspitzen 414 sowohl bei Auf-, als auch bei Abkommutierungen.
Beispielhaft entstehen bei entsprechenden Aufkommutierungen z.B. Spannungsspitzen 502, 506, 505 und bei jeweils darauf folgenden Abkommutierungen z.B. Spannungsspitzen 504, 508 bzw. 509. Zwischen zwei jeweils aufeinanderfolgenden Spannungsspitzen 502 und 504, 506 und 508 bzw. 505 und 509, von denen eine erste jeweils einer Aufkommutierung zuzuordnen ist und eine zweite einer darauf folgenden Abkommmutierung, vergeht jeweils eine Zeitdauer bzw. -spanne TB, die einer Verweildauer einer entsprechenden Lamelle, z.B. Lamelle 174 des Kollektors 183, im Bereich einer der Bürsten 187, 197 entspricht. Die Zeitspanne TB kann zur Bestimmung eines momentanen Verschleißzustands der Bürsten 187, 197 verwendet werden. Hierzu wird das resultierende Motorspannungssignal 410 wie nachfolgend bei 6 und 7 beschrieben von der Diagnosevorrichtung 300 von 3 erfasst und ausgewertet.
6 zeigt einen schematischen, zeitlichen Verlauf 600 eines z.B. von der Auswerteeinheit 320 von 3 auswertbaren Signals 650, das beispielhaft von der Diagnosevorrichtung 300 von 3 auf der Basis des von dieser im Betrieb das Kommutatormotors 100 von 1 gemessenen, resultierenden Motorspannungssignals 410 von 4 und 5 bestimmt werden kann. Z.B. kann das auswertbare Signal 650 durch Extraktion der Spannungsspitzen 414 aus dem resultierenden Motorspannungssignal 410 mittels der Diagnosevorrichtung 300 zugeordneter Filterkomponenten erzeugt werden. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass derartige Filterkomponenten nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind, sodass hier zwecks Einfachheit und Knappheit der Beschreibung auf deren eingehende Beschreibung verzichtet wird.
Zur Diagnose des Kommutatormotors 100 wertet die Auswerteeinheit 320 das auswertbare Signal 650 aus, um zugeordnete Auf- und Abkommutierungszeitpunkte 602, 604, 606, 608 am Kollektor 183 für zumindest eine der Bürsten 187, 197 des Kommutatormotors 100 auf der Basis der Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen 414 zu bestimmen. Hierbei sind die Zeitpunkte 602, 606 illustrativ den Aufkommutierungsspannungsspitzen 502 bzw. 506 von 5 zugeordnet und die Zeitpunkte 604, 608 den Abkommutierungsspannungsspitzen 504 bzw. 508 von 5. Auf der Basis der Auf- und Abkommutierungszeitpunkte 602, 604, 606, 608 bestimmt die Auswerteeinheit 320 wie bei 5 beschrieben die zumindest zwischen einem ersten Aufkommutierungszeitpunkt, z.B. Aufkommutierungszeitpunkt 602, und einem darauf folgenden ersten Abkommutierungszeitpunkt, z.B. Abkommutierungszeitpunkt 604, ablaufende Zeitspanne TB für mindestens eine der Bürsten 187, 197. Diese Zeitspanne TB kann einer momentanen Breite der Bürsten 187, 197 am Kollektor 183 zugeordnet bzw. in Korrelation mit dieser gebracht werden, wie unten bei 7 beschrieben.
Unter der Annahme, dass das resultierende Motorspannungssignal 410 von 4 und 5 sowie das auswertbare Signal 650 bei einer ersten, z.B. initialen Inbetriebnahme des Kommutatormotors 100 gemessen bzw. erzeugt werden, repräsentiert die beschriebene Diagnose eine Referenzdiagnose und die Zeitspanne TB eine Referenzzeitspanne für einen Betrieb des Kommutatormotors 100 mit noch unverschlissenen Bürsten, z.B. den Bürsten 210 oder 250 von 2, die bei dieser Referenzdiagnose jeweils ihre Anfangsbreite 212 bzw. 252 aufweisen. Die Referenzzeitspanne TB wird z.B. in der Speichereinheit 330 der Diagnosevorrichtung 300 von 3 gespeichert.
7 zeigt einen schematischen, zeitlichen Verlauf 700 eines z.B. von der Auswerteeinheit 320 von 3 auswertbaren Signals 750, das beispielhaft nach Ablauf eines vorgegebenen Diagnoseintervalls wie bei 6 beschrieben von der Diagnosevorrichtung 300 von 3 für den Kommutatormotor 100 von 1 erzeugt wird. Z.B. liegt zwischen der Erzeugung des Signals 650 von 6 und der Erzeugung des Signals 750 ein Diagnoseintervall von fünf Jahren. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass ein Diagnoseintervall von fünf Jahren lediglich beispielhaften Charakter hat und nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen ist, da ein derartiges Diagnoseintervall im Allgemeinen Motor- und Anwendungs- und/oder Herstellerspezifisch vorgegeben wird.
Zur Diagnose des Kommutatormotors 100 wertet die Auswerteeinheit 320 das auswertbare Signal 750 wie bei 6 beschrieben zur Bestimmung zugeordneter Auf- und Abkommutierungszeitpunkte 802, 804, 806, 808 sowie zumindest einer zwischen einem ersten Aufkommutierungszeitpunkt, z.B. Aufkommutierungszeitpunkt 802, und einem darauf folgenden ersten Abkommutierungszeitpunkt, z.B. Abkommutierungszeitpunkt 804, ablaufenden Zeitspanne TB‘ aus. Diese Zeitspanne TB‘ kann nun von der Auswerteeinheit 320 mit der aus der Speichereinheit 330 auslesbaren Referenzzeitspanne TB verglichen werden, um einen Verschleißfaktor für mindestens eine der Bürsten 187, 197 zu bestimmen. Falls der Verschleißfaktor einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt, der z.B. ebenfalls aus der Speichereinheit 330 auslesbar ist, gibt die Diagnosevorrichtung 300 gemäß einer Ausführungsform auf ihrer Ausgabeeinheit 310 das z.B. von der Auswerteeinheit 320 erzeugte Warnsignal 340 aus. Illustrativ übersteigt der Verschleißfaktor den vorgegebenen Schwellwert, wenn die Zeitspanne TB‘ mindestens doppelt so groß ist wie die Referenzzeitspanne TB. Dies ist z.B. der Fall, wenn die Bürstenbreite der Bürsten 210 von 2A und 250 von 2B die Austauschbreite 215 bzw. 253 erreicht haben.
Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass das Erfordernis einer Verdopplung der Referenzzeitspanne TB zur Auslösung eines Alarms lediglich beispielhaften Charakter hat und nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen ist. Diese kann vielmehr auf der Basis von Motorspezifischen und/oder Bürstenspezifischen Kriterien realisiert werden, wobei in Abhängigkeit von einem jeweiligen Motorund/oder Bürstentyp jeweils unterschiedliche Schwellwerte vorgebbar sind. Darüber hinaus kann anstelle des Vergleichs der Zeitspanne TB‘ mit der zugeordneten Referenzzeitspanne TB auch die bei 3 beschriebene Nachschlagtabelle 335 Anwendung finden, in der für einen vorgegebenen Motor- und/oder Bürstentyp bzw. für unterschiedliche Motor- und/oder Bürstenausgestaltungen z.B. jeweils Verschleißfaktoren für zugeordnete Zeitspannen TB‘ angegeben sind. Diese können für einen jeweiligen Motor- und/oder Bürstentyp z.B. jeweils aus zugeordneten Referenzdiagnosen bestimmt werden. Die Auswerteeinheit 320 kann somit auf der Basis der Nachschlagtabelle 335 für die Zeitspanne TB‘ einen den Bürsten 187, 197 zugeordneten Verschleißfaktor bestimmen.
Es wird darauf hingewiesen, dass die bei 4 bis 7 beschriebenen Diagnosen des Kommutatormotors 100 von 1 gemäß einer Ausführungsform unter jeweils übereinstimmenden bzw. zumindest ähnlichen Betriebsbedingungen erfolgen. Derartige Betriebsbedingungen umfassen sowohl eine jeweilige Betriebstemperatur, als auch Außendruck usw. Darüber hinaus erfolgt die Bestimmung des momentanen Verschleißzustands der Bürsten 187, 197 derart, dass z.B. die Zeitspannen TB und TB‘ bei gleicher momentaner Motordrehzahl ermittelt werden, oder bei gleicher Bestromung usw. Alternativ hierzu können auch geeignete Umrechnungstabellen bereitgestellt werden und z.B. in der Speichereinheit 330 abgelegt werden.

Claims

Diagnosevorrichtung (300) zur Diagnose eines Kommutatormotors (100), der einen mit einem Kollektor (183) versehenen Kommutator (185) aufweist, wobei der Kollektor (183) an einer Kollektorlauffläche (189) in Schleifkontakt mit zugeordneten Bürsten (187, 197) steht und elektrisch leitend mit einer Motorwicklung (199) verbunden ist, die im Betrieb des Kommutatormotors (100) ein Wechselspannungssignal (415) erzeugt, das einem über die Bürsten (187, 197) und den Kollektor (183) der Motorwicklung (199) zugeführten Gleichspannungsversorgungssignal (412) überlagert ist, wobei das Wechselspannungssignal (415) eine Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen (414) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinheit (320) vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, im Betrieb des Kommutatormotors (100) einen momentanen Verschleißzustand von mindestens einer der Bürsten (187, 197) auf der Basis der Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen (414) zu bestimmen.
Diagnosevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (320) dazu ausgebildet ist, zugeordnete Auf- und Abkommutierungszeitpunkte (802, 804, 806, 808) am Kollektor (183) für die mindestens eine der Bürsten (187, 197) auf der Basis der Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen (414) zu bestimmen.
Diagnosevorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (320) dazu ausgebildet ist, zumindest eine zwischen einem ersten Aufkommutierungszeitpunkt (802) und einem darauf folgenden ersten Abkommutierungszeitpunkt (804) ablaufende Zeitspanne (TB‘) für die mindestens eine der Bürsten (187, 197) zu bestimmen.
Diagnosevorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Speichereinheit (330) zur Speicherung einer Referenzzeitspanne (TB) vorgesehen ist, wobei die Auswerteeinheit (320) dazu ausgebildet ist, die zumindest eine Zeitspanne (TB‘) mit der Referenzzeitspanne (TB) zu vergleichen, um einen der mindestens einen der Bürsten (187, 197) zugeordneten Verschleißfaktor zu bestimmen.
Diagnosevorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzzeitspanne (TB) bei einer Diagnose des Kommutatormotors (100) zum Zeitpunkt einer ersten Inbetriebnahme des Kommutatormotors (100) mit der mindestens einen der Bürsten (187, 197) bestimmbar ist.
Diagnosevorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Speichereinheit (330) zur Speicherung einer Nachschlagtabelle (335) vorgesehen ist, wobei die Auswerteeinheit (320) dazu ausgebildet ist, auf der Basis der Nachschlagtabelle (335) für die zumindest eine Zeitspanne (TB‘) einen der mindestens einen der Bürsten (187, 197) zugeordneten Verschleißfaktor zu bestimmen.
Diagnosevorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachschlagtabelle (335) für unterschiedliche Motortypen und -ausgestaltungen vorgebbar ist.
Diagnosevorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausgabeeinheit (310) vorgesehen ist, wobei die Auswerteeinheit (320) dazu ausgebildet ist, ein Warnsignal (340) zur Ausgabe durch die Ausgabeeinheit (310) zu erzeugen, falls der Verschleißfaktor einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt.
Diagnosevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (320) dazu ausgebildet ist, die Bestimmung des momentanen Verschleißzustands der mindestens einen der Bürsten (187, 197) in Abhängigkeit von einer momentanen Motordrehzahl zu ermöglichen.
Diagnosevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die nach Art eines mit dem Kommutatormotor (100) verbindbaren, separaten Diagnosegeräts ausgebildet ist.
Verfahren zur Diagnose eines Kommutatormotors (100), der einen mit einem Kollektor (183) versehenen Kommutator (185) aufweist, wobei der Kollektor (183) an einer Kollektorlauffläche (189) in Schleifkontakt mit zugeordneten Bürsten (187, 197) steht und elektrisch leitend mit einer Motorwicklung (199) verbunden ist, die im Betrieb des Kommutatormotors (100) ein Wechselspannungssignal (415) erzeugt, das einem über die Bürsten (187, 197) und den Kollektor (183) der Motorwicklung (199) zugeführten Gleichspannungsversorgungssignal (412) überlagert ist, wobei das Wechselspannungssignal (415) eine Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen (414) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb des Kommutatormotors (100) ein momentaner Verschleißzustand mindestens einer der Bürsten (187, 197) auf der Basis der Vielzahl von hochfrequenten Spannungsspitzen (414) bestimmt wird.