CN106797099B - 带有磨损监测的滑环 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种滑环组件，其包括至少一个具有至少一个滑轨的滑环模块，其中，所述滑环有至少一个磨损指示轨道，磨损指示电路与所述至少一个磨损指示轨道连接用于监测磨损指示轨道的电特性并且用于发出异常的滑环条件信号，其中，所述至少一个磨损指示轨道和/或在所述至少一个磨损指示轨道上滑动的电刷具有比其余轨道和/或电刷更短的寿命。与正常的滑轨相比，所述至少一个磨损指示轨道可能经受更高的负载、更高的旋转速度、更高的电刷压力或者其它减少寿命的特性。

Description

带有磨损监测的滑环
技术领域
本发明涉及在旋转部件之间传输电信号的滑环。特别地，本发明涉及磨损监测以及涉及一种带有改进的磨损监测的滑环装置。
背景技术
电滑环用于在旋转部件与固定部件之间传输电能和/或电信号。这样的装置用在不同的应用中、例如风力发电厂或者计算机体层扫描仪。还有一些军事应用和航空航天应用。
对于所有这些应用来说通常要求高寿命、低接触电阻以及低接触噪声。此外，在特殊应用、例如CT扫描仪中，在大约5米的圆周中由高达每秒4转的旋转所引起的相对高的速度需要特别注意。这同样适用于特殊环境需求、例如在航空航天应用中。
滑环通常基于具有滑轨的第一部件和具有用于在滑轨上滑动的电刷的第二部件。由于机械摩擦而存在导致滑环逐渐退化的磨损。
US 4831302 A已知公开了一种磨损指示器，该磨损指示器确定碳刷的长度并且因此指示电刷的磨损。在大多数滑环中，滑轨具有比电刷显著更长的寿命，但是滑轨也容易受到磨损。不存在给出滑轨磨损的指示的装置。
发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种带有可靠的磨损指示的滑环，该滑环能够指示滑环电刷和/或滑轨的磨损。
如下说明该问题的技术方案。按照本发明的滑环组件包括滑环模块、滑环电刷块和磨损指示电路，滑环模块具有多个滑轨，滑环电刷块具有多个在轨道上滑动的滑动电刷，其中，至少一个滑轨是与磨损指示电路电连接的磨损指示轨道，其特征在于，所述至少一个磨损指示轨道和/或在所述至少一个磨损指示轨道上滑动的电刷具有比其余轨道和/或电刷更短的寿命。
根据第一实施例，滑环模块或者滑环组件包括多个滑轨，其中，至少一个所述滑轨是磨损指示轨道。优选地，所述至少一个磨损指示轨道是不用于任何其它信号传输的滑轨。优选地，所述至少一个轨道用于磨损指示。优选地，设置评价磨损指示轨道的状态和/或质量和/或功能的磨损指示电路。该磨损指示电路可以测量可能由已磨损的滑轨产生的电压降、噪声、误比特率、温度、接触电阻和接触中断之中的至少一个，从而产生警告信号。在一种非常简单的实施例中，如果传输由于磨损而被中断，则要检测磨损。优选地，设置两个磨损指示轨道并且这些磨损指示滑轨或者电刷被电连接在一起，从而形成用于评价电路的测试电流的回路。最优选地，至少一个所述磨损指示轨道仅与磨损指示电路连接。
备选地，磨损指示轨道可以用于传输如下信号，所述信号对于滑环组件所被集成到其中的***而言重要性低，但是所述信号可以被容易地检测到，从而能够通过识别所述重要性低的信号的故障来检测磨损指示轨道的故障。
优选地，磨损指示轨道是与其余轨道相比具有更短的寿命的滑轨。最优选地，该磨损指示轨道是预先磨损的轨道。因此优选的是，磨损指示轨道具有比其余轨道更短的寿命。磨损指示轨道可以已经经历预先磨损过程，该过程可以是磨合过程、优选是在加速滑轨磨损的条件、例如高温、高速等条件下的磨合过程。
在一种进一步的实施例中，磨损指示轨道被预先使用或者被预先磨损或者至少被制成使得该磨损指示轨道比其它轨道更早表现出磨损特性。因此，磨损指示轨道的设计寿命比其它轨道的设计寿命小。
在一种备选的实施例中，磨损指示轨道可以通过一种导致比其余轨道更短的寿命的工艺来制造。这样的工艺例如可以是用较薄的表层进行电镀，从而该电镀层与其余轨道的较厚的电镀层相比更早地被磨损。
在另一实施例中，施加在磨损指示轨道上的压力水平较高，这导致磨损指示轨道比其它轨道更早地表现出磨损特性。这例如可以通过施加较高的电刷压力以便将电刷压向滑轨来实现。这可以利用碳刷的较强的弹性来实现或者在金属丝刷的情况下利用较硬的金属丝来实现。这也可以通过给轨道施加较少的脂或油来实现。在一种进一步的实施例中，这可以通过给电刷施加较高的电流或者至少施加较高的电流密度来实现，这例如可以通过利用较细的电刷金属丝来实现。
在另一实施例中，可以设置附加的齿轮，该齿轮用于使磨损指示轨道以比其它轨道更高的速度旋转。
在一种进一步的实施例中，可以设置比其它电刷磨损得更快的滑动电刷、优选金属丝刷。这可以另外提供可靠的电刷磨损指示。
在另一实施例中，设置多个可不同地设计的磨损指示轨道。
在一种进一步的实施例中，可以设置防止其它信号轨道免受磨损指示轨道的磨损的防护部。
在一种进一步的实施例中可设有传感器。该传感器可以是温度传感器，该温度传感器例如可以检测超温或者该温度传感器甚至可以检测滑环的温度分布并且与温度无关地(independent)计算寿命期望值。例如，极高或极低的温度会减少寿命，而在适当的温度水平下使用滑环可以增加寿命。可以设置例如能检测在滑环上的电弧的光学传感器。可以设置用于检测机械振动的冲击和/或振动传感器，所述机械振动可以是已磨损的滑环模块的指示。所述冲击和/或振动传感器也可以检测将进一步减小滑环组件的寿命的外部振动。
按照本发明的另一方面，滑环模块包括保持多个滑轨的绝缘体，其特征在于，至少一个滑轨是具有比其余轨道更短的寿命的磨损指示轨道。
优选地，磨损指示轨道与其余轨道相比是预先磨损的。
优选地，磨损指示轨道通过导致比其余轨道更短的寿命的工艺来制造。
优选地，磨损指示轨道包括比其余轨道更薄的电镀层和/或与其余轨道不同的材料的涂层。
按照本发明的又一方面，滑环电刷块包括保持多个滑动电刷的电刷载体，其特征在于，至少一个滑动电刷是具有比其余电刷更短的寿命的磨损指示电刷，其特征在于，磨损指示电刷与其余电刷相比是预先磨损的，和/或磨损指示电刷通过导致比其余电刷更短的寿命的工艺来制造，和/或磨损指示电刷包括比其余电刷更薄的电镀层和/或与其余电刷不同的材料的涂层。
附图说明
在下面在不限制整体的发明构思的情况下参考附图以实施例为例通过实例说明本发明。
图1示出一种优选的实施例的侧视图；
图2示出第一实施例的剖视图；
图3示出第一实施例的电路图；
图4示出简化的电路图；
图5示出使用传感器的进一步的实施例；
图6示出一个改进的实施例；
图7示出磨损指示电路的简化框图；
具体实施方式
在图1中示出一种优选的实施例的侧视图。滑环组件100包括滑环模块110和滑环电刷块120。滑环模块110可以围绕旋转轴线15旋转并且包括具有多个滑轨的绝缘体10。在此示出四个滑轨11、12、13和14。显然可以设置任何其它数量的滑轨。滑轨被嵌入绝缘体和/或由绝缘体保持。优选地，这些滑轨相互绝缘。也可以存在所述滑轨中的至少一些滑轨被电连接在一起的配置方案。这对于传输较高的电流或者具有较低的噪声水平的信号是有利的。在此示出具有V形凹槽的滑轨的优选实施例。这些V形凹槽的优点在于它们能够引导金属丝在它们上面滑动并且使金属丝精确地处于预定的轨道上。显然可以使用任何其它类型的滑轨、例如具有多个凹槽的轨道或者具有平的表面而没有凹槽的轨道作为替代。
滑环电刷块包括电刷载体20，该电刷载体可以是印刷电路板或者任何其它的绝缘材料。该电刷载体也可以包括带有用于保持电刷的绝缘部分的导电材料、例如金属。该电刷载体保持多个滑动电刷。在该实施例中示出4个金属丝刷。显然可以设置任何其它数量的电刷或者其它种类的电刷。例如可以设置多纤维刷或者碳刷。这些电刷间隔开距离，从而它们与滑环模块的相应的滑轨适配。不必为每个滑轨设置一个电刷。也可以设置多个与一个滑轨接触的电刷，从而增加电流能力和/或减小噪声和/或减小接触电阻。
在该实施例中，具有第一部分21a和第二部分21b的第一滑动电刷21与第一滑轨11接触，第二滑动电刷22与第二滑轨12接触，第三滑动电刷23与第三滑轨13接触，第四滑动电刷24与第四滑轨14接触。
优选地，第一滑轨11连同第一滑动电刷21用于磨损指示。如之后所示的那样，它们可以与第二滑轨12和第二滑动电刷22一起使用。当然，任何其它的滑轨连同其滑动电刷可以用于磨损指示。
在图2中示出第一实施例在通过图1中的线A-A的剖面中的剖视图。优选的是，滑环模块具有例如用于携带线缆的自由孔。所示的连接器16可以是焊点或焊脚或者与第一滑轨11接触的连接器。连接线缆可以被焊接到该连接器上。优选地，其它滑轨也具有用于从绝缘体内侧与滑轨接触的连接器。
在图3中示出第一实施例的电路图。所示的滑环组件包括通过第三滑动电刷23连同第三滑轨13以及第四滑动电刷24连同第四滑轨14的主信号通路，该主信号通路可以通过第一电刷接头41、第二电刷接头42以及第一环接头43、第二环接头44到达。滑环组件还包括具有与第一滑动电刷21连接的第一测试端口51和与第二滑动电刷22连接的第二测试端口52的磨损指示电路50，第一滑动电刷和第二滑动电刷与第一滑轨11和第二滑轨12接触。所述两个滑轨相互连接，因此允许在第一测试端口51与第二测试端口52之间的电流流动。测试结果通过信号端口53输出。第三滑动电刷23连同第三滑轨13、第四滑动刷24连同第四滑轨14用于在滑环组件上的正常的信号和/或能量传输。由于正常的信号通路与用于磨损检测的滑轨和电刷是完全分离的，所以整体设计比较简单。不必考虑电连接、不必要的电流和噪声。
在图4中示出简化的电路图。在该实施例中仅使用三个滑轨连同电刷。在此，磨损指示电路50的第二测试端口52与包括第三滑动电刷23和第三滑轨13的第一信号通路连接。在此，与主信号通路共享至少一个共同的滑轨和滑动电刷。这减少所需轨道的数量。在这个例子中不再需要滑动电刷22和滑轨12。
在图5中示出具有传感器的进一步的实施例，使用可以通过传感器端口54与磨损指示电路50连接的传感器69。在此仅示出一条连接线，如传感器可能要求的那样，该连接线可以包括多条电线。传感器可以是温度传感器，该温度传感器例如可以检测超温或者该温度传感器甚至可以检测滑环的温度分布并且可以使磨损指示电路与温度无关地计算寿命期望值。例如，极高或者极低的温度会降低寿命，而在适当的温度水平下使用滑环可以增加寿命。可以设置例如可以检测在滑环上的电弧的光传感器。可以设置用于检测机械振动的冲击和/或振动传感器，所述机械振动可以是已磨损的滑环模块的指示。所述冲击和/或振动传感器也可以检测将进一步减小滑环组件的寿命的外部振动。
在图6中示出一个改进的实施例。在此，磨损指示电路50与滑轨11和12连接，而在连接在一起的电刷21和22上形成短路。因为可以在任何方向上运行滑环，所以基本上可以将该改进应用于所有实施例。
在图7中示出磨损指示电路50的简化框图。测试信号源61通过第一测试端口51和第二测试端口52与如上所示的至少一个滑轨和/或至少一个滑动电刷连接，优选地，该测试信号源是直流的电流源或者电压源，也可以是交流的电流源或者电压源。测试信号源61可以由评价电路68控制。该评价电路68可以建立具体的电流或者电压分布。例如，为了测量高电流性能可以在短时间内将相对高的电流传输至滑环。可以设置串联电阻62用于测量流经滑动电刷和滑轨的电流，尽管可以通过其它手段、例如检测电流磁场的霍尔传感器或者用于测量交流电流的变流器来实现电流测量。在串联电阻62上的电压可以由电流测量放大器63放大并且传输至评价电路68。电压测量放大器64可以设置用于测量与第一测试端口51和第二测试端口52连接的所述至少一个滑动电刷与滑轨之间的电压。在正常的运行条件下，滑动电刷与滑轨之间的滑环连接的电阻可能相对低，因此电压降应该相对低。电压降将随着滑环的磨损增加而增加。还可以设置可通过电容66耦合以便测量交流信号或者射频信号的交流电压测量放大器65。这些信号可能产生于接触噪声，该接触噪声也可能随着磨损增大。此外，传感器放大器67可以设置用于将与连接于传感器端口54的传感器69的输出相关的信号传输至评价电路68。可以设置与评价电路68连接的信号端口53，评价电路68可以通过该信号端口发出关于异常条件的信号、滑环OK信号或者甚至复杂的数字输出信号、例如预计的总寿命、剩余寿命、总转数或者预计的剩余转数。优选地，评价电路是微控制器，并且更优选地，信号端口53是总线***的端口。这种总线***可以是CAN总线或任何其它的工业控制总线、或者以太网或任意无线通信接口。
附图标记列表
10 绝缘体
11 第一滑轨
12 第二滑轨
13 第三滑轨
14 第四滑轨
15 旋转轴线
16 连接器
20 电刷载体
21、21a、21b 第一滑动电刷
22 第二滑动电刷
23 第三滑动电刷
24 第四滑动电刷
41 第一电刷接头
42 第二电刷接头
43 第一环接头
44 第二环接头
50 磨损指示电路
51 第一测试端口
52 第二测试端口
53 信号端口
54 传感器端口
61 测试信号源
62 串联电阻
63 电流测量放大器
64 电压测量放大器
65 交流电压测量放大器
66 电容
67 传感器放大器
68 评价电路
69 传感器
100 滑环组件
110 滑环模块
120 滑环电刷块

Claims (3)

1.滑环组件(100)，所述滑环组件包括滑环模块(110)、滑环电刷块(120)和磨损指示电路(50)，滑环模块(110)具有多个滑轨(11、12、13、14)，滑环电刷块(120)具有多个在轨道上滑动的滑动电刷(21、22、23、24)，其中，至少一个滑轨(11、12)是与磨损指示电路(50)电连接的至少一个磨损指示轨道，其特征在于，所述至少一个磨损指示轨道(11、12)和/或在所述至少一个磨损指示轨道上滑动的电刷(21、22)具有比其余轨道和/或电刷更短的寿命，并且所述至少一个磨损指示轨道是不用于任何其它信号传输的滑轨，其中：
所述至少一个磨损指示轨道(11、12)和/或在所述至少一个磨损指示轨道上滑动的电刷(21、22)与其余轨道和/或电刷相比是预先磨损的；或者，所述至少一个磨损指示轨道(11、12)和/或在所述至少一个磨损指示轨道上滑动的电刷(21、22)通过导致比其余轨道和/或电刷更短的寿命的工艺来制造；或者，所述至少一个磨损指示轨道(11、12)和/或在所述至少一个磨损指示轨道上滑动的电刷(21、22)包括比其余轨道和/或电刷更薄的电镀层和/或与其余轨道和/或电刷不同的材料的涂层；或者，在所述至少一个磨损指示轨道(11、12)上滑动的电刷(21、22)具有比其它电刷更高的接触压力或者比其它电刷在轨道上具有更少的脂或油。
2.滑环模块(110)，所述滑环模块包括保持多个滑轨(11、12、13、14)的绝缘体(10)，其特征在于，至少一个滑轨(11、12)是具有比其余轨道更短的寿命的至少一个磨损指示轨道，并且所述至少一个磨损指示轨道是不用于任何其它信号传输的滑轨，其中：
磨损指示轨道与其余轨道相比是预先磨损的；或者，磨损指示轨道通过导致比其余轨道更短的寿命的工艺来制造；或者，磨损指示轨道包括比其余轨道更薄的电镀层和/或与其余轨道不同的材料的涂层。
3.滑环电刷块(120)，所述滑环电刷块包括保持多个滑动电刷(21、22、23、24)的电刷载体(20)，至少一个滑动电刷(21、22)是具有比其余电刷更短的寿命的磨损指示电刷，其特征在于，磨损指示电刷与其余电刷相比是预先磨损的，和/或
磨损指示电刷通过导致比其余电刷更短的寿命的工艺来制造，和/或
磨损指示电刷包括比其余电刷更薄的电镀层和/或与其余电刷不同的材料的涂层。
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