技术领域
[0001] 本
发明涉及测量装置、摩擦元件以及用于测量消耗性摩擦元件，特别是电刷等的磨损状态的方法，其中，测量装置包括具有
传感器的感测装置。
背景技术
[0002] 这种类型的摩擦元件，诸如用于电动
发动机的
碳刷，由于摩擦元件的材料的磨耗而固有地遭受磨损。期望尽早在摩擦元件达到损害功能的磨损极限之前更换摩擦元件。因此，定期使用磨损检测系统以监测摩擦元件的磨损状态。在这种情形下，可以发出达到磨损极限的
信号的摩擦元件或
开关上的电
接触是众所周知的。然而，这种类型的磨损检测系统不允许测量仍然可用的摩擦元件的消耗性接触部分的磨损或剩余长度。因此，仅当在摩擦元件内或在容纳摩擦元件的电刷架上触发或致动传感器或开关时，才可检测达到摩擦极限或摩擦表面的磨耗。
[0003] 这种类型的传感器例如可以是所谓的指示物线，该指示物线与摩擦元件电绝缘并且以如下方式布置：当达到摩擦元件的临界长度时，指示物线的绝缘被打破并建立指示磨损的电接触。所谓的引脚开关触头例如也可以布置在电刷架上，所述引脚开关触头通过接触指而压靠在电刷架中的摩擦元件的表面上。在摩擦元件的表面中形成有腔，使得在接触部分磨耗并因此达到摩擦元件的磨损长度时，接触指可以接合在腔中并由此引起引脚开关触头的切换脉冲。此外，已知的是，为摩擦元件提供可以与发送和接收单元无线通信的转发器单元。DE 10 2007 009 423 A1公开了一种摩擦元件，其设有转发器单元。当达到摩擦元件的磨损极限时，转发器单元通过与摩擦表面的磨耗接触而被破坏，摩擦元件与该摩擦表面接触。然后，发送和接收单元检测到摩擦元件被磨损。
[0004] 已知的磨损检测系统具有以下缺点：摩擦元件的磨损长度或摩擦元件的消耗性接触部分的长度不能被绝对地测量。确实可以沿着摩擦元件的长度在摩擦元件上设置多个传感器，以允许长度的增量测量，但这很昂贵，并且不允许在操作期间在随机点处实际确定摩擦元件的长度。就摩擦元件的制造成本而言，机械传感器和转发器也相对昂贵。
发明内容
[0005] 因此，本发明的目的是提出一种测量装置、摩擦元件以及用于磨损检测的方法，其允许以成本有效的方式测量磨损状态。
[0006] 该目的通过具有
权利要求1的特征的测量装置、具有权利要求6的特征的摩擦元件、具有权利要求18的特征的方法以及具有权利要求21的特征的指示物的使用来实现。
[0007] 根据本发明的用于测量消耗性摩擦元件(特别是电刷等)的磨损状态的测量装置包括具有传感器的感测装置，其中可以通过传感器产生
磁场，其中摩擦元件可以在磁场中相对于传感器移动，其中测量装置包括指示物，其中指示物可以附接到摩擦元件，其中指示物包括
铁磁性、反
铁磁性和/或
亚铁磁性物质，其中由于指示物相对于传感器的
位置发生变化，因此可以通过感测装置检测到磁场变化。
[0008] 因此，传感器以使其在传感器的磁场内可移动的方式与摩擦元件相邻地设置。摩擦元件的磨耗自然导致长度的缩短，特别是摩擦元件的消耗性接触部分的磨损长度的缩短。摩擦元件例如可以容纳在电刷架中并且可以通过
弹簧压靠在
电机的换向器或滑环上，该摩擦元件可用于传递
电能。作为结果，摩擦元件的接触部分的磨损然后引起摩擦元件相对于传感器或相对于由传感器产生的磁场的运动。由于指示物包括铁磁性、反铁磁性和/或亚铁磁性物质，并且由于指示物附接到摩擦元件，因此特别是在由于磨损而指示物与摩擦元件一起发生运动时，指示物影响传感器的磁场。由指示物引起的这种磁场变化可以由感测装置检测到。因此，可以在任何时候检测或确定传感器的磁场，而与电机的操作状态或通过摩擦元件的电能传输无关，并且可以根据受指示物影响的磁场物理特性来确定或测量指示物的相对位置以及摩擦元件的相关绝对磨损长度。原则上，也可以的是，指示物对磁场的影响仅始于摩擦元件的开始磨损，或者在摩擦元件的消耗性接触部分完全磨损的情况下，指示物也被磨损或相反亦然。总体上，摩擦元件的消耗性接触部分的绝对长度或摩擦元件的长度因此可以使用最简单的方式来测量。
[0009] 传感器可以是线圈，其中，线圈的阻抗可以通过感测装置的检测
电路来测量。由于线圈的电感性或自感性，当施加交流
电压或脉冲电压时，由于线圈中自感应的反电压，线圈会导致交流
电流或电流脉冲以延迟的方式滞后于电压曲线。指示物的铁磁性、反铁磁性和/或亚铁磁性物质导致线圈的电感发生变化，从而导致电压/电流/时间曲线的变换。可以通过在磁场中存在或不存在指示物来测量线圈电感的变化。然后，测量原理基于线圈阻抗的变化及其通过检测器电路的测量。
[0010] 测量装置可以包括用于容纳摩擦元件并且以可移动的方式安装该摩擦元件的电刷架，其中然后可以将传感器固定地设置在该电刷架上。例如，传感器可以
定位在电刷架的轴的区域中，该轴可以容纳摩擦元件。在这种情形下，不需要传感器接触摩擦元件，从而可以在摩擦元件与传感器之间实现间隙。传感器在电刷架上的位置取决于指示物的性质和设计。例如，如果传感器是线圈，则传感器也可以被实现为沿着电刷架朝向摩擦元件的纵轴线延伸。电刷架可以至少部分地由塑料制成，从而不屏蔽传感器的磁场。
[0011] 在特别简单的
实施例中，可以在电刷架中实现传感器可以容易地插入其中的接收开口，例如孔。
[0012] 感测装置还可以包括附加传感器，通过该附加传感器可以产生附加磁场，其中摩擦元件或附加摩擦元件可以在附加磁场中相对于传感器运动。如果感测装置负责监视两个摩擦元件，则可以将传感器定位在相应的摩擦元件上。因此，通过感测装置可以同时测量或监测多个摩擦元件。替代地或附加地，也可以将附加传感器和传感器两者都布置在一个摩擦元件上。如果摩擦元件特别长并且需要根据长度调节的磁场，则这是特别有利的。因此，传感器和附加传感器可以被定位成彼此间隔开。具有附加磁场的附加传感器也可以实现与传感器的磁场不同的磁场，从而更好地检测指示物的物质。
[0013] 传感器和附加传感器可以
串联或并联连接至感测装置的检测电路。若干摩擦元件可以例如通过测量装置以这种方式被监视。特别地，传感器之间的串联连接需要少量的连接
电缆，但是然后仅可能将所有传感器或摩擦元件作为整体测量。另一方面，传感器与检测电路的并联连接允许对单个摩擦元件进行不同的测量。
[0014] 根据本发明的用于传递电流的摩擦元件，特别是电刷等，被实现为用于通过根据本发明的测量装置来测量摩擦元件的磨损长度。通过摩擦元件与测量装置一起实现测量系统。
[0015] 摩擦元件的材料可以主要是
石墨。摩擦元件例如可以是用于与电机，优选是
电动机或发电机的换向器或滑环接触的电刷。摩擦元件也可以基本上完全由石墨制成。在这种情况下，石墨也可以包含
粘合剂和一定比例的金属。然而，金属用作摩擦元件的性能增强剂，并且本身不能实现指示物。指示物的物质可以与摩擦元件的材料不同，因为指示物的物质对于摩擦元件的所提供的功能不是必需的，而是仅用于实现指示物。
[0016] 指示物可以相对于摩擦元件的长度分段地附接到摩擦元件。摩擦元件的相对于摩擦元件的纵轴线的总长度应理解为摩擦元件的长度。因此，指示物也可以仅附接到摩擦元件的一部分。
[0017] 附加指示物也可以附接到摩擦元件。通过附加指示物，可以更精确地确定各个指示物的位置，并因此测量摩擦元件的磨损长度。附加指示物可以在与指示物相对应的位置或在与所述摩擦元件相邻或相距一定距离的不同位置附接到摩擦元件。
[0018] 根据实施例，指示物可以是附接到摩擦元件或压靠在摩擦元件上的螺旋带状弹簧。螺旋带状弹簧例如可以由铁磁物质、特别是
弹簧钢来实现，或者所述螺旋带状弹簧可以包括该物质。可选地，指示物也可以是
螺旋弹簧。螺旋带状弹簧可以在摩擦元件上产生接触压
力，例如，所述接触压力将摩擦元件压在换向器或滑环上。摩擦元件由于磨耗而引起的磨损然后导致摩擦元件的长度缩短，这导致螺旋带状弹簧的位置相对于传感器改变。螺旋带状弹簧可以以此方式影响传感器的磁场，这允许测量摩擦元件的长度。
[0019] 在有利的实施例中，指示物可以是施加到摩擦元件上的涂层。涂层可以例如由指示物的物质制成或包括所述物质，并且可以通过电化学工艺、无电还原沉积、气相沉积、
热分解反应，通过浸入熔融物质中，通过印刷工艺，或者通过粘合层来实现。在这种情况下，如果涂层比较薄，例如＜100μm，就已经足够了。
[0020] 特别有利的是，摩擦元件实现指示物，其中可以将铁磁性、反铁磁性和/或亚铁磁性物质添加到摩擦元件的材料中。如果通过
烧结粉末实现摩擦元件，则该物质也可以粉末形式添加到摩擦元件的材料中并且可以与所述材料混合。尽管如此，也可以只将物质分段地添加到摩擦元件中。该物质可以改变摩擦元件的功能特性，但是通过将该物质添加到摩擦元件的材料中，指示物可以以特别简单和成本有效的方式实现为已经存在的摩擦元件生产方法的一部分。
[0021] 相对于摩擦元件的长度，指示物可以在摩擦元件的长度的消耗性接触部分中独立地实现。然后可以实现摩擦元件的未用完的联接部分而没有指示物。接触部分可以包括接触表面，通过该接触表面实现向接触对象的电能传输。如果指示物是涂层，则指示物可以完全
覆盖接触部分中的摩擦元件。指示物也可以在接触部分中仅覆盖接触部分的一个或若干个表面部分，例如矩形摩擦元件的侧面。如果摩擦元件的材料包括或实现指示物，则指示物的物质只能存在于摩擦元件的消耗性接触部分中。因此，消耗性接触部分的磨耗去除导致指示物的消耗，并因此导致磁场的连续或成比例的变化。
[0022] 相对于摩擦元件的长度，指示物可以在摩擦元件的长度的联接部分中单独实现。联接部分可以从摩擦元件的接触表面移开并且连接到摩擦元件的长度的消耗性接触部分。
正如消耗性接触部分一样，联接部分也可以包括指示物，该指示物作为施加在其上的涂层或作为摩擦元件材料的添加物。联接部分用于将摩擦元件连接到例如绞合线，以用于以导电方式连接摩擦元件或用于与实现接触压力的弹簧接触。因此，不希望联接部分的磨耗去除或所述联接部分的消耗。然而，通过改变消耗性接触部分的长度，联接部分可以相对于传感器移位，这导致传感器的磁场改变。尽管如此，指标本身并没有经历变化。如果提供多个指示物，则联接部分和消耗性接触部分可以各自包括指示物，所述指示物彼此不同。
[0023] 此外，相对于摩擦元件的长度，指示物可以在联接部分与消耗性接触部分之间在摩擦元件的长度的指示物部分中单独实现。如果指示物被实现为涂层，则指示物部分可以被实现为围绕摩擦元件的圆周的相对较窄的带。如果指示物由摩擦元件的材料制成，则相对于所述摩擦元件的长度，指示物部分可以被实现为摩擦元件中的相对较薄的材料条。如果提供若干个指示物，则也可以实现若干个指示物部分。此外，联接部分和/或消耗性接触部分可以另外包括与指示物部分的指示物不同的指示物。同样在这种情况下，指示物的涂层或物质仅布置在摩擦元件的面向传感器的一侧或侧部上就已经足够了。
[0024] 该物质可以由铁，钴，镍，它们的
合金，铁
硅合金，铁
硼，铁
铝，铝-镍-钴，锰-锑或锰-铋制成。
[0025] 该物质可以单独或组合包含元素铁的
氧化物(Fe2O3、Fe3O4)，镍的氧化物(NiO)，铬的氧化物(CrO2)和/或AB2O3型
尖晶石，所述AB2O3型尖晶石优选地具有针对字母A的二价金属阳离子(Mg、Mn、Fe、CO、Ni、Cu)，和针对字母B的三价金属阳离子(Fe)。
[0026] 根据本发明的用于测量消耗性摩擦元件，特别是电刷等的磨损状态的方法通过测量装置的感测装置的传感器产生磁场，其中，摩擦元件在该磁场中相对于传感器布置，其中测量装置的指示物附接到摩擦元件，所述指示物包括铁磁性、反铁磁性和/或亚铁磁性物质，其中，作为指示物相对于传感器改变位置的结果，通过感测装置检测磁场的变化。对于根据本发明的方法的优点，参考根据本发明的测量装置的优点的描述。
[0027] 传感器的阻抗可以通过感测装置来测量，并且可以与存储在感测装置中的参考阻抗进行比较，其中，可以通过测量的阻抗与参考阻抗之差来确定摩擦元件的长度的消耗性接触部分的部分长度。如果传感器是线圈，则可以在所述线圈中馈入交流电压或脉冲电压，由此由于线圈的电感性而在所实现的电路中发生交流电压或脉冲电压的
相移。传感器的阻抗可以通过感测装置或通过感测装置的检测电路来确定。例如可以假定，将传感器的阻抗设置为尚未磨损的新的摩擦元件的参考阻抗，并将所述阻抗存储在感测装置中。然后可以用摩擦元件校准测量装置。如果摩擦元件相对于传感器运动，特别是通过接触部分的磨耗而运动，则传感器的阻抗由于由指示物引起的传感器磁场的变化而改变。通过感测装置或检测电路将随后测量的阻抗与参考阻抗进行比较。由于以这种方式确定的测量阻抗和参考阻抗的差，因此可以通过检测电路计算消耗性接触部分的剩余部分长度。该计算例如可以基于数学函数来进行。原则上，该方法可以用于具有指示物的任何摩擦元件，因为可以一直进行摩擦元件的校准。这也允许测量装置普遍用于用来传递电能的不同摩擦元件，或者用于不能允许传递电能或不旨在传递电能的摩擦元件。
[0028] 特别地，可以假定，通过感测装置连续地测量指示物相对于传感器的位置的变化。然后可以一直测量摩擦元件的绝对磨损状态或消耗性接触部分的部分长度。该测量可以与流过摩擦元件的电流或正在运行的电机无关地进行。然后可以通过感测装置确定摩擦元件相对于电机的运行的磨损。例如，可以预先计算出在电机运行几个小时后摩擦元件预计会完全磨损并且必须更换。因此可以特别容易地安排摩擦元件的更换。
[0029] 该方法的其他有利的实施例可以从引用装置权利要求1的
从属权利要求的特征的描述中得出。
[0030] 根据本发明，具有消耗性摩擦元件，特别是电刷等的由铁磁性、反铁磁性和/或亚铁磁性物质制成的指示物用于测量摩擦元件的磨损状态。指示物的使用的其他有利实施例可以从对从属权利要求的特征的描述中得出，该从属权利要求引用装置权利要求1和方法权利要求18。
[0031] 本发明可以用于各种应用。电机可以例如包括两个滑环，每个滑环与两个电刷接触，两个电刷分别设置在一个电刷架中。由镍制成的涂层被施加到每个电刷的后端，所述后端从滑环移开，并且线圈在每个电刷的前端被集成在电刷架中，作为感测装置的传感器。各个线圈的信号可以经由电刷架上的连接插座传输到感测装置的检测电路。
[0032] 三相电机例如可以包括具有三个电刷的三个滑环轨道，每个电刷在电刷的前端上均具有表面涂有铁的周向电刷表面，所述前端面向滑环轨道。在这种情况下，串联连接的线圈也可以在与电刷运行表面相邻的前端上集成在相应的电刷架中。然后，可以通过具有检测电路的双极连接插座将电刷架连接到感测装置中。
[0033] 根据另一示例，电机可以包括两个极性不同的滑环轨道，三个电刷与每个滑环轨道接触。每个电刷可以在后端包括添加了氧化铁(III)的材料涂层。在这种情况下，也可以将线圈作为传感器在电刷前端附近集成在电刷架中，传感器可以并联连接。在电刷架上可以实现七极连接插座，用于将测量
信号传输到检测电路。
[0034] 在另一示例中，具有两个不同极性的滑环的电机可以包括在一个滑环上的两个电刷，所述电刷包括薄的
中间层，该中间层在最大允许磨损长度的区域中添加铁粉。
附图说明
[0035] 下面通过附图更详细地描述本发明。
[0036] 在图中：
[0037] 图1示出了摩擦元件的第一实施例的透视图。
[0038] 图2示出了摩擦元件的第二实施例的透视图。
[0039] 图3示出了摩擦元件的第三实施例的透视图。
[0040] 图4示出了摩擦元件的第四实施例的透视图。
[0041] 图5示出了摩擦元件的第五实施例的透视图。
[0042] 图6示出了摩擦元件的第六实施例的透视图。
[0043] 图7示出了摩擦元件的第七实施例的透视图。
[0044] 图8示出了摩擦元件的第八实施例的透视图。
[0045] 图9示出了摩擦元件的第九实施例的透视图。
[0046] 图10示出了摩擦元件的第十实施例的透视图。
[0047] 图11示出了具有未消耗的摩擦元件的电刷架的示意性剖视图。
[0048] 图12示出了具有消耗的摩擦元件的图11的电刷架的示意性剖视图。
具体实施方式
[0049] 图1示出了实现电刷11的摩擦元件10的简化透视图。电刷体12基本上由石墨制成，并且包括在前端13上的接触表面14，所述接触表面14用于与电机的滑环(未示出)接触，以及在后端15上的绞合线16，所述绞合线16被容纳在电刷体12中并且用于以导电方式连接电刷11。指示物18通过涂层19附接到电刷11或其表面17。涂层19是几微米厚，并且基本上由铁磁性物质制成，其中涂层19也可以替代地包括反铁磁性和/或亚铁磁性物质。该物质可以是例如铁、钴或镍，以及铁镍、铁钴、镍钴、铁硅、铁硼、铁铝、铝镍钴、镍铁钴、锰-锑或锰-铋的合金。涂层19完全施加在相对于纵轴线20的后端15上的表面17上。另一方面，表面17没有涂层，因此实现了具有部分长度LK的消耗性接触部分21和长度L的电刷体12。结果，在具有电刷体12的长度L的长度LV的联接部分22中实现涂层19。电刷11可以与测量装置(未示出)和电刷架一起使用，其中通过测量装置的感测装置的传感器产生磁场，并且电刷在磁场中相对于传感器布置，其中，作为由于消耗性接触部分21的消耗所引起的指示物18相对于传感器的位置变化的结果，指示物18引起磁场的变化。然后，测量装置可以利用指示物18相对于传感器的位置变化来确定消耗性接触部分21的长度LK。
[0050] 图2示出了摩擦元件23，与图1的摩擦元件相对照，该摩擦元件23包括涂层24，该涂层仅施加在联接部分22中的表面17的侧表面25上。重要的是要注意：摩擦元件23必须始终以允许涂层24到达传感器的
检测区域的方式被容纳。涂层24例如可以通过粘合剂层(未示出)施加在侧表面25上。
[0051] 图3示出了摩擦元件26，与图1的摩擦元件相对照，该摩擦元件26包括涂层27，该涂层仅施加在电刷架12的表面17上的消耗性接触部分21中。由于磨耗去除，在摩擦元件26的整个使用寿命中，涂层27被磨损，并且在使用寿命结束时，涂层基本上被完全去除。
[0052] 图4示出了摩擦元件28，与图1的摩擦元件相对照，该摩擦元件28包括涂层29，该涂层29在消耗性接触部分21的过渡区域中被施加到表面17上的联接部分22。以此方式，涂层29实现指示物部分30。如果由于消耗性接触部分21的磨耗去除而使涂层29通过传感器，则传感器的磁场阻抗例如可以从初始值改变为
修改值，并且又回到初始值。然后可以在不精确计算摩擦元件28的长度的情况下检测摩擦元件28的至少两个位置。
[0053] 与图4的摩擦元件相对照，图5所示的摩擦元件31在指示物部分30中包括附加涂层32。
[0054] 图6示出了摩擦元件33，与图1的摩擦元件相对照，该摩擦元件33包括联接部分22中的指示物34而不是涂层，所述指示物34由于添加了铁磁性、反铁磁性和/或亚铁磁性物质而被实现为电刷体12的材料。如果电刷体12被烧结，则该物质可以颗粒35的形式添加到材料中。颗粒35基本上以均匀的方式分布在联接部分22中，其中没有物质的颗粒被添加到消耗性接触部分21。检测原理对应于图1所示的摩擦元件。
[0055] 图7示出了摩擦元件36，与图6的摩擦元件相对照，该摩擦元件仅在联接部分22或表面17的侧表面38上的部段27中包括颗粒35。
[0056] 图8示出了摩擦元件39，其中与图6的摩擦元件相对照，物质的颗粒35仅在消耗性接触部分21中被添加到电刷体12的材料中。联接部分22不包括任何物质的颗粒。
[0057] 图9示出了摩擦元件40，其中，与图6的摩擦元件相对照，物质的颗粒35仅被添加到消耗性接触部分21与联接部分22之间的指示部分41中的材料中。
[0058] 图10示出了摩擦元件42，其中，与图9的摩擦元件相对照，附加的颗粒43被添加到联接部分22中的电刷体12的材料中，由此在联接部分22中实现附加的指示物44。
[0059] 图11和12的组合图示出了电机(未详细示出)的滑环45的示意性剖视图，该电机具有电刷架46和摩擦元件47，该摩擦元件47实现电刷48。电刷48在电刷架46的轴50内沿纵轴线40可移动。通过弹簧51在电刷48的接触表面52上产生接触压力。然后，电能可以通过附接到电刷48的绞合线53通过接触表面52传递到滑环45。电刷48基本上由石墨制成，其中，在电刷48的电刷体56的联接部分55的部段54中，铁磁性、反铁磁性和/或亚铁磁性物质被添加到石墨，从而实现指示物57。基本上由线圈(未更详细示出)实现的传感器59布置在电刷架46上的腔58中。传感器59和指示物57是测量装置60(未完全示出)的一部分。电刷体56的消耗性接触部分61起初比较长，然后通过接触部分61的材料的磨耗去除而减小，从而导致如从图11和图12中可以看出的指示物57相对于传感器59的位置。由传感器59产生的磁场也通过指示物57的相对位置的改变而改变，由测量装置60的指示物57的相对位置的变化或测量装置60上的检测电路(未示出)的指示物的相对位置的变化得出消耗性接触部分61的长度的相应变化，由此检测达到磨损极限。
