Способ и устройство мониторинга износа скользящих электрических контактов вращающегося коллектора тока для автотранспортного средства

Способ и устройство мониторинга износа скользящих электрических контактов вращающегося коллектора тока для автотранспортного средства

Реферат

Область техники

Приоритет настоящего изобретения испрашивается по французской заявке 105601 1, поданной 22 июля 2010 года, содержание которой (текст, чертеж и формула изобретения) включено здесь посредством ссылки.

Изобретение относится к области вращающихся коллекторов тока, в которых используют скользящие электрические контакты и которыми оборудован генератор электрического тока, в частности, автотранспортного средства. В частности, изобретение относится к области способов и устройств, связанных с таким коллектором тока, для отслеживания состояния износа скользящих электрических контактов, выполненных в виде щеток или аналогичных органов, взаимодействующих с электропроводящей дорожкой.

Предшествующий уровень техники

Автотранспортные средства оборудованы вращающимися электрическими машинами, такими как генераторы переменного тока или реверсивные генераторы переменного тока, содержащие ротор, установленный с возможностью вращения внутри статора. Такие электрические машины используют, в частности, для запуска двигателя внутреннего сгорания, для питания энергией бортовой электрической сети и/или для подзарядки аккумулятора энергии, которым оборудовано транспортное средство. Для обеспечения этих различных режимов работы эти электрические машины генерируют ток, индуцируемый в роторе, который снимают с вращающегося коллектора тока, содержащего скользящие электрические контакты, выполненные в виде щеток или аналогичных органов, взаимодействующих с соответствующими проводящими дорожками. Однако трение щеток по дорожкам приводит к их износу, в результате чего происходит значительная потеря электрического контакта в роторной обмотке. Износ щеток может привести к невозможности использования электрической машины в режиме производства тока, следствием чего может стать разрушение коллектора тока, к невозможности подзарядки аккумулятора энергии и питания энергией бортовой сети транспортного средства и даже к невозможности использования электрической машины в качестве источника механической энергии.

Чтобы избежать аварийной ситуации в транспортном средстве, было предложено отслеживать износ скользящих электрических контактов во время работы электрической машины. Можно, например, указать документ FR2751416 (EUROCOPTER SA), в котором предложено измерять сопротивление электрического контакта между щетками и дорожками, которыми оборудован вращающийся коллектор. Такое измерение производят, учитывая соотношения между изменениями напряжения на клеммах щеток и изменениями силы тока, проходящего через щетки.

Краткое изложение существа изобретения

Настоящее изобретение призвано предложить способ и устройство мониторинга износа скользящих электрических контактов вращающегося коллектора тока для автотранспортного средства, позволяющие надежно и своевременно детектировать износ скользящих электрических контактов и заранее производить их замену, не дожидаясь серьезных последствий для нормальной работы транспортного средства и его агрегатов.

Способ в соответствии с настоящим изобретением является способом мониторинга износа скользящих электрических контактов вращающегося коллектора тока. Такой коллектор тока входит в состав электрической машины, генерирующей этот ток, такой как генератор переменного тока или реверсивный генератор переменного тока, установленный на автотранспортном средстве. Электрическая машина является машиной, объединяющей статор и ротор, который связан с электрическими контактами, скользящими по соответствующим дорожкам, для обеспечения непрерывности принимаемого и распределяемого тока. Скользящие электрические контакты выполнены, в частности, в виде щеток, наконечники которых изготовлены из проводящего материала, например, такого как углерод или металлический сплав, и установлены на коллекторе тока в контакте, по меньшей мере, с одной соответствующей проводящей дорожкой. Заявленный способ в целом состоит в анализе тока, генерируемого электрической машиной, чтобы на его основании сделать вывод о состоянии износа скользящих электрических контактов.

Согласно настоящему изобретению, такой способ в основном характеризуется тем, что содержит следующие этапы:

на электрической машине в фазе генерирования тока детектируют данные, связанные с циклическим соотношением размыкания (ЦСР), обуславливаемым генерируемым током. ЦСР соответствует значению, определяемому на основании соотношения между мгновенным током ротора (I.rot) и максимальным током ротора (I.rot.max), называемым током насыщения. Такое ЦСР, соответствующее (I.rot.max)/(I.rot), может меняться в зависимости от внешних условий.

Данные, связанные с детектированным упомянутым ЦСР, сравнивают с заранее определенным допустимым порогом ЦСР, содержащим, по меньшей мере, одно пороговое значение ЦСР. Такое сравнение состоит, в частности, в сопоставлении детектированного ЦСР и допустимого порога ЦСР, который предварительно сохраняют в памяти, после чего следует операция заключения о состоянии износа скользящих электрических контактов относительно допустимого порога ЦСР. В случае необходимости промежуточный этап фильтрации связанных с током сигналов позволяет упростить упомянутые операции сравнения и заключения. Допустимое максимальное состояние износа скользящих электрических контактов определяют, например, начиная от детектированного значения ЦСР, превышающего допустимый порог примерно на 50% в течение времени порядка нескольких десятков секунд. Ослабление скользящих электрических контактов стремится к свести к нулю значение тока ротора, генерируемого электрической машиной, а соотношение ЦСР, обеспечиваемое электрической машиной, наоборот, стремится к повышению для сохранения регулирования выдаваемой энергии.

Упомянутые этапы детектирования данных, связанных с ЦСР, сравнения детектированных данных ЦСР и заключения о состоянии износа скользящих электрических контактов входят в итеративный процесс мониторинга состояния износа скользящих электрических контактов, когда электрическая машина работает в режиме генерирования тока.

На основании этапа заключения генерируют тревожную индикацию в случае, когда достигнуто состояние износа скользящих электрических контактов. Генерирование тревожной индикации состоит в активации одного или нескольких индикаторов или аналогичных органов, входящих в состав приборной панели транспортного средства, и/или электронного индикатора, встроенного в бортовой компьютер этого транспортного средства. Эта тревожная индикация отключается после замены скользящих электрических контактов.

Согласно предпочтительному варианту выполнения, этап заключения состоит в инкрементации тактового счетчика, на заранее определенный период, в зависимости от данных, полученных в результате операции сравнения. Упомянутый заранее определенный период такта счетчика может, например, составлять от 50 мс до 120 мс и в идеале - примерно 80 мс.

Этап инкрементации состоит, в частности, в изменении тактового счетчика либо по возрастающему значению в случае, когда упомянутое сравнение дает информацию, согласно которой детектированное значение ЦСР превышает значение допустимого порога ЦСР, либо по уменьшающемуся значению в случае, когда упомянутое сравнение дает информацию, согласно которой детектированное значение ЦСР меньше упомянутого значения допустимого порога ЦСР. Этап генерирования упомянутой тревожной индикации происходит на основании сравнения между значением инкрементации тактового счетчика и заранее определенным заданным значением инкрементации, начиная от которого происходит генерирование тревожной индикации.

При отсутствии генерирования тока электрической машиной прерывают, по меньшей мере, инкрементацию тактового счетчика. Предпочтительно при детектировании отсутствия генерирования тока электрической машиной прерывают все этапы, связанные с упомянутым итеративным процессом.

Предпочтительно операция отключения упомянутой тревожной индикации происходит при инкрементации тактового счетчика на нулевое значение, полученное в результате сравнения детектированного значения ЦСР и значения допустимого порога ЦСР. В частности, установка новых скользящих электрических контактов приводит к декрементации тактового счетчика до нулевого значения, после которого происходит отключение тревожной индикации.

Согласно различным вариантам, операция этап может произойти как на основании измерения тока, генерируемого электрической машиной, так и/или посредством этапа подтверждения, осуществленного оператором.

Объектом настоящего изобретения является также устройство генерирования электрического тока для автотранспортного средства, выполненное с возможностью применения описанного способа. Такое устройство содержит электрическую машину, генерирующую этот ток, коллектор тока, оснащенный скользящими электрическими контактами, и средства мониторинга износа упомянутых скользящих электрических контактов. Такие средства мониторинга представляют собой, в частности, электронные средства, применяющие анализ тока, генерируемого электрической машиной. Согласно настоящему изобретению, такое устройство в основном отличается тем, что упомянутые средства мониторинга содержат:

средства детектирования работы электрической машины в режиме генерирования тока. Такие средства детектирования предназначены для активации итеративного процесса мониторинга скользящих электрических контактов, когда электрическая машина генерирует ток, и для прерывания этого итеративного процесса в противном случае.

Средства детектирования и/или измерения данных, связанных с ЦСР, получаемого при токе, генерируемом электрической машиной. Применение этих средств детектирования и измерения поставлено в зависимость от средства детектирования работы электрической машины таким образом, чтобы активировать их только тогда, когда электрическая машина производит ток.

Средства вычисления, объединяющие средства сравнения между упомянутыми детектированными данными и заранее определенными заданными значениями, сохраненными в средствах памяти, и средства заключения о состоянии износа скользящих электрических контактов сверх допустимого порога износа. Такие средства вычисления и средства памяти включены, в частности, в бортовой компьютер, которым обычно оборудованы автотранспортные средства. Предпочтительно средства вычисления включают в себя упомянутый тактовый счетчик, связанный со средствами изменения его инкрементации, применение которых поставлено в зависимость от средств сравнения.

Средства генерирования упомянутой тревожной индикации, которые связаны со средствами передачи тревожной индикации. Согласно различным примерам выполнения, рассматриваемым отдельно или в комбинации, средства передачи тревожной индикации могут представлять собой как визуальные средства, интегрированные в приборную панель транспортного средства, оборудованного этим устройством, так и/или электронные средства, интегрированные в бортовой компьютер этого транспортного средства. Во время операции обслуживания транспортного средства такие электронные средства позволяют предупредить оператора на станции обслуживания о необходимости замены скользящих электрических контактов в случае их износа сверх заранее определенного порога.

Средства отключения средств генерирования тревожной индикации и даже ранее активированных средств передачи, применение которых предпочтительно поставлено в зависимость от тактового счетчика. В случае необходимости, устройство может содержать орган прямого управления оператором упомянутых средств отключения, который оператор может активировать после замены скользящих электрических контактов. Для активации средств отключения можно также применять и другие средства детектирования такой замены.

Краткое описание чертежей

Далее следует описание примера выполнения настоящего изобретения со ссылками на фиг. 1, которая иллюстрирует устройство и его применение для мониторинга износа скользящих электрических контактов вращающегося коллектора тока, которым оборудована электрическая машина, генерирующая этот ток для автотранспортного средства.

Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения

Показанная на единственном чертеже электрическая машина 1, генерирующая ток, выполнена с возможностью установки на автотранспортном средстве с целью питания энергией оборудования 2 этого транспортного средства, в частности аккумулятора энергии и агрегатов, питаемых энергией от бортовой сети, которая связана с электрической машиной и/или с аккумулятором энергии. Электрическая машина 1 оборудована вращающимся коллектором 3 тока, содержащим скользящие электрические контакты 4, выполненные в виде щеток или аналогичных органов, которые взаимодействуют с соответствующими дорожками 5 для электрического соединения ротора 6 с цепью 26 питания оборудования 2 транспортного средства. Чтобы слишком большой износ не привел к повреждению оборудования транспортного средства, электрическая машина 1 и, в частности, вращающийся коллектор 3 тока связаны со средствами 8 мониторинга износа скользящих электрических контактов 4 на основании анализа тока, генерируемого электрической машиной 1.

В частности, предложено анализировать данные, касающиеся тока, генерируемого электрической машиной 1 и снимаемого с вращающегося коллектора 3 тока. Такой анализ касается данных, связанных с ЦСР, получаемым при токе, генерируемом электрической машиной 1. Предложено итеративно проверять эти данные ЦСР, которые считываются в непрерывном режиме, для определения их аномального характера. Такой аномальный характер детектируемых и/или измеряемых данных ЦСР основан на выводе, что ослабление скользящих электрических контактов 4 стремится обнулить значение роторного тока, генерируемого электрической машиной 1, и что ЦСР, обеспечиваемое электрической машиной 1, наоборот, стремится к увеличению для сохранения регулирования выдаваемой энергии. В случае, когда данные ЦСР рассматриваются как ненормальные относительно заранее определенного порога, происходит подтверждение информации, связанной с дефектом износа скользящих электрических контактов 4. В противном случае начатый процесс мониторинга износа скользящих электрических контактов 4 продолжается итеративно. В случае отмеченного дефекта износа происходит генерирование тревожной индикации и активация средств передачи этой тревожной индикации, таких как сигнальная лампочка оповещения водителя или таких как электронные средства, доступные на станции обслуживания для оператора через бортовой компьютер транспортного средства. После замены изношенных скользящих электрических контактов 4 новыми скользящими электрическими контактами 4 генерирование тревожной индикации прекращается, и соответствующие средства ее передачи отключаются.

В частности, средства 8 мониторинга включают в себя средства 9 отслеживания генерирования тока электрической машиной 1, предназначенные для инициирования итеративного процесса мониторинга износа скользящих электрических контактов. В случае, если электрическая машина не генерирует ток, итеративный процесс мониторинга прекращается, но при этом данные, ранее собранные и/или измеренные средствами 8 мониторинга, не стираются. Устройство мониторинга содержит средства 10 вычисления для генерирования данных, позволяющих детектировать значительный износ скользящих электрических контактов 4, и упомянутые генерированные данные сохраняются между двумя фазами генерирования тока электрической машиной 1. Применение средств 10 вычисления поставлено в зависимость от средств 9 детектирования генерирования тока электрической машиной 1.

Средства 10 вычисления включают в себя средства 11 детектирования и/или измерения данных, связанных с ЦСР, получаемым при токе, генерируемом электрической машиной 1, которые связаны со средствами 12 сравнения между этими детектированными и/или измеренными данными ЦСР и заданными значениями ЦСР, предварительно сохраненными в средствах 13 памяти. Такие заданные значения ЦСР соответствуют допустимому порогу ЦСР, соответствующему порогу износа скользящих электрических контактов 4, не обеспечивающих достаточной непрерывности тока между дорожками 5 и связанными с ними скользящими электрическими контактами 4. После операции 14 детектирования и/или измерения ЦСР, обеспечиваемого током, генерируемым электрической машиной 1, следует операция 15 сравнения детектированного и/или измеренного значения ЦСР с заданным значением ЦСР, затем операция 16 заключения о состоянии износа скользящих электрических контактов 4 сверх допустимого порога износа. Средства 17 заключения применяют тактовый счетчик для выполнения такого этапа 16 заключения при помощи средств 19 изменения инкрементации тактового счетчика 18, применение которых поставлено в зависимость от средств 15 сравнения. Изменение значения тактового счетчика 18 осуществляют в сторону возрастания в случае, когда детектированное и/или измеренное значение ЦСР превышает заданное значение ЦСР, и наоборот.

Средства 10 вычисления и, в частности, тактовый счетчик 18 связаны со средствами 20 генерирования тревожной индикации, которые, в свою очередь, связаны со средствами 21 передачи. Применение средств 20 генерирования тревожной индикации и/или средств 21 передачи поставлено в зависимость от средств 22 отключения, активация которых происходит после замены изношенных скользящих электрических контактов 4. Когда тактовый счетчик 18 достигает значения, соответствующего допустимому порогу износа скользящих электрических контактов 4, происходит генерирование 23 тревожной индикации для предупреждения о необходимости замены скользящих электрических контактов 4. Активация средств 22 отключения поставлена в зависимость от запрограммированного счетчика 18 таким образом, чтобы их применять, когда значение запрограммированного счетчика 18 стремится к нулю. Такое нулевое значение не следует понимать в прямом смысле этого выражения, и его можно корректировать в зависимости от условий работы и/или от собственной конструкции вращающегося коллектора тока. Если с точки зрения износа состояние скользящих электрических контактов 4 является удовлетворительным, происходит декрементация значения тактового счетчика 18, и оно даже стремится к нулю в случае, когда скользящие электрические контакты 4 находятся в отличном состоянии. Такая декрементация тактового счетчика 18 в сторону по существу нулевого значения приводит к операции 24 активации средств отключения и, следовательно, к операции 25 отключения средств 20 генерирования тревожной индикации и/или средств 21 передачи.

1. Способ мониторинга износа скользящих электрических контактов (4) вращающегося коллектора (3) тока, который входит в состав электрической машины (1), генерирующей этот ток для автотранспортного средства, отличающийся тем, что содержит следующие этапы, на которых:на электрической машине (1) в фазе генерирования тока итеративно детектируют (15) данные, связанные с циклическим соотношением размыкания (ЦСР), получаемым при генерируемом токе, затем данные, связанные с этим детектированным ЦСР, сравнивают (15), по меньшей мере, с одним заранее определенным допустимым порогом ЦСР и на основании упомянутого сравнения (15) делают заключение (16) о состоянии износа скользящих электрических контактов (4) относительно допустимого порога ЦСР,генерируют (23) тревожную индикацию в случае, когда достигнуто состояние износа скользящих электрических контактов (4),после замены скользящих электрических контактов (4) отключают (24, 25) тревожную индикацию.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что этап (16) заключения состоит в инкрементации тактового счетчика (18) на заранее определенный период, в зависимости от данных, полученных на этапе (15) сравнения.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что этап инкрементации тактового счетчика (18) состоит, в частности, в изменении тактового счетчика (18):по возрастающему значению в случае, когда упомянутое сравнение генерирует информацию, согласно которой детектированное значение ЦСР превышает упомянутое значение допустимого порога ЦСР,по уменьшающемуся значению в случае, когда упомянутое сравнение генерирует информацию, согласно которой детектированное значение ЦСР меньше упомянутого значения допустимого порога ЦСР,и тем, что этап (23) генерирования упомянутой тревожной индикации происходит на основании сравнения между значением инкрементации тактового счетчика (18) и заранее определенным заданным значением инкрементации.

4. Способ по п. 2 или 3, отличающийся тем, что при отсутствии генерирования тока электрической машиной (1) прерывают, по меньшей мере, этап инкрементации тактового счетчика (18).

5. Способ по п. 2 или 3, отличающийся тем, что этап (25) отключения упомянутой тревожной индикации происходит при инкрементации тактового счетчика (18) на нулевое значение, полученное в результате упомянутого сравнения (15) детектированного значения ЦСР и значения допустимого порога ЦСР.

6. Способ по п. 4, отличающийся тем, что этап (25) отключения упомянутой тревожной индикации происходит при инкрементации тактового счетчика (18) на нулевое значение, полученное в результате упомянутого сравнения (15) детектированного значения ЦСР и значения допустимого порога ЦСР.

7. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что этап (25) отключения упомянутой тревожной индикации происходит как на основании измерения тока, генерируемого электрической машиной (1), так и на основании подтверждения, осуществленного оператором.

8. Способ по п. 4, отличающийся тем, что этап (25) отключения упомянутой тревожной индикации происходит как на основании измерения тока, генерируемого электрической машиной (1), так и на основании подтверждения, осуществленного оператором.

9. Устройство генерирования электрического тока для автотранспортного средства, содержащее электрическую машину (1), генерирующую этот ток, коллектор (3) тока, оснащенный скользящими электрическими контактами (4), и средства (8) мониторинга износа упомянутых скользящих электрических контактов (4), при этом упомянутое устройство выполнено с возможностью применения способа по любому из предыдущих пп. 1-8, отличающееся тем, что упомянутые средства (8) мониторинга содержат:средства (9) детектирования работы электрической машины (1) в режиме генерирования тока,средства (11) детектирования и/или измерения данных, связанных с ЦСР, получаемым при токе, генерируемом электрической машиной (1),средства (10) вычисления, объединяющие средства (12) сравнения между упомянутыми детектированными данными и заранее определенными заданными данными, сохраненными в средствах (13) памяти, и средства (17) заключения о состоянии износа скользящих электрических контактов (4) сверх допустимого порога износа,средства (20) генерирования упомянутой тревожной индикации, связанные со средствами (21) передачи сгенерированной тревожной индикации,средства (22) отключения средств (20) генерирования тревожной индикации, а также средств (21) передачи.

10. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что средства (10) вычисления включают в себя тактовый счетчик (18), связанный со средствами (19) изменения его инкрементации, применение которых находится в зависимости от средств (12) сравнения.

11. Устройство по п. 10, отличающееся тем, что применение упомянутых средств (22) отключения находится в зависимости от тактового счетчика (18).

12. Устройство по любому из пп. 9-11, отличающееся тем, что средства (21) передачи тревожной индикации могут быть как визуальными средствами, интегрированными в приборную панель транспортного средства, оборудованного устройством, так и/или электронными средствами, интегрированными в электронный модуль панели управления, входящий в состав бортового компьютера этого транспортного средства.