Анализ искрения в коллекторных двигателях постоянного тока

Обзор

В коллекторные двигатели постоянного тока , искрение между щетками и коллектором – довольно частое явление во время работы. Однако, когда интенсивность искры превышает допустимый уровень, это может ухудшить характеристики двигателя и даже сжечь сам двигатель или подключенное оборудование. Причины разнообразны — среди них колебания напряжения, износ щеток, плохой контакт и перегрузка. В данной статье подробно рассматриваются эти причины и предлагаются эффективные меры их подавления.

Физика, лежащая в основе искрения двигателя

Основной причиной искрения двигателя является принудительное прерывание токоведущей индуктивной катушки при переходе щетки между сегментами коллектора. Магнитная энергия, накопленная в катушке, высвобождается мгновенно, ионизируя окружающий воздух и образуя дугу.

В a brushed DC motor, the rotor consists of multiple coil windings, with each coil's two ends connected to a pair of commutator segments. Two stationary carbon brushes press against the surface of the rotating commutator, channeling current from the external power supply into the rotor coils. As the motor rotates, each brush slides from one commutator segment to the next — a process known as commutation.

Во время коммутации существует краткий момент, когда щетка одновременно касается двух соседних сегментов, прежде чем отрывать исходный. В тот момент, когда щетка покидает этот сегмент, путь тока через соответствующую катушку физически прерывается.

Катушка является индуктивным элементом, и индуктивность сопротивляется любому внезапному изменению тока. В момент прерывания тока катушка генерирует высокое обратное напряжение — противо-ЭДС — в попытке поддержать ток. Это самоиндуцированное напряжение может легко в десятки раз превышать напряжение питания.

Хотя щетка физически отделена от сегмента коллектора, зазор между ними чрезвычайно мал — порядка микрометров. Края сегментов коллектора часто имеют микроскопические заусенцы или острые точки, вызванные износом, где концентрируется напряженность электрического поля. Высокая противо-ЭДС прикладывается к этому крошечному воздушному зазору. Когда напряжения достаточно, воздух распадается: молекулы ионизируются на электроны и положительные ионы, образуя проводящий канал. Тогда ток перескакивает через зазор, а не протекает через металлический контакт, и рождается искра.

От искры к дуге

Если искра сохраняется — из-за плохого контакта щетки, большой нагрузки, вызывающей задержку коммутации, или подобных условий — ионизированный воздушный зазор падает до очень низкого сопротивления, и ток продолжает течь через этот высокотемпературный плазменный канал, поддерживая полную дугу. Температура дуги может достигать 3000–8000 °C, что достаточно для того, чтобы разрушить медную поверхность сегментов коммутатора, оставляя после себя точечную коррозию и окисление. Это одновременно ускоряет износ щеток и в опасных средах, таких как угольные шахты или химические заводы, может привести к возгоранию горючих газов.

Классификация искр и стандарты допустимости

В theory, wherever inductance, current, and mechanical interruption coexist, sparking cannot be entirely eliminated. Minor sparking, however, is permitted by standard. To systematically assess the severity of commutation sparking, China's national standard GB755-87 defines five spark grades, evaluated by spark size, brightness, density, and the degree of damage to the commutator and brushes.

На основе инженерной практики и национальных стандартов эти пять классов делятся на три категории допустимости:

Разрешено для непрерывной длительной эксплуатации — безвредное искрение

Классы 1, 1¼ и 1½ одобрены для устойчивой и непрерывной работы двигателя.

Степень 1: Теоретически отсутствие искр — идеальное состояние, указывающее на отличные коммутационные характеристики.

Степень 1¼: Только изолированные точечные искры, не вызывающие каких-либо повреждений коллектора или щеток. Совершенно безвреден.

Степень 1½: Хотя на коллекторе и щетках могут появиться небольшие следы на поверхности, они не развиваются дальше и не представляют существенной угрозы для двигателя. Длительная эксплуатация остается допустимой.

Разрешено только на короткое время при определенных условиях — вредное искрообразование

Искры 2 класса классифицируются как вредные. Энергия его дуги достаточно значительна, чтобы вызвать ожоги коллектора и щеток. Это не допускается при нормальной номинальной нагрузке, но может кратковременно появиться в следующих условиях:

Во время кратковременных перегрузок по току или превышению крутящего момента, таких как запуск двигателя или внезапная ударная нагрузка, искрение не должно превышать 2 класса.

При максимальной рабочей перегрузке коммутационное искрообразование также должно оставаться ниже класса 2.

За пределами этих пределов вероятно необратимое повреждение коллектора и щеток.

Абсолютно запрещено при нормальной работе — опасное искрообразование.

Искры 3-й степени классифицируются как опасные и характеризуются:

Чрезвычайно высокая энергия дуги с серьезным разрушительным потенциалом. В серьезных случаях это перерастает в кольцевой пожар — воздух вокруг всей дорожки щетки становится интенсивно ионизированным, и дуга распространяется по всей поверхности коллектора, вызывая немедленное и катастрофическое повреждение двигателя или его полный отказ.

Теоретически допустимо только в момент прямого пуска или реверса и только при условии, что коллектор и щетки остаются в состоянии, пригодном для дальнейшей эксплуатации.

При всех нормальных условиях непрерывной эксплуатации образование искрения 3-й степени строго запрещено.

Меры по предотвращению вредного искрения

Поддерживайте межсегментное напряжение в безопасных пределах

Поддерживайте напряжение питания в пределах номинального диапазона двигателя. Обратите внимание на регулировку коммутирующих полюсов — неправильное количество витков или перепутанная полярность могут поднять межсегментное напряжение до опасного уровня. По возможности периодически проверяйте обмотки ротора на наличие коротких замыканий или обрывов, используя тесты на сопротивление обмоток якоря и детектор короткого замыкания, чтобы убедиться, что распределение напряжения по сегментам коммутатора остается равномерным.

Обеспечьте чистый и постоянный контакт щетки с коммутатором.

Поверхность коммутатора должна быть гладкой и концентричной. Если на поверхности появляется овальность, задиры или слишком толстый оксидный слой, отполируйте ее мелкозернистой наждачной бумагой — ни в коем случае нельзя использовать абразивную ткань. Убедитесь, что каждая щетка соответствует своему щеткодержателю с правильным зазором. Внимательно следите за износом щеток: по мере износа щеток площадь их контакта с коллектором уменьшается, что приводит к увеличению плотности тока и возникновению искрения.

Избегайте постоянной перегрузки

Работа двигателя сверх номинальной нагрузки в течение длительного времени приводит к падению скорости ротора и увеличению потребляемого тока — условия, которые легко вызывают искрение. Периодически проверяйте отсутствие механических заеданий или заеданий в приводимой нагрузке и обеспечивайте достаточную вентиляцию двигателя и отвод тепла.

Заключение

При работе коллекторных двигателей постоянного тока коммутационное искрение неизбежно, но при правильной конструкции, качественных компонентах и регулярном обслуживании вредное искрообразование полностью можно предотвратить. Коллекторные двигатели постоянного тока Hongyang Motor оснащены якорями с прецизионной обмоткой, высококачественными угольными щетками и жесткими допусками коллектора — все это направлено на минимизацию искрения и увеличение срока службы. Независимо от того, требует ли ваше приложение непрерывной работы с высокими нагрузками или точного контроля скорости, наша команда инженеров готова помочь вам выбрать двигатель, подходящий для вашей работы.