Analisi delle scintille nei motori DC con spazzole

Panoramica

Dentro motori DC con spazzole , la formazione di scintille tra le spazzole e il commutatore è un evento abbastanza comune durante il funzionamento. Tuttavia, quando l'intensità della scintilla supera i livelli accettabili, può ridurre le prestazioni del motore e persino bruciare il motore stesso o le apparecchiature collegate. Le cause sono molteplici: fluttuazioni di tensione, usura delle spazzole, scarso contatto e sovraccarico. Questo articolo esamina queste cause in modo approfondito e propone misure efficaci di repressione.

La fisica dietro le scintille dei motori

La causa fondamentale delle scintille del motore è l'interruzione forzata di una bobina induttiva che trasporta corrente mentre la spazzola passa tra i segmenti del commutatore. L'energia magnetica immagazzinata nella bobina viene rilasciata istantaneamente, ionizzando l'aria circostante e formando un arco.

Dentro 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.

Durante la commutazione, c'è un breve momento in cui una spazzola contatta contemporaneamente due segmenti adiacenti prima di sollevare quello originale. Nell'istante in cui la spazzola lascia quel segmento, il percorso della corrente attraverso la bobina associata viene fisicamente interrotto.

La bobina è un elemento induttivo e l'induttanza resiste a qualsiasi cambiamento improvviso di corrente. Nel momento in cui la corrente viene interrotta, la bobina genera un'elevata tensione inversa - un back-EMF - nel tentativo di sostenere il flusso di corrente. Questa tensione autoindotta può facilmente raggiungere decine di volte la tensione di alimentazione.

Sebbene la spazzola sia fisicamente separata dal segmento del commutatore, lo spazio tra loro è estremamente piccolo, nell'ordine dei micrometri. I bordi dei segmenti del commutatore spesso presentano bave microscopiche o punte taglienti dovute all'usura, dove si concentra l'intensità del campo elettrico. L'elevata forza elettromagnetica posteriore viene applicata attraverso questo piccolo traferro. Quando la tensione è sufficiente, l'aria si scompone: le molecole vengono ionizzate in elettroni e ioni positivi, formando un canale conduttivo. La corrente quindi salta attraverso lo spazio anziché scorrere attraverso il contatto metallico e nasce una scintilla.

Dalla scintilla all'arco

Se la scintilla persiste, a causa di uno scarso contatto delle spazzole, di un carico pesante che causa un ritardo di commutazione o di condizioni simili, il traferro ionizzato scende a una resistenza molto bassa e la corrente continua a fluire attraverso questo canale del plasma ad alta temperatura, sostenendo un arco completo. Le temperature dell'arco possono raggiungere da 3.000°C a 8.000°C, abbastanza calde da erodere la superficie di rame dei segmenti del commutatore, lasciando vaiolature e ossidazione. Ciò accelera contemporaneamente l'usura delle spazzole e, in ambienti pericolosi come miniere di carbone o impianti chimici, rischia di accendere gas infiammabili.

Standard di classificazione e ammissibilità delle scintille

Dentro 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.

Sulla base della pratica ingegneristica e degli standard nazionali, questi cinque gradi rientrano in tre categorie di ammissibilità:

Consentito per il funzionamento continuo a lungo termine: scintille innocue

I gradi 1, 1¼ e 1½ sono tutti approvati per il funzionamento prolungato e continuo del motore.

Grado 1: Teoricamente senza scintilla: lo stato ideale, che indica eccellenti prestazioni di commutazione.

Grado 1¼: solo punti isolati producono scintille, senza causare alcun danno al commutatore o alle spazzole. Completamente innocuo.

Grado 1½: Sebbene possano apparire lievi segni superficiali sul commutatore e sulle spazzole, questi non progrediscono ulteriormente e non rappresentano una minaccia sostanziale per il motore. Il funzionamento a lungo termine rimane consentito.

Consentito solo per breve tempo in condizioni specifiche: scintille dannose

Le scintille di grado 2 sono classificate come dannose. L'energia dell'arco è sufficientemente significativa da provocare danni da ustione al commutatore e alle spazzole. Non è consentito in condizioni di carico nominale normale, ma può apparire brevemente nelle seguenti condizioni:

Durante eventi di sovracorrente o sovracoppia di breve durata, come l'avvio del motore o un carico da impatto improvviso, le scintille non devono superare il Grado 2.

In condizioni di sovraccarico di lavoro massimo, anche le scintille di commutazione devono rimanere al di sotto del grado 2.

Oltre questi limiti si rischiano danni irreversibili al collettore e alle spazzole.

Assolutamente vietato durante il normale funzionamento: scintille pericolose

Le scintille di grado 3 sono classificate come pericolose, caratterizzate da:

Energia dell'arco estremamente elevata con grave potenziale distruttivo. Nei casi più gravi, si intensifica fino a un evento di incendio circolare: l'aria attorno all'intera pista della spazzola viene intensamente ionizzata e l'arco si diffonde su tutta la superficie del commutatore, causando danni immediati e catastrofici al motore o guasto totale.

Teoricamente consentito solo al momento dell'avviamento o dell'inversione diretta e solo a condizione che il commutatore e le spazzole rimangano in condizioni adatte al servizio continuato.

In tutte le normali condizioni di funzionamento continuo, la formazione di scintille di Grado 3 è severamente vietata.

Misure per prevenire scintille dannose

Mantenere la tensione tra i segmenti entro limiti di sicurezza

Mantenere la tensione di alimentazione entro l'intervallo nominale del motore. Prestare attenzione alla regolazione del polo di commutazione: un numero di giri errato o una polarità invertita possono aumentare la tensione tra i segmenti a livelli pericolosi. Ove possibile, ispezionare periodicamente gli avvolgimenti del rotore per verificare la presenza di cortocircuiti o circuiti aperti, utilizzando test di resistenza dell'avvolgimento dell'armatura e un rilevatore di cortocircuito per verificare che la distribuzione della tensione tra i segmenti del commutatore rimanga uniforme.

Garantisci un contatto pulito e coerente tra spazzola e commutatore

Mantenere la superficie del commutatore liscia e concentrica. Se la superficie presenta irregolarità, rigature o uno strato di ossido eccessivamente spesso, lucidarla con carta vetrata a grana fine; non utilizzare mai un panno abrasivo. Verificare che ciascuna spazzola si adatti al relativo portaspazzola con la distanza corretta. Monitorare attentamente l'usura delle spazzole: man mano che le spazzole si consumano, la loro area di contatto con il commutatore diminuisce, provocando un aumento della densità di corrente e la conseguente formazione di scintille.

Evitare il funzionamento con sovraccarico prolungato

Far funzionare il motore oltre il carico nominale per periodi prolungati provoca una diminuzione della velocità del rotore e un aumento dell'assorbimento di corrente, condizioni che innescano facilmente scintille. Controllare periodicamente eventuali inceppamenti meccanici o inceppamenti nel carico condotto e assicurarsi che la ventilazione del motore e la dissipazione del calore rimangano adeguate.

Conclusione

Le scintille di commutazione sono inevitabili durante il funzionamento dei motori CC con spazzole, ma con una progettazione adeguata, componenti di qualità e manutenzione ordinaria, le scintille dannose sono completamente prevenibili. I motori CC con spazzole di Hongyang Motor sono progettati con armature avvolte di precisione, spazzole di carbone di alta qualità e tolleranze strette del commutatore, il tutto volto a ridurre al minimo le scintille e massimizzare la durata. Sia che la tua applicazione richieda un funzionamento continuo a carico elevato o un controllo preciso della velocità, il nostro team di ingegneri è pronto ad aiutarti a selezionare il motore giusto per il lavoro.