تجزیه و تحلیل جرقه در موتورهای DC برس خورده

نمای کلی

در موتورهای DC برس خورده جرقه زدن بین برس ها و کموتاتور یک اتفاق نسبتاً رایج در حین کار است. با این حال، هنگامی که شدت جرقه از حد مجاز فراتر رود، می تواند عملکرد موتور را کاهش دهد و حتی خود موتور یا تجهیزات متصل را بسوزاند. دلایل مختلف هستند - نوسانات ولتاژ، سایش برس، تماس ضعیف و بارگذاری بیش از حد در بین آنها. این مقاله به بررسی عمیق این علل می پردازد و اقدامات سرکوب موثری را پیشنهاد می کند.

فیزیک پشت جرقه موتور

علت اصلی جرقه موتور قطع اجباری یک سیم پیچ القایی حامل جریان در هنگام انتقال برس بین بخش های کموتاتور است. انرژی مغناطیسی ذخیره شده در سیم پیچ به طور آنی آزاد می شود و هوای اطراف را یونیزه می کند و یک قوس تشکیل می دهد.

در 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.

در طول کموتاسیون، یک لحظه کوتاه وجود دارد که یک برس به طور همزمان با دو بخش مجاور قبل از برداشتن قطعه اصلی تماس می‌گیرد. به محض اینکه قلم مو از آن بخش خارج می شود، مسیر فعلی از طریق سیم پیچ مربوطه از نظر فیزیکی قطع می شود.

سیم پیچ یک عنصر القایی است و اندوکتانس در برابر هرگونه تغییر ناگهانی جریان مقاومت می کند. لحظه ای که جریان قطع می شود، سیم پیچ یک ولتاژ معکوس بالا ایجاد می کند - یک EMF برگشتی - در تلاش برای حفظ جریان جریان. این ولتاژ خود القا شده به راحتی می تواند به ده ها برابر ولتاژ تغذیه برسد.

اگرچه برس از نظر فیزیکی از بخش کموتاتور جدا شده است، شکاف بین آنها بسیار کوچک است - در حد میکرومتر. لبه‌های بخش‌های کموتاتور اغلب حفره‌های میکروسکوپی یا نقاط تیز ناشی از سایش را حمل می‌کنند، جایی که شدت میدان الکتریکی در آن متمرکز است. EMF پشتی بالا در سراسر این شکاف هوایی کوچک اعمال می شود. هنگامی که ولتاژ کافی باشد، هوا تجزیه می شود: مولکول ها به الکترون ها و یون های مثبت یونیزه می شوند و یک کانال رسانا را تشکیل می دهند. سپس جریان به جای اینکه از طریق تماس فلزی جریان یابد، از شکاف می پرد - و جرقه ای ایجاد می شود.

از اسپارک تا آرک

اگر جرقه ادامه یابد - به دلیل تماس ضعیف برس، بارگذاری سنگین که باعث تاخیر کموتاسیون می‌شود یا شرایط مشابه - شکاف هوای یونیزه شده به مقاومت بسیار کم می‌رسد و جریان از طریق کانال پلاسمایی با دمای بالا به جریان می‌افتد و قوس کامل را حفظ می‌کند. دمای قوس می تواند به 3000 درجه سانتیگراد تا 8000 درجه سانتیگراد برسد، به اندازه ای گرم که سطح مسی بخش های کموتاتور را فرسایش دهد و باعث ایجاد حفره و اکسیداسیون شود. این امر به طور همزمان سایش برس را تسریع می کند و در محیط های خطرناک مانند معادن زغال سنگ یا کارخانه های شیمیایی، خطر اشتعال گازهای قابل اشتعال را به همراه دارد.

استانداردهای طبقه بندی و مجاز بودن جرقه

در 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.

بر اساس عملکرد مهندسی و استانداردهای ملی، این پنج درجه به سه دسته مجاز تقسیم می شوند:

برای عملیات طولانی مدت مداوم - جرقه بی ضرر مجاز است

درجه‌های 1، 1¼، و 1½ همگی برای کارکرد موتور پایدار و پیوسته تأیید شده‌اند.

درجه 1: از نظر تئوری بدون جرقه - حالت ایده آل، نشان دهنده عملکرد عالی کموتاسیون.

درجه 1¼: فقط جرقه های نقطه ای جدا شده است که هیچ آسیبی به کموتاتور یا برس ها وارد نمی کند. کاملا بی ضرر

درجه 1½: در حالی که ممکن است علائم سطحی جزئی روی کموتاتور و برس ها ظاهر شود، این علائم بیشتر پیشرفت نمی کنند و هیچ تهدید اساسی برای موتور ایجاد نمی کنند. عملیات طولانی مدت همچنان مجاز است.

فقط برای مدت کوتاهی تحت شرایط خاص مجاز است - جرقه زدن مضر

جرقه درجه ۲ به عنوان مضر طبقه‌بندی می‌شود. انرژی قوس آن به اندازه ای قابل توجه است که باعث آسیب سوختگی به کموتاتور و برس ها می شود. تحت بار نامی معمولی مجاز نیست، اما ممکن است به طور خلاصه در شرایط زیر ظاهر شود:

در طول رویدادهای اضافه جریان یا گشتاور کوتاه مدت - مانند راه اندازی موتور یا بارگذاری ضربه ناگهانی - جرقه نباید از درجه 2 تجاوز کند.

تحت حداکثر اضافه بار کاری، جرقه کموتاسیون نیز باید زیر درجه 2 باقی بماند.

فراتر از این محدودیت ها، آسیب غیر قابل برگشت به کموتاتور و برس ها محتمل است.

در طول عملیات عادی کاملاً ممنوع - جرقه خطرناک

جرقه درجه 3 به عنوان خطرناک طبقه‌بندی می‌شود که با موارد زیر مشخص می‌شود:

انرژی قوس بسیار بالا با پتانسیل مخرب شدید. در موارد جدی، به یک رویداد آتش سوزی حلقه تشدید می شود - هوای اطراف کل مسیر برس به شدت یونیزه می شود و قوس در سراسر سطح کامل کموتاتور پخش می شود و باعث آسیب فوری و فاجعه بار موتور یا خرابی کامل می شود.

از نظر تئوری فقط در لحظه راه‌اندازی یا برگشت مستقیم روی خط مجاز است و فقط به شرطی که کموتاتور و برس‌ها در شرایط مناسب برای ادامه خدمات باقی بمانند.

تحت تمام شرایط عادی کارکرد مداوم، جرقه زدن درجه 3 اکیداً ممنوع است.

اقداماتی برای جلوگیری از جرقه های مضر

ولتاژ بین بخش را در محدوده ایمن نگه دارید

ولتاژ تغذیه را در محدوده نامی موتور حفظ کنید. به تنظیم قطب های جابجایی توجه کنید - تعداد دورهای نادرست یا قطبیت معکوس می تواند ولتاژ بین بخش را به سطوح خطرناک برساند. در صورت امکان، سیم‌پیچ‌های روتور را برای اتصال کوتاه یا مدار باز، با استفاده از آزمایش‌های مقاومت سیم‌پیچ آرمیچر و آشکارساز اتصال کوتاه، بررسی کنید تا مطمئن شوید که توزیع ولتاژ در بخش‌های کموتاتور یکنواخت است.

اطمینان حاصل کنید که تماس Brush-to-Commutator تمیز و سازگار است

سطح کموتاتور را صاف و متحدالمرکز نگه دارید. اگر سطح خارج از گرد، خط خوردگی، یا یک لایه اکسیدی بیش از حد ضخیم ایجاد شد، آن را با کاغذ سنباده ریز جلا دهید - هرگز نباید از پارچه ساینده استفاده کرد. بررسی کنید که هر برس با فاصله مناسب با نگهدارنده برس خود متناسب باشد. سایش برس را از نزدیک کنترل کنید: با فرسودگی برس‌ها، سطح تماس آن‌ها با کموتاتور کاهش می‌یابد و باعث افزایش چگالی جریان و ایجاد جرقه می‌شود.

از عملیات اضافه بار پایدار جلوگیری کنید

کارکردن موتور بیش از بار نامی آن برای دوره های طولانی باعث کاهش سرعت روتور و بالا رفتن جریان جریان می شود - شرایطی که به راحتی جرقه را ایجاد می کند. به طور دوره ای اتصال یا گیر کردن مکانیکی در بار رانده شده را بررسی کنید و اطمینان حاصل کنید که تهویه موتور و اتلاف گرما کافی است.

نتیجه گیری

جرقه کموتاسیون در طول کارکرد موتورهای DC برس خورده اجتناب ناپذیر است، اما با طراحی مناسب، قطعات با کیفیت و تعمیر و نگهداری معمول، جرقه مضر کاملاً قابل پیشگیری است. موتورهای DC برس خورده هونگ یانگ موتور با آرمیچرهای دقیق، برس‌های کربنی با درجه بالا، و تحمل‌های کموتاتور محکم طراحی شده‌اند - همه با هدف به حداقل رساندن جرقه و به حداکثر رساندن عمر مفید طراحی شده‌اند. چه برنامه شما نیاز به عملکرد مداوم با بار بالا یا کنترل دقیق سرعت داشته باشد، تیم مهندسی ما آماده است تا به شما در انتخاب موتور مناسب برای کار کمک کند.