Perché i motori con spazzole scintillano??

Cos'è la commutazione, e perché provoca scintille?

Un motore DC con spazzole gira perché la direzione della corrente negli avvolgimenti dell'armatura rotante deve essere invertita esattamente al momento giusto. Questo lavoro viene svolto da due parti che lavorano insieme: IL commutatore e il pennelli.

Commutatore (non un anello di contatto)

Il commutatore è un anello di rame sull'albero del rotore diviso in segmenti isolati. Ciascuna coppia di segmenti opposti si collega a un avvolgimento specifico. Un errore comune, anche in molti articoli più vecchi, è chiamare questa parte a “anello di contatto.” Questo non è corretto: UN l'anello collettore è continuo, anello non segmentato utilizzato nelle macchine CA e nei motori a rotore avvolto per trasferire una corrente costante a una parte rotante. UN il commutatore è segmentato proprio per potersi invertire (commutare) la corrente dell'avvolgimento. Lo scintillio è una conseguenza diretta di quell'azione di commutazione segmentata.

Spazzole

Le spazzole sono blocchi stazionari di materiale conduttivo, solitamente un composito di grafite-rame (Di 50% rame nei piccoli motori, per la documentazione sulla commutazione dei motori DC di maxon) o un contatto placcato in metallo prezioso per micromotori, caricato a molla contro il commutatore rotante. Mentre il rotore gira, ogni pennello scorre attraverso gli spazi vuoti dei segmenti, cortocircuitare momentaneamente la corrente e quindi reindirizzarla.

Tensione di reattanza e kick induttivo

La causa elettrica principale delle scintille è tensione di reattanza (chiamato anche calcio induttivo). Un avvolgimento di indotto immagazzina energia nel suo campo magnetico. Quando il pennello lascia un segmento, il circuito si apre improvvisamente e il campo che collassa induce un picco di tensione e = −L·(di/d). Se questo picco supera la rigidità dielettrica del traferro di apertura (all'incirca 3 kV/mm su scala microscopica coinvolta), l'aria si ionizza e la corrente salta nel vuoto come una scintilla. Questo è il motivo per cui le scintille sono peggiori alle alte velocità, carico elevato, e con avvolgimenti ad alta induttanza.

Come si forma una scintilla: Passo dopo passo

1. La corrente scorre attraverso l'avvolgimento. Una spazzola alimenta la corrente continua in una bobina di armatura tramite un segmento del commutatore, energizzando la bobina e creando un campo magnetico.
2. La spazzola raggiunge uno spazio vuoto nel segmento. Mentre il rotore gira, la spazzola inizia a collegare due segmenti: la bobina viene momentaneamente cortocircuitata in modo che la sua corrente possa iniziare a invertirsi (questo intervallo è il “periodo di commutazione”).
3. Il circuito si apre. La spazzola solleva il segmento in partenza. La corrente della bobina non è stata completamente invertita, quindi un “corrente residua” resta che deve essere interrotto.
4. Il calcio induttivo si attiva. L'induttanza dell'avvolgimento resiste al cambiamento, inducendo un'elevata tensione di reattanza attraverso il traferro che si restringe. La reazione dell'armatura sposta il neutro magnetico, peggioramento dello squilibrio.
5. L'aria ionizza → scintilla. La tensione rompe l'intervallo e l'arco si scarica. La ricerca sui motori CC ad alta velocità ha misurato un valore tipico durata dell'arco di circa 42 µs e corrente residua vicino 0.55 UN tra 1.000 e 5.000 giri al minuto (Sawa et al., 2017 Conferenza Holm dell'IEEE).

Questa sequenza si ripete per ogni segmento ad ogni rotazione – migliaia di volte al minuto – ed è per questo che un motore a spazzole produce una pioggia quasi continua di minuscole scintille all'interno del suo alloggiamento..

Scintilla normale vs. Scintille anomale

Non tutte le scintille sono un difetto. L'abilità chiave è distinguere le micro-scintille innocue dagli archi distruttivi. NON MG 1 e commutazione del grado di pratica della macchina CC su una scala di scintilla da ½ (individuare) A 3 (pesante, distruttivo).

Spazzolato vs. Senza spazzole: Perché uno fa scintille e l'altro no

L'unico motivo principale per cui gli ingegneri migrano motori DC con spazzole A CC senza spazzole (BLDC) motori è l'eliminazione del contatto di commutazione della scintilla. Scopri di più nella nostra guida al differenza tra motori AC e DC.

Per uno sguardo più approfondito ai compromessi BLDC, Vedere gli svantaggi dei motori DC brushless E perché i motori CC senza spazzole hanno 3 fili.

Dati di ingegneria: Formule, Temperature & Gradi di pennelli

Formule chiave che governano l'accensione

Sistemi a spazzole a confronto (dati di commutazione maxon)

maxon riduce ulteriormente gli incendi boschivi utilizzando un numero dispari di segmenti del commutatore (per esempio., 7 barre sulla DC-max 16), quindi viene commutata meno energia per evento di commutazione, tagliando sia le scintille che le EMI.

Classe di isolamento & limiti di temperatura (CEI 60034-1)

La scintilla genera calore localizzato, quindi i limiti della classe di isolamento sono importanti. Lo standard di Greensky motori a spazzole DC rotondi utilizzare un isolamento di classe B (130 °C, Aumento ≤80 K).

Tecniche di soppressione delle scintille

• Ammortizzatore RC / Condensatore CLL — assorbe l'energia del calcio induttivo attraverso lo spazio tra le spazzole (utilizzato nei sistemi maxon per metalli preziosi).
• Interpoli (poli commutabili) - nelle macchine DC più grandi, i poli ausiliari generano una controtensione che annulla la tensione di reattanza. Uno studio Hitachi ha verificato una commutazione quasi senza scintilla su a 2,000 Motore CC da kW che utilizza un flusso interpolare sintonizzato (Koharagi et al., 1993).
• Abbinamento di qualità pennello — durezza e conduttività adattate alla tensione/corrente.
• Corretta pressione della spazzola — uniforme su tutte le spazzole, entro ±10% delle specifiche.
• Regolazione del piano neutro — allineare le spazzole con l'asse neutro magnetico sotto carico.

Dove i motori con spazzole vanno bene e dove le scintille sono un problema

Guida alla selezione: Ridurre al minimo le scintille nel tuo progetto

1. Definire dovere e ambiente. Intermittente + Bomboniere sigillate spazzolate; continuo, Sensibile alle EMI, o favori pericolosi BLDC.
2. Stima della corrente operativa. Utilizzare T = K_T·I per dimensionare la corrente; mantenerlo al di sotto della densità di corrente nominale della spazzola per limitare il riscaldamento Q = I²Rt.
3. Scegli la gradazione del pennello. Grafite-rame per una maggiore potenza; metallo prezioso per segnali puliti a bassa corrente.
4. Limita la velocità. L'usura delle spazzole aumenta notevolmente al di sopra dei ~3.000 giri al minuto (Va bene 2017); aggiungi un riduttore invece di accelerare troppo.
5. Verificare il margine termico. Verificare che l'avvolgimento rimanga entro il limite della classe di isolamento (Classe B/F) sotto il carico peggiore.
6. Aggiungi la soppressione. Specificare lo snubber RC/CLL e il filtro EMI dove richiesto dall'applicazione.

Errori comuni di ingegneria

Risoluzione dei problemi: Problema → Causa → Soluzione

Domande frequenti

È normale che un motore con spazzole faccia scintille??

SÌ. Un piccolo, blu-bianco, la scintilla discontinua sul bordo d'uscita della spazzola è un normale sottoprodotto della commutazione meccanica e ha scarso effetto sulla durata del motore. Grande, continuo, un arco giallo-rosso o un anello di fuoco sono anomali e segnalano un guasto.

Perché avviene esattamente la scintilla??

Perché gli avvolgimenti dell'indotto sono induttori. Quando una spazzola interrompe il contatto con un segmento, il collasso del campo magnetico dell’avvolgimento induce un’elevata tensione di reattanza (e = −L di/dt) che ionizza il traferro d'aria di apertura, producendo un arco.

I motori brushless fanno scintille?

NO. I motori BLDC sostituiscono la spazzola/commutatore meccanico con commutazione elettronica, quindi non c'è contatto strisciante con l'arco. Questo è il motivo principale per cui vengono scelti per ambienti sensibili alle interferenze elettromagnetiche ed esplosivi.

La scintilla riduce l'efficienza del motore?

SÌ. Ogni scintilla è energia persa sotto forma di calore, leggero, e rumore a radiofrequenza invece della coppia. I motori con spazzole in genere raggiungono un picco di efficienza del 65–80% rispetto all'85–92%+ per motori BLDC comparabili.

Come posso ridurre le scintille in un motore a spazzole??

Abbina il grado del pennello a quello attuale, impostare una pressione uniforme sulla spazzola, mantenere il commutatore pulito e fedele, rispettare la velocità nominale, allineare le spazzole al piano neutro, e aggiungere un soppressore RC o un condensatore CLL per la soppressione.

Una scintilla eccessiva può danneggiare il motore?

SÌ. La formazione di archi intensi erode rapidamente sia le spazzole di carbone che il commutatore in rame, crea polvere di carbonio conduttiva, e può degenerare fino a diventare distruttivo “fuoco circolare” che brucia il motore.