ブラシ付きモーターが火花を散らすのはなぜですか?

転流とは, そしてなぜ火花が発生するのか?

ブラシ付き DC モーターが回転するのは、回転する電機子巻線の電流の方向を適切な瞬間に反転する必要があるためです。. この仕事は 2 つの部分が連携して行われます: の 整流子 そして ブラシ.

整流子 (スリップリングではありません)

整流子はローターシャフト上の銅のリングです。 絶縁されたセグメントに分割. 対向するセグメントの各ペアは特定の巻線に接続されます. 多くの古い記事を含め、よくある間違いは、この部分を「 “スリップリング。” それは間違いです: ある スリップリングは連続です, セグメント化されていないリング AC 機械や巻線回転子モーターで回転部品に定常電流を流すために使用されます。. あ 整流子はセグメント化されています まさに逆転できるように (通勤する) 巻線電流. スパークは、セグメント化されたスイッチング動作の直接的な結果です。.

ブラシ

ブラシは導電性材料の固定ブロックであり、通常はグラファイトと銅の複合材料です。 (について 50% 小型モーターの銅, 当たり maxon の DC モーター整流に関するドキュメント) またはマイクロモーター用のメッキ貴金属接点 - 回転整流子に対してバネ仕掛け. ローターが回転すると, 各ブラシはセグメントのギャップを横切ってスライドします。, 一時的に短絡し、その後電流を再配線する.

リアクタンス電圧と誘導キック

スパークの主な電気的原因は次のとおりです。 リアクタンス電圧 (インダクティブキックとも呼ばれる). 電機子巻線は磁界にエネルギーを蓄えます. ブラシがセグメントから離れるとき, 回路が突然開き、電界の崩壊により電圧スパイクが誘発されます。 e = −L・(ディ/デット). このスパイクが開口部のエアギャップの絶縁耐力を超えると、 (だいたい 3 顕微鏡スケールでの kV/mm が関係する), 空気がイオン化し、電流が火花としてギャップを飛び越えます. 高速でのスパークが悪くなるのはこのためです, 高負荷, 高インダクタンス巻線を使用.

火花の形成方法: ステップバイステップ

1. 巻線に電流が流れる. ブラシが 1 つの整流子セグメントを介して DC 電流を電機子コイルに供給します。, コイルに通電して磁場を構築する.
2. ブラシがセグメントギャップに到達. ローターが回転すると, ブラシが 2 つのセグメントを橋渡しし始めます。コイルが一時的に短絡され、電流が逆転し始める可能性があります。 (この間隔は “転流期間”).
3. 回路が開きます. ブラシが出発セグメントから持ち上げられます. コイル電流が完全に反転していない, それで “残留電流” 中断しなければならないことが残っている.
4. 誘導キック発射. 巻線インダクタンスは変化に抵抗します, 縮小するエアギャップに高いリアクタンス電圧が発生する. アーマチュア反作用により磁気中性がシフトします, 不均衡を悪化させる.
5. 空気がイオン化→スパーク. 電圧がギャップを破壊し、アーク放電が発生します. 高速 DC モーターの研究では、典型的なモーターの測定 アーク持続時間は約 42 μs および残留電流付近 0.55 あ 1,000 ～ 5,000 rpm (澤ら。, 2017 IEEE ホルム会議).

このシーケンスは、回転ごとにセグメントごとに繰り返されます (1 分間に数千回)。これが、ブラシ付きモーターがハウジング内で小さな火花のシャワーをほぼ連続的に生成する理由です。.

通常のスパーキング vs. 異常なスパーク

すべての火花が原因というわけではありません. 重要なスキルは、有害なアーク放電から無害なマイクロスパークを区別することです. MGはありません 1 1/2 からのスパーク スケールでの DC マシンの実践グレードの整流 (ピンポイントで) に 3 (重い, 破壊的な).

ブラッシュド vs. ブラシレス: 一方が火花を散らし、もう一方が火花が出ない理由

エンジニアが移行する唯一の最大の理由 ブラシ付きDCモーター に ブラシレスDC (BLDC) モーター スパーク整流接点の排除です. 詳細については、ガイドをご覧ください。 ACモーターとDCモーターの違い.

BLDC のトレードオフを詳しく見るには, 見る ブラシレスDCモーターのデメリット と なぜブラシレスDCモーターには 3 ワイヤー.

エンジニアリングデータ: 数式, 気温 & ブラシグレード

スパークを制御する重要な公式

ブラシシステムの比較 (マクソン整流データ)

マクソンは、 奇数の整流子セグメント (例えば, 7 DC-max のバー 16), そのため、整流イベントごとに切り替えられるエネルギーが少なくなります, スパークとEMIの両方をカット.

絶縁クラス & 温度制限 (IEC 60034-1)

スパークにより局所的な熱が発生します, したがって、絶縁クラスの制限が重要です. グリーンスキーの基準 丸型DCブラシモーター クラスB絶縁を使用 (130 ℃, ≤80 K 上昇).

火花抑制技術

• RCスナバ / CLLコンデンサ — ブラシギャップ全体の誘導キックエネルギーを吸収します (マクソン貴金属システムで使用).
• 補極 (整流極) — 大型の DC マシンの場合, 補助極はリアクタンス電圧を打ち消す逆電圧を生成します。. 日立の研究では、火花のない整流に近いことが検証されました。 2,000 調整された極間磁束を使用する kW DC モーター (小原木ら。, 1993).
• ブラシグレードのマッチング — 電圧/電流に応じた硬度と導電性.
• 正しいブラシ圧力 — すべてのブラシにわたって均一, 仕様の±10%以内.
• 中立面調整 — 負荷がかかった状態でブラシを磁気中立軸に合わせます.

ブラシ付きモーターが問題ない場合、そしてスパークが取引の妨げとなる場合

セレクションガイド: 設計におけるスパークを最小限に抑える

1. 義務と環境を定義する. 間欠 + 密封された好意ブラッシュド; 継続的な, EMIの影響を受けやすい, または危険な好意 BLDC.
2. 動作電流の推定. T = K を使用します_t・電流をサイズ化する; Q = I²Rt の加熱を制限するには、ブラシの定格電流密度以下に保ちます。.
3. ブラシのグレードを選ぶ. 高出力のためのグラファイト銅; クリーンな低電流信号のための貴金属.
4. 速度を制限する. ブラシの摩耗は約 3,000 rpm を超えると急激に増加します (よし 2017); 追加します ギアボックス スピードを出しすぎる代わりに.
5. 熱マージンの検証. 巻線が絶縁クラスの制限内に収まっていることを確認する (クラスB/F) 最悪の場合の負荷下で.
6. 抑制を追加する. アプリケーションの必要に応じて、RC スナバ/CLL および EMI フィルタリングを指定します。.

よくあるエンジニアリングの間違い

トラブルシューティング: 問題→原因→解決策

よくある質問

ブラシ付きモーターがスパークするのは正常ですか??

はい. 小さな, 青白, ブラシの後縁での不連続なスパークは機械的整流の通常の副産物であり、モーターの寿命にはほとんど影響しません。. 大きい, 継続的な, 黄赤色のアーク放電またはリングファイアは異常であり、障害を示します。.

正確にはなぜ火花が起こるのか?

電機子巻線はインダクタなので. ブラシがセグメントとの接触を解除したとき, 巻線の崩壊磁場により、高いリアクタンス電圧が誘導されます。 (e = −L di/dt) 開口部のエアギャップをイオン化する, 円弧を生成する.

ブラシレスモーターは火花を散らしますか?

いいえ. BLDC モーターは、機械式ブラシ/整流子を電子整流に置き換えます。, したがって、アークへの滑り接触はありません. これが、EMI の影響を受けやすい爆発性の環境に選ばれる主な理由です。.

スパークするとモーター効率が低下しますか?

はい. すべての火花は熱として失われるエネルギーです, ライト, トルクの代わりに高周波ノイズが発生します. ブラシ付きモーターは通常、ピーク効率が 65 ～ 80% であるのに対し、同等の BLDC モーターでは 85 ～ 92% 以上です。.

ブラシ付きモーターのスパークを減らすにはどうすればよいですか?

ブラシのグレードを現在のものに合わせる, 均一なブラシ圧力を設定する, 整流子をクリーンかつ真実に保つ, 定格速度を尊重する, ブラシを中立面に合わせます, 抑制のために RC スナバまたは CLL コンデンサを追加します。.

過剰なスパークによりモーターが損傷する可能性があります?

はい. 激しいアーク放電により、カーボン ブラシと銅整流子の両方が急速に侵食されます。, 導電性カーボンダストを生成する, そして破壊的な行為にまでエスカレートする可能性があります “リングファイア” それはモーターを焼損する.