What are motor brushes

Что такое моторные щетки?

Что такое моторные щетки?

Быстрый Ответ

Щетки двигателя представляют собой неподвижные подпружиненные блоки из токопроводящего материала – обычно из углеродного или графитового композита , — которые прижимаются к вращающемуся коллектору (или контактным кольцам) для передачи тока между стационарным источником питания и вращающимся якорем. В щеточном двигателе постоянного тока или универсальном двигателе они являются компонентом, который выполняет коммутацию: они меняют направление тока в каждой катушке якоря в нужный момент, так что ротор продолжает вращаться в одну сторону. Углерод используется потому, что он проводящий, самосмазывающийся и достаточно мягкий, чтобы изнашиваться вместо дорогой медный коллектор. Когда щетки изнашиваются, двигатель теряет мощность, образует искры или останавливается, что делает их наиболее распространенной заменяемой изнашиваемой деталью в электродвигателях с щеткой.

Содержание

  1. Что такое моторные щетки?
  2. Как работают моторные щетки: Цикл коммутации
  3. Сравнение типов материалов щеток
  4. Технические характеристики: Давление щетки, Перепад давления, Износ и срок службы
  5. Где Используются Моторные щетки
  6. Руководство по выбору: Как правильно выбрать кисть
  7. Распространенные Инженерные ошибки При работе с Моторными Щетками
  8. Таблица устранения неполадок моторной щетки (Проблема → Причина → Решение)
  9. Почему стоит выбрать Greensky для матового и бесщеточного движения
  10. Вопросы и ответы

Что такое моторные щетки?

Моторная щетка представляет собой скользящий электрический контакт. . Вращающийся вал не может быть жестко подключен к неподвижной цепи – любой жесткий провод скрутится и порвется в момент поворота вала. Щетка решает эту проблему с помощью регулируемого скользящего интерфейса: блок, удерживаемый в щеткодержателе, прижимается к вращающейся токопроводящей поверхности, поддерживая непрерывный электрический контакт за счет трения, а не неподвижного соединения.

В матовом двигателе постоянного тока или универсальном двигателе эта вращающаяся поверхность представляет собой коллектор — цилиндр из медных сегментов, разделенных изолирующей слюдой. В машинах и генераторах переменного тока с обмотанным ротором поверхность представляет собой скользящее кольцо (сплошное кольцо, без переключения). Работа щеткиидентична в обоих случаях: пропускать ток через движущуюся границу, не разрывая цепь.

Почему Углерод, а не металл?

Выбор углерода / графита является преднамеренным инженерным компромиссом между противоречивыми потребностями:>

ТребованиеПочему выигрывает углерод / графит
Электрическая проводимостьУглеродные композиты проводят достаточный ток, сохраняя контактное сопротивление достаточно высоким, чтобы ограничить образование дуги
Жертвенная одеждаПредпочтительно изнашивается мягкий графит, защищающий твердый и дорогой медный коллектор
СамосмазывающийсяСлоистая кристаллическая структура графита скользит с очень низким трением и образует защитную пленку
Термическая стабильностьУглерод остается стабильным там, где медь размягчается, деформируется или приваривается к контакту
Образование пленкиНа коллекторе образуется ‘патина’ (оксид меди + графит), снижающая трение и шум с течением времени

Как работают моторные щетки: Цикл коммутации

Следите за текущим движением, и вы сможете точно увидеть, что делает кисть при каждом вращении:

  1. Постоянный ток подается на клеммы щетки. Ток поступает через положительную щетку.
  2. Ток проходит через скользящий контакт в сегмент коллектора, касающийся этой щетки, затем в подключенную катушку якоря.
  3. Находящаяся под напряжением катушка становится электромагнитом , и сила Лоренца (F = B · I · L) прижимает ее к полю статора, создавая крутящий момент.
  4. Ротор вращается, увлекая за собой коллектор. За несколько градусов до того, как катушка достигнет ‘мертвого’ положения (нулевой крутящий момент), щетка переходит к следующему сегменту.
  5. Ток в этой катушке меняется на противоположный и питает следующую оптимально расположенную катушку — таким образом, крутящий момент всегда действует в одном и том же направлении вращения.
  6. Цикл повторяется десятки-тысячи раз в секунду, обеспечивая плавное, непрерывное вращение.

При большом количестве катушек (типичный двигатель имеет 9-24, а крупные машины – более 100 коллекторных сегментов) пульсации крутящего момента остаются небольшими. Такие производители, как maxon, используют четное нечетное количество стержней коллектора, поэтому одновременно переключается только одна щетка — это уменьшает пульсации крутящего момента и энергию, переключаемую на шаг, сокращая возгорание щетки и электромагнитные помехи.

Одновременно происходят три Действия

>

ЭкшенКакНеудача при отсутствии
Давление пружины150-400 г / см2 (≈ 15-30 кПа) удерживает щетку на коллектореПодпрыгивание → искрение, прерывистое питание
Проводимость токаУглерод пропускает ток через скользящий зазор с малыми потерямиРазомкнутая цепь → остановка двигателя
Контролируемый износМягкий графит плотно прилегает к поверхности и медленно изнашиваетсяЗабивание коммутатора, быстрый выход из строя

О способах отказа, вызываемых этим износом, читайте в нашем руководстве о том, почему двигатели с щеткой искрят, а о бесщеточной альтернативе читайте в разделе Недостатки двигателей BLDC.

Сравнение типов материалов щеток

Щетки ‘класс’ – это углерод-графита матрица настроена с добавками (медь, серебро, смолы) для двигателяс напряжение, ток, скорость и окружающей среды. Использование неправильной марки приводит к преждевременному износу или повреждению коллектора.>

Тип щеткиСоставКонтактное сопротивлениеЛучшее применение
Чистый углеродУглеродВысокийНизкая плотность тока, небольшие двигатели постоянного тока
ГрафитНатуральный графитСреднийСмазка -критически важная, общего назначения
Углерод-графитовыйУглерод + графитСредне–высокийСбалансированный; электроинструмент, промышленное оборудование
ЭлектрографитическийТермообработанный углеграфитСреднийЭлектроинструменты, тяговые, высокоскоростные двигатели
Металл-графит (медь)Графит + медьОчень низкийБольшой ток, низкое напряжение, тяжелая промышленность
Металл-графит (серебро)Графит + сереброОчень низкийТочность, высокая плотность тока
Драгоценный металлБронзовый корпус + посеребренный наконечникЧрезвычайно низкий (~ 50 мом)Небольшие двигатели, низкий ток, аккумулятор (maxon EB)

Щетки из графита и драгоценных металлов (maxon)

Что касается небольших двигателей постоянного тока, OEM-производители выбирают между двумя принципиально разными системами коммутации. В технических заметках maxon кратко описывается торговля:>

СобственностьГрафитовые щетки (GB)Щетки из драгоценных металлов (EB)
Контактное тело~ 50% графит + 50% медьПружина-бронзовая с посеребренным наконечником
КоммутаторМедный сплавСеребряный сплав
Контактное сопротивлениеБолее ВысокийЧрезвычайно низкий (~ 50 мом)
Ток холостого хода / трениеВыше (большее сопротивление)Очень низкий
Текущие возможностиВысокий; выдерживает пики запуска / остановки и токаНизкий уровень; поврежден сильным током / огнем щетки
EMIВсплески коммутацииНизкий (равномерный рисунок); CLL дополнительно подавляет
Типичное использованиеДвигатели большего размера, реверсивные, ШИМ, сервоприводныеМалые двигатели, постоянного тока, аккумуляторные, тахометры

Срок службы щеток из драгоценных металлов увеличивается благодаря технологии CLL (capacitor long-life) : RC-фильтр на соседних сегментах гасит индуктивную дугу при коммутации, уменьшая электроэрозию и электромагнитные помехи.

Технические характеристики: Давление щетки, Перепад давления, Износ и срок службы

Это цифры, которые фактически использует инженер по техническому обслуживанию или проектированию. Диапазоны отражают типичные двигатели с щеткой малого и промышленного назначения.>

ПараметрТипичное значениеПримечание / источник
Давление контакта щетки15-30 кПа (≈150-400 г/см2)Слишком низкий → отскок / дуга; слишком высокий → быстрый износ
Падение напряжения на контакте0,5–2 В на комплект щетокПотери, которые никогда не достигают арматуры
Плотность тока (углерод)~ 10 А/см2 типичныйМеталл-графит работает выше
Скорость износа0,01–0,1 мм в часДопускает плановую замену
Срок службы щетки500-5 000 часовБольшой ток = короткий; малая нагрузка = длительный
Контакт из драгоценных металлов R~50 Момкоммутатор maxon EB
Коллекторные стержниНечетное числоУменьшает пульсации крутящего момента и возгорание щетки (maxon)

Допустимые пределы искрообразования (IEC 60034-1)

IEC 60034-1 определяет четыре класса коммутационного искрообразования. Специалист по техническому обслуживанию никогда не должен принимать класс 3; класс 2 допустим только при условиях перегрузки, указанных на заводской табличке.>

КлассОписаниеПриемлемо?
1Отсутствие искрения; коллектор и щетки без измененийИдеально подходит при любых нагрузках
1½Слабое искрение только по краям кистиДопустимый непрерывно
2Допустимая при указанных условиях перегрузкиРазрешено, но расследуйте
3Опасное искрение, риск возгорания/эрозииНикогда не приемлемый

Что говорят Исследования Об Износе Щеток

  • Электрический и механический износ: Исследование скользящих контактов, проведенное Городским университетом Гонконга (нагрузка на щетку 50-800 гф, частота вращения 1000-35000 об / мин, ток 0-20 А), показало, что износ щеток является электрическим (дуговая эрозия) при низкой нагрузке и механическим при высокой нагрузке, поэтому как недостаточная, так и чрезмерная подпружиненность ускоряют выход из строя (Louie, CityU HK thesis, 2007).
  • Механизм искрообразования: Изменение тока во время коммутации рассеивает накопленную энергию обмотки на кромке щетки, повышая локальную плотность тока и зажигая дуги, которые вызывают электроэрозию (Tribology International, износ коллектора, 2002).
  • Дуга против износа при скольжении: В автомобильных двигателях постоянного тока с топливным насосом короткие коммутационные дуги вызывают в основном механический износ при скольжении, но более длинные дуги вызывают дуговую эрозию – модель износа разделяет два режима (IEICE Trans. Электроника, 2010).
  • Неисправность трибослоя: Один из двух идентичных двигателей вышел из строя через 1200 ч (другой проработал 1500 ч) из—за образования толстого слоя оксида / углерода на коллекторе и щетке – подтверждение того, что здоровая пленка коллектора необходима для жизни (Технология поверхностей и покрытий / трибология, 2015).

Где Используются Моторные щетки

Моторы с щеткой остаются стандартными везде, где низкая стоимость, простое управление и высокий пусковой момент имеют большее значение, чем срок службы, не требующий технического обслуживания.>

ПрименениеПочему щетки подходятЗабота о щетке
Электроинструмент (дрели, шлифовальные машины)Высокий пусковой момент, дешевый, ремонтопригодныйВысокий ток → частая замена щетки
Бытовая техникаНизкая стоимость, простой приводБесшумный, с низким уровнем искрения
Автомобильная промышленность (стартеры, генераторы переменного тока, сиденья)Надежная конструкция с высокой устойчивостью к пускуВибрация, температура
Тяговые и промышленныеВысокая плотность тока (металл-графит)Техническое обслуживание коммутатора
Генераторы и ветряные турбиныТокопередача с контактным кольцомПостоянный износ при эксплуатации
Аэрокосмический / специализированныйЭлектрографирование на высотеКласс защиты от экстремальных условий окружающей среды

Роботизированные и прецизионные приводы часто полностью отказываются от щеток, заменяя их на BLDC с пониженной передачей; в нашей статье о том, почему роботизированным манипуляторам нужны редукторы скорости, рассказывается об этом компромиссе.

Руководство по выбору: Как правильно выбрать кисть

  1. Сопоставьте ток и напряжение: высокий ток / низкое напряжение → металл-графит (медь); низкий ток / аккумулятор → драгоценный металл; общего назначения → углеграфитовый или электрографитный.
  2. В соответствии с назначением: для приводов запуска / остановки, реверсирования или PWM требуются графитовые щетки; для непрерывной работы с низким током подходят приводы из драгоценных металлов (с CLL).
  3. Установите давление пружины в соответствии со спецификацией: заданное значение 15-30 кПа. Никогда не угадаете — давление откалибровано в зависимости от сорта и скорости щетки.
  4. Проверьте состояние коллектора: коллектор с канавками или некруглой формы разрушает даже правильную щетку. Перед установкой новых щеток повторно обработайте поверхность.
  5. Подтвердите размеры и код марки: размер кисти, тип грифеля и маркировка марки производителя должны соответствовать оригиналу.
  6. Заменяйте пружины в комплекте: всегда устанавливайте новые нажимные пружины вместе со щетками, чтобы давление оставалось правильным.

Распространенные Инженерные ошибки При работе с Моторными Щетками

>

ОшибкаПочему это причиняет боль
Неправильная марка щеткиПреждевременный износ, царапины на коллекторе или чрезмерное искрение
Неправильное давление пружиныСлишком низкий → отскок / дуга; слишком высокий → механический износ и нагрев
Использование наждачной бумаги на коллектореМедная крошка проникает между стержнями, усиливая искрообразование — используйте коллекторный камень
Игнорирование подреза слюдыУглерод образуется на слюде, соединяя сегменты, вызывая искрение
Замена щеток, но не пружинСтарые пружины теряют натяжение → низкое давление → искрение
Смешивание типов щеток в одном двигателеНеравномерный износ и распределение тока → горячие точки
Пропуск шлифовки коллектораНовые щетки изнашиваются до плохого профиля за считанные часы

Таблица устранения неполадок моторной щетки (Проблема → Причина → Решение)

>

ПроблемаВероятная ПричинаРешение
Чрезмерное искрениеИзношенная щетка, неправильный сорт, рифленый коллектор, низкое давление пружиныЗамените щетку в соответствии со спецификацией; восстановите поверхность коллектора; установите давление
Быстрый износ щеткиСлишком высокое давление, абразивная пыль, неправильный сорт, большой токСброс давления; чистая окружающая среда; подходит для правильной марки
Двигатель слабый / низкооборотныйКороткий износ щеток, плохой контакт, окислившийся коллекторЗамените щетки; очистите коллектор / седло; проверьте пленку
Перегрев щетокВысокое давление, ток перегрузки, образование дугиУменьшите нагрузку; отрегулируйте давление; проверьте сорт
Шлифовка / грубый ходКоллектор из круглой зернистости с заделкойЗаново отшлифовать или заменить коллектор; восстановить поверхность
Прерывистое питаниеПодпрыгивающая щетка, ослабленный поводок, изношенная пружинаЩетка для сиденья; затянуть поводок; заменить пружину
Двигатель не заводитсяПропали щетки, открытый провод, заеденный подшипникУстановите новый комплект щеток; проверьте цепь; освободите вал

Для получения полной последовательности диагностики (включая тесты обмоток и изоляции) воспользуйтесь нашим руководством по устранению неполадок двигателя постоянного тока.

Почему стоит выбрать Greensky для матового и бесщеточного движения

Когда срок службы щеточного двигателя подходит к концу – или когда ваша конструкция требует полного отказа от щеток – Greensky поставляет оба тракта из одного источника, соответствующего размерам IEC 60034 и NEMA MG 1 , чтобы они вставлялись в существующие крепления:

  • Щеточные двигатели PMDC и universal с документированными характеристиками коллектора, вариантами щеток и программами замены щеток для бригад технического обслуживания.
  • Бесщеточные двигатели (BLDC) и мотор-редукторы с соответствующими датчиками Холла и приводами — полностью исключают износ щеток, искрообразование и техническое обслуживание коммутации.
  • Встроенные редукторные двигатели, которые увеличивают крутящий момент на выходном валу, уменьшая ток (и нагрузку на щетку), с которым приходится сталкиваться сердечнику двигателя — смотрите наше руководство ‘Коробка передач против редукторного двигателя’.
  • Совместимость с фланцами: IEC B5 / B14 и NEMA C-face с индивидуальными контрольными диаметрами — смотрите наше руководство по фланцам двигателя.
  • OEM / ODM с низким MOQ: небольшие партии для программ запасных частей и пользовательских конфигураций вала / энкодера.

Связанное чтение

Ссылки

  1. IEC 60034-1 — Вращающиеся электрические машины: Номинальные характеристики (классы искрообразования, температурные ограничения). webstore.iec.ch/publication/67467
  2. IEC 60034-30-1 — Классы эффективности вращающихся электрических машин (IE1–IE5). webstore.iec.ch/publication/67784
  3. NEMA MG 1 — Двигатели и генераторы (безопасность, теплотехника, монтажные размеры). nema.org/standards/view/mg-1-motors-and-generators
  4. IEEE 43-2013 — Рекомендуемая практика тестирования сопротивления изоляции вращающихся механизмов. standards.ieee.org/ieee/43/4385
  5. IEEE 112 — Стандартная процедура испытаний многофазных асинхронных двигателей и двигателей постоянного тока (методы потерь и обратной ЭДС). standards.ieee.org/ieee/112/4213
  6. Министерство энергетики США — Рекомендации по определению эффективности электродвигателя и ремонту. energy.gov/eere/amo/articles/determination-electric-motors
  7. SKF — Техническое обслуживание подшипников и смазка электродвигателей. skf.com/us/products/maintenance-products/bearing-maintenance
  8. коммутация двигателя постоянного тока с щеткой maxon: графитовые щетки против щеток из драгоценных металлов, CLL. maxongroup.com/medias/sys_master/8798093410334.pdf
  9. FAULHABER — Техническая информация по двигателям постоянного тока (коммутация из драгоценных металлов). faulhaber.com/en/technical-information
  10. Луи, Ю.Т. (CityU, 2007) — Трибологические характеристики скользящего контакта щетки / коллектора (коэффициенты PV, режимы износа). scholars.cityu.edu.hk/en/theses/theses (e7add903-b2e5-4635-9695- c59f031b68d6).html

Вопросы и ответы

Из чего сделаны моторные щетки

Большинство из них представляют собой углерод-графитовый композит. Марки варьируются от чистого углерода и природного графита до углеграфитовых и электрографитовых, до металлографитных (медь или серебро) для высокоточных двигателей и драгоценных металлов (посеребренная бронза) для небольших слаботочных двигателей. Микширование настраивается в соответствии с напряжением, током, частотой вращения двигателя и окружающей средой.

В чем разница между графитовыми щетками и щетками из драгоценных металлов?

Графитовые щетки (~ 50% графита + 50% меди) справляются с высокими пиками тока и запуска / остановки, но увеличивают трение и коммутационные всплески. Щетки из драгоценных металлов имеют чрезвычайно низкое контактное сопротивление (~ 50 Мом), очень низкое трение и низкие электромагнитные помехи, но предназначены только для небольших малоточных двигателей непрерывного действия и защищены от повреждения дугой с помощью конденсаторной технологии CLL.

Как долго служат моторные щетки?

Обычно от 500 до 5000 часов работы. Сильноточные электродвигатели для электроинструментов расположены на коротком конце; малонагруженные небольшие электродвигатели – на длинном конце. Износ составляет около 0,01–0,1 мм в час, именно поэтому щетки разработаны как быстроизнашивающиеся детали, подлежащие плановой замене.

Какое давление щетки следует использовать?

Обычно 15-30 кПа (около 150-400 г / см2), откалибровано в зависимости от марки щетки и частоты вращения двигателя. Слишком слабое давление приводит к подпрыгиванию щетки и образованию дуги; слишком сильное вызывает быстрый механический износ и перегрев. Всегда заменяйте нажимные пружины щетками.

Искрение щетки – это нормально?

Допускается слабая искра на краях щетки (IEC 60034-1 Класс 1 или 1½). Опасное искрение (класс 3) недопустимо и сигнализирует об изношенных щетках, коллекторе с канавками, неправильном сорте или неправильном давлении пружины, которые необходимо исправить перед продолжением эксплуатации.

Может ли двигатель работать без щеток?

Только в том случае, если он бесщеточный. Для всех конструкций с щеточным ротором постоянного тока, универсальным ротором переменного тока и генераторами требуются щетки или контактные кольца для передачи тока через границу вращения. Бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC) заменяет механический контакт электронной коммутацией — смотрите наш Обзор BLDC , чтобы узнать о компромиссах.

Please leave your work email.

Tell Us About Your needs

Greensky power WeChat