Tại sao động cơ chổi than lại phát ra tia lửa?

Giao hoán là gì, và tại sao nó gây ra tia lửa điện?

Động cơ DC có chổi than quay vì chiều của dòng điện trong cuộn dây phần ứng quay phải đảo ngược vào đúng thời điểm. Công việc này được thực hiện bởi hai bộ phận cùng làm việc: các cổ góp và bút vẽ.

cổ góp (không phải là một vòng trượt)

Cổ góp là một vòng đồng trên trục rôto được chia thành các đoạn cách điện. Mỗi cặp đoạn đối diện nối với nhau bằng một cuộn dây cụ thể. Một lỗi phổ biến - kể cả trong nhiều bài viết cũ - là gọi phần này là “vòng trượt.” Điều đó không đúng: Một vòng trượt là liên tục, vòng không phân đoạn được sử dụng trong máy điện xoay chiều và động cơ rôto dây quấn để truyền dòng điện ổn định đến bộ phận quay. MỘT cổ góp được phân đoạn chính xác để nó có thể đảo ngược (giao hoán) dòng điện quanh co. Đánh lửa là hậu quả trực tiếp của hành động chuyển đổi phân đoạn đó.

Bàn chải

Bàn chải là khối vật liệu dẫn điện cố định - thường là hỗn hợp đồng than chì (Về 50% đồng trong động cơ nhỏ, mỗi Tài liệu chuyển đổi động cơ DC của maxon) hoặc một điểm tiếp xúc bằng kim loại quý được mạ cho động cơ vi mô - được gắn lò xo vào cổ góp quay. Khi rôto quay, mỗi bàn chải trượt qua các khoảng trống phân đoạn, ngắn mạch trong giây lát và sau đó định tuyến lại dòng điện.

Điện áp phản kháng và cú đá cảm ứng

Nguyên nhân điện cốt lõi gây ra tia lửa điện là điện áp phản kháng (còn gọi là cú đá quy nạp). Cuộn dây phần ứng lưu trữ năng lượng trong từ trường của nó. Khi cọ rời khỏi một đoạn, mạch mở đột ngột và trường suy giảm gây ra điện áp tăng đột biến e = −L·(di/dt). Nếu xung này vượt quá độ bền điện môi của khe hở không khí mở (đại khái 3 kV/mm ở quy mô vi mô có liên quan), không khí bị ion hóa và dòng điện nhảy qua khe hở như một tia lửa điện. Đây là lý do tại sao tia lửa điện tệ hơn ở tốc độ cao, tải cao, và với cuộn dây có độ tự cảm cao.

Spark hình thành như thế nào: Từng bước một

1. Dòng điện chạy qua cuộn dây. Một chổi than cung cấp dòng điện một chiều vào cuộn dây phần ứng thông qua một đoạn cổ góp, cung cấp năng lượng cho cuộn dây và tạo ra một từ trường.
2. Bàn chải đạt đến một khoảng cách phân đoạn. Khi rôto quay, chổi than bắt đầu nối hai đoạn - cuộn dây bị chập mạch tạm thời nên dòng điện của nó có thể bắt đầu đảo chiều (khoảng thời gian này là “thời gian giao hoán”).
3. Mạch mở ra. Bàn chải nhấc ra khỏi đoạn khởi hành. Dòng điện trong cuộn dây chưa đảo chiều hoàn toàn, vì vậy một “dòng điện dư” phần còn lại phải bị gián đoạn.
4. Ngọn lửa đá cảm ứng. Độ tự cảm của cuộn dây chống lại sự thay đổi, tạo ra điện áp phản kháng cao qua khe hở không khí đang co lại. Phản ứng phần ứng làm dịch chuyển trung tính từ, làm trầm trọng thêm sự mất cân bằng.
5. Không khí bị ion hóa → tia lửa điện. Điện áp phá vỡ khe hở và phóng điện hồ quang. Nghiên cứu về động cơ DC tốc độ cao đã đo được hiệu suất điển hình thời gian cung khoảng 42 µs và dòng dư gần 0.55 MỘT trên 1.000–5.000 vòng/phút (Sawa và cộng sự., 2017 Hội nghị IEEE Holm).

Trình tự này lặp lại cho mọi phân đoạn trên mỗi vòng quay - hàng nghìn lần mỗi phút - đó là lý do tại sao động cơ chổi than tạo ra một loạt tia lửa nhỏ gần như liên tục bên trong vỏ của nó.

Đánh lửa bình thường vs. Tia lửa bất thường

Không phải mọi tia lửa điện đều là lỗi. Kỹ năng quan trọng là ngăn chặn các tia lửa điện cực nhỏ vô hại khỏi hiện tượng phóng hồ quang mang tính hủy diệt.. KHÔNG CÓ MG 1 và chuyển đổi cấp độ thực hành máy DC trên thang đo tia lửa từ ½ (xác định chính xác) ĐẾN 3 (nặng, phá hoại).

chải vs. không chổi than: Tại sao cái này tia lửa còn cái kia thì không

Lý do lớn nhất khiến các kỹ sư di cư từ động cơ DC chải ĐẾN DC không chổi than (BLDC) động cơ là việc loại bỏ tiếp điểm chuyển mạch phát ra tia lửa điện. Tìm hiểu thêm trong hướng dẫn của chúng tôi về sự khác biệt giữa động cơ AC và DC.

Để có cái nhìn sâu hơn về sự đánh đổi BLDC, nhìn thấy nhược điểm của động cơ DC không chổi than Và tại sao động cơ DC không chổi than lại có 3 Dây điện.

Dữ liệu kỹ thuật: Công thức, Nhiệt độ & Lớp cọ

Các công thức chính chi phối sự phát ra tia lửa điện

Hệ thống bàn chải được so sánh (dữ liệu giao hoán maxon)

maxon làm giảm cháy chổi hơn nữa bằng cách sử dụng số lẻ các đoạn cổ góp (ví dụ., 7 thanh trên DC-max 16), do đó ít năng lượng được chuyển đổi cho mỗi sự kiện chuyển mạch, cắt cả tia lửa điện và EMI.

lớp cách điện & giới hạn nhiệt độ (IEC 60034-1)

Đánh lửa tạo ra nhiệt cục bộ, vì vậy giới hạn cấp cách điện rất quan trọng. Tiêu chuẩn của Greensky động cơ chổi than DC tròn sử dụng vật liệu cách nhiệt loại B (130 ° C., 80 K tăng).

Kỹ thuật dập tắt tia lửa điện

• RC snubber / Tụ điện CLL - hấp thụ năng lượng cảm ứng qua khe chổi (được sử dụng trong các hệ thống kim loại quý maxon).
• Nội cực (cực giao hoán) - trong các máy DC lớn hơn, các cực phụ tạo ra điện áp ngược làm triệt tiêu điện áp phản kháng. Một nghiên cứu của Hitachi đã xác minh sự chuyển mạch gần như không có tia lửa điện trên một 2,000 Động cơ DC DC sử dụng từ thông nội cực được điều chỉnh (Koharagi và cộng sự., 1993).
• Kết hợp cấp độ cọ - độ cứng và độ dẫn phù hợp với điện áp/dòng điện.
• Áp lực bàn chải chính xác - thống nhất trên tất cả các bàn chải, trong phạm vi ±10% thông số kỹ thuật.
• Điều chỉnh mặt phẳng trung tính - căn chỉnh chổi than với trục trung hòa từ tính khi chịu tải.

Động cơ chổi than hoạt động tốt ở đâu - và ở đâu đánh lửa là yếu tố phá vỡ thỏa thuận

Hướng dẫn lựa chọn: Giảm thiểu tia lửa trong thiết kế của bạn

1. Xác định nhiệm vụ và môi trường. Không liên tục + ủng hộ niêm phong chải; liên tục, Nhạy cảm với EMI, hoặc những ân huệ nguy hiểm BLDC.
2. Ước tính dòng điện hoạt động. Sử dụng T = K_t·Tôi để kích thước hiện tại; giữ nó ở dưới mật độ dòng điện định mức của bàn chải để hạn chế độ nóng Q = I2Rt.
3. Chọn cấp độ cọ. Than chì-đồng cho công suất cao hơn; kim loại quý cho tín hiệu dòng điện thấp sạch.
4. Giới hạn tốc độ. Độ mòn của chổi tăng mạnh trên ~3.000 vòng/phút (Được rồi 2017); thêm một hộp số thay vì chạy quá tốc độ.
5. Xác minh biên độ nhiệt. Xác nhận cuộn dây vẫn nằm trong giới hạn cấp cách điện (Lớp B/F) dưới tải trường hợp xấu nhất.
6. Thêm sự ức chế. Chỉ định bộ lọc RC snubber/CLL và EMI khi ứng dụng yêu cầu.

Những lỗi kỹ thuật phổ biến

Khắc phục sự cố: Vấn đề → Nguyên nhân → Giải pháp

Câu hỏi thường gặp

Động cơ chổi than có phát ra tia lửa điện không??

Đúng. Một cái nhỏ, xanh trắng, Tia lửa điện không liên tục ở mép sau của chổi than là sản phẩm phụ bình thường của chuyển mạch cơ học và ít ảnh hưởng đến tuổi thọ của động cơ. Lớn, liên tục, cháy hồ quang màu vàng-đỏ hoặc cháy vòng là bất thường và báo hiệu lỗi.

Chính xác thì tại sao tia lửa lại xảy ra?

Vì cuộn dây phần ứng là cuộn cảm. Khi một bàn chải phá vỡ liên lạc với một đoạn, từ trường suy giảm của cuộn dây tạo ra một điện áp phản kháng cao (e = −L di/dt) làm ion hóa khe hở không khí đang mở, tạo ra một vòng cung.

Động cơ không chổi than có phát ra tia lửa điện không?

KHÔNG. Động cơ BLDC thay thế chổi than/cổ góp cơ học bằng chuyển mạch điện tử, nên không có tiếp điểm trượt với hồ quang. Đây là lý do chính khiến chúng được chọn cho môi trường dễ cháy nổ và nhạy cảm với EMI.

Tia lửa điện có làm giảm hiệu suất động cơ không?

Đúng. Mỗi tia lửa đều bị mất năng lượng dưới dạng nhiệt, ánh sáng, và nhiễu tần số vô tuyến thay vì mô-men xoắn. Động cơ chổi than thường đạt hiệu suất tối đa 65–80% so với 85–92%+ đối với động cơ BLDC tương đương.

Làm cách nào để giảm tia lửa điện trong động cơ chổi than?

Khớp cấp độ cọ với hiện tại, đặt áp lực bàn chải đồng đều, giữ cho cổ góp sạch sẽ và đúng sự thật, tôn trọng tốc độ định mức, căn chỉnh các cọ vẽ với mặt phẳng trung tính, và thêm một tụ RC snubber hoặc CLL để triệt tiêu.

Tia lửa điện quá mức có thể làm hỏng động cơ?

Đúng. Hồ quang mạnh sẽ nhanh chóng ăn mòn cả chổi than và cổ góp đồng, tạo ra bụi carbon dẫn điện, và có thể leo thang tới mức hủy diệt “vòng lửa” làm cháy động cơ.