Phân tích tia lửa trong động cơ DC có chổi than

Tổng quan

trong động cơ DC chải , hiện tượng phát tia lửa điện giữa chổi than và cổ góp là hiện tượng khá thường gặp trong quá trình vận hành. Tuy nhiên, khi cường độ tia lửa vượt quá mức chấp nhận được, nó có thể làm giảm hiệu suất của động cơ và thậm chí làm cháy chính động cơ hoặc thiết bị được kết nối. Nguyên nhân rất đa dạng - điện áp dao động, chổi than bị mòn, tiếp xúc kém và quá tải trong số đó. Bài viết này xem xét sâu những nguyên nhân này và đề xuất các biện pháp ngăn chặn hiệu quả.

Vật lý đằng sau sự phát ra tia lửa điện của động cơ

Nguyên nhân cơ bản gây ra tia lửa điện của động cơ là do sự gián đoạn cưỡng bức của cuộn dây cảm ứng mang dòng điện khi chổi than chuyển tiếp giữa các đoạn cổ góp. Năng lượng từ tính được lưu trữ trong cuộn dây giải phóng ngay lập tức, làm ion hóa không khí xung quanh và tạo thành vòng cung.

trong 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.

Trong quá trình chuyển mạch, có một khoảnh khắc ngắn khi chổi tiếp xúc đồng thời với hai đoạn liền kề trước khi nhấc đoạn ban đầu ra. Ngay khi chổi rời khỏi đoạn đó, đường dẫn dòng điện qua cuộn dây liên quan sẽ bị cắt đứt về mặt vật lý.

Cuộn dây là một phần tử cảm ứng và độ tự cảm chống lại mọi sự thay đổi đột ngột của dòng điện. Khi dòng điện bị gián đoạn, cuộn dây tạo ra điện áp ngược cao - EMF ngược - nhằm cố gắng duy trì dòng điện. Điện áp tự tạo này có thể dễ dàng đạt tới hàng chục lần điện áp nguồn.

Mặc dù bàn chải đã được tách biệt về mặt vật lý khỏi phần cổ góp nhưng khoảng cách giữa chúng là cực kỳ nhỏ - ở mức micromet. Các cạnh của cổ góp thường mang các gờ cực nhỏ hoặc các điểm sắc nhọn do mài mòn, nơi tập trung cường độ điện trường. EMF ngược cao được áp dụng trên khe hở không khí nhỏ này. Khi điện áp đủ, không khí bị phá vỡ: các phân tử bị ion hóa thành electron và ion dương, tạo thành kênh dẫn điện. Dòng điện sau đó nhảy qua khe hở thay vì chạy qua tiếp điểm kim loại - và tạo ra tia lửa điện.

Từ Spark đến Arc

Nếu tia lửa vẫn tồn tại - do chổi tiếp xúc kém, tải nặng gây ra chuyển mạch chậm hoặc các điều kiện tương tự - khe hở không khí bị ion hóa giảm xuống điện trở rất thấp và dòng điện tiếp tục chạy qua kênh plasma nhiệt độ cao này, duy trì hồ quang hoàn chỉnh. Nhiệt độ hồ quang có thể đạt tới 3.000°C đến 8.000°C, đủ nóng để ăn mòn bề mặt đồng của các đoạn cổ góp, để lại vết rỗ và oxy hóa. Điều này đồng thời làm tăng tốc độ mài mòn của chổi than và trong các môi trường nguy hiểm như mỏ than hoặc nhà máy hóa chất, có nguy cơ gây cháy khí dễ cháy.

Tiêu chuẩn cho phép và phân loại tia lửa

trong 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.

Dựa trên thực tiễn kỹ thuật và tiêu chuẩn quốc gia, năm loại này thuộc ba loại được phép:

Được phép hoạt động liên tục trong thời gian dài - Phát ra tia lửa vô hại

Các cấp 1, 1¼ và 1½ đều được phê duyệt để vận hành động cơ liên tục, bền vững.

Cấp 1: Về mặt lý thuyết không có tia lửa — trạng thái lý tưởng, cho thấy hiệu suất chuyển mạch xuất sắc.

Cấp 1¼: Chỉ phát ra tia lửa điện ở một điểm riêng biệt, không gây hư hỏng gì cho cổ góp hoặc chổi than. Hoàn toàn vô hại.

Cấp 1½: Mặc dù các vết bề mặt nhỏ có thể xuất hiện trên cổ góp và chổi than nhưng chúng không tiến triển thêm và không gây ra mối đe dọa đáng kể nào cho động cơ. Hoạt động lâu dài vẫn được cho phép.

Chỉ được phép trong thời gian ngắn trong các điều kiện cụ thể — Phát ra tia lửa có hại

Tia lửa cấp 2 được phân loại là có hại. Năng lượng hồ quang của nó đủ lớn để gây cháy cho cổ góp và chổi than. Nó không được phép dưới tải định mức bình thường, nhưng có thể xuất hiện trong thời gian ngắn trong các điều kiện sau:

Trong các sự kiện quá dòng hoặc quá mô-men xoắn trong thời gian ngắn - chẳng hạn như khởi động động cơ hoặc tải tác động đột ngột - tia lửa điện không được vượt quá Cấp 2.

Trong điều kiện quá tải làm việc tối đa, đánh lửa chuyển mạch cũng phải duy trì ở mức dưới Cấp 2.

Ngoài những giới hạn này, có thể xảy ra hư hỏng không thể phục hồi đối với cổ góp và chổi than.

Tuyệt đối bị cấm trong quá trình vận hành bình thường — Phát ra tia lửa nguy hiểm

Tia lửa cấp độ 3 được phân loại là nguy hiểm, có đặc điểm là:

Năng lượng hồ quang cực cao với khả năng hủy diệt nghiêm trọng. Trong những trường hợp nghiêm trọng, nó sẽ leo thang thành hiện tượng cháy vòng — không khí xung quanh toàn bộ rãnh chổi than bị ion hóa mạnh và hồ quang lan rộng trên toàn bộ bề mặt cổ góp, gây ra hư hỏng động cơ ngay lập tức và nghiêm trọng hoặc hỏng hóc hoàn toàn.

Về mặt lý thuyết chỉ được phép tại thời điểm khởi động hoặc đảo chiều trực tuyến và chỉ với điều kiện cổ góp và chổi than vẫn ở trạng thái phù hợp để tiếp tục vận hành.

Trong tất cả các điều kiện hoạt động liên tục bình thường, nghiêm cấm phát ra tia lửa cấp 3.

Các biện pháp ngăn chặn tia lửa có hại

Giữ điện áp giữa các phân đoạn trong giới hạn an toàn

Duy trì điện áp cung cấp trong phạm vi định mức của động cơ. Hãy chú ý đến việc điều chỉnh cực giao hoán - số vòng quay không chính xác hoặc cực tính đảo ngược có thể làm tăng điện áp giữa các phân đoạn lên mức nguy hiểm. Nếu có thể, hãy kiểm tra định kỳ cuộn dây rôto xem có bị đoản mạch hoặc hở mạch hay không, sử dụng các thử nghiệm điện trở cuộn dây phần ứng và máy dò ngắn mạch để xác minh rằng sự phân bố điện áp trên các đoạn cổ góp vẫn đồng nhất.

Đảm bảo sự tiếp xúc giữa bàn chải và cổ góp luôn sạch sẽ và nhất quán

Giữ cho bề mặt cổ góp nhẵn và đồng tâm. Nếu bề mặt không tròn, có vết xước hoặc có lớp oxit quá dày, hãy đánh bóng nó bằng giấy nhám mịn - không bao giờ được sử dụng vải mài mòn. Xác minh rằng mỗi bàn chải đều vừa với giá đỡ bàn chải của nó với khoảng hở chính xác. Theo dõi độ mòn của chổi than một cách chặt chẽ: khi chổi than bị mòn, diện tích tiếp xúc của chúng với cổ góp giảm, khiến mật độ dòng điện tăng lên và kéo theo phát ra tia lửa điện.

Tránh hoạt động quá tải liên tục

Việc vận hành động cơ vượt quá tải định mức trong thời gian dài sẽ khiến tốc độ rôto giảm xuống và dòng điện tăng lên - điều kiện dễ dàng gây ra tia lửa điện. Định kỳ kiểm tra xem có bị kẹt cơ học hoặc kẹt trong tải truyền động không, đồng thời đảm bảo rằng hệ thống thông gió và tản nhiệt của động cơ vẫn ở mức đầy đủ.

Kết luận

Việc phát ra tia lửa điện là điều không thể tránh khỏi trong quá trình vận hành động cơ DC có chổi than, nhưng với thiết kế phù hợp, các bộ phận chất lượng và bảo trì định kỳ, việc phát tia lửa điện có hại là hoàn toàn có thể ngăn ngừa được. Động cơ DC có chổi than của Hongyang Motor được thiết kế với phần ứng quấn chính xác, chổi than carbon cao cấp và dung sai cổ góp chặt chẽ — tất cả đều nhằm mục đích giảm thiểu tia lửa điện và tối đa hóa tuổi thọ sử dụng. Cho dù ứng dụng của bạn yêu cầu vận hành ở mức tải cao liên tục hay kiểm soát tốc độ chính xác, nhóm kỹ thuật của chúng tôi sẵn sàng giúp bạn chọn động cơ phù hợp cho công việc.