Искрообразование под щеткой

Искрообразование под щетками на коллекторе ведет к быстрому разрушению коллектора, т. к. электрическая искра обладает весьма высокой температурой и способна разрушать самые твердые металлы и сплавы. По этой причине необходимым условием долговечности МПТ является отсутствие искрения под щетками.

Причины искрообразования могут быть механическими и электрическими. Механическая причина искрения — это ухудшение контакта между коллектором и щетками, что может быть следствием неровности коллектора, дрожания щеток, эллиптичностью и биением коллектора, неровностью его поверхности, вибрацией щеткодержателей и т.д. Электрической причиной является неудовлетворительная коммутация – совокупность физических процессов, сопровождающих закорачивание секции при движении щетки по коллектору.

Рис.63

Если в данный момент времени в одной из параллельных ветвей ток течет по катушкам от начала к концу, то в другой – от конца к началу (рис. 63). Поскольку катушки вращаются с ротором, они по очереди переходят из одной параллельной ветви в другую. Направление тока в катушке меняется при этом на противоположное; изменение направления тока происходит в тот момент, когда катушка оказывается замкнутой накоротко через щетки. Процесс перехода катушки, замкнутой накоротко щетками, из одной параллельной ветви обмотки якоря в другую, сопровождающийся изменением направления тока в катушке, называется коммутацией.

Внешним проявлением неудовлетворительного протекания процесса коммутации служит искрение в скользящем контакте коллектор – щетки. Если искрение превосходит допустимые пределы (при плохой коммутации), то происходит ускоренный износ коллектора и щеток, снижается надежность машины. При определенных условиях искрение может привести к образованию электрической дуги на коллекторе и его разрушению. Искрение создает радиопомехи и ограничивает применение машин во взрывоопасных условиях.

Коммутация катушки происходит в течение времени перехода щетки с одной коллекторной пластины на другую; направление тока катушки меняется при этом на противоположное (катушка ас, рис. 64,а, б, в). В течение отрезка времени, называемого периодом коммутации , катушка замкнута щетками накоротко (рис.64 б) и по ней протекает ток . Если бы в коммутирующей катушке не наводились ЭДС, то под набегающим краем щетки ток возрастал бы по линейному закону от 0 до 2i, а под сбегающим – убывал по линейному закону от 2i до 0. Следовательно, замыкание коммутирующей катушки под набегающим краем ветки и размыкание под сбегающим происходили бы без тока. Такая линейная коммутация является оптимальным вариантом коммутации, обеспечивающим при правильном выборе средней плотности тока под щетками отсутствие искрения в скользящем контакте.

Рис.64

В реальных машинах при вращении якоря ток в коммутирующей катушке изменяется с большой скоростью, и в катушке наводится ЭДС самоиндукции e_l.
Поток поперечной реакции якоря наводит в катушке, коммутирующей на геометрической нейтрали, ЭДС вращения . При в_щ> в_п одновременно коммутируют несколько катушек, и в них наводятся ЭДС взаимоиндукции e_м. Суммарная ЭДС коммутирующей катушки e_K= e_L+ e_M+ e_BP создает в катушке добавочный ток, и коммутация становится нелинейной. Нелинейная коммутация сопровождается искрением, причем увеличение плотности тока под одной частью щетки и уменьшение – под другой увеличивает уровень искрения.

Уменьшить искрение можно путем создания условий, при которых коммутация будет линейной. Один из основных способов – использование дополнительных полюсов, создающих магнитный поток в зоне геометрической нейтрали. Индукцию этого поля выбирают таким образом, чтобы не только скомпенсировать поток якоря на геометрической нейтрали и уничтожить e_BP в коммутирующей катушке, но создать поле, необходимое для компенсации e_L+ e_M. Чтобы значение и направление индукции под дополнительными полюсами автоматически приходили в соответствие со значением и направлением тока якоря, вызывающего реакцию якоря, обмотку дополнительных полюсов включают последовательно с якорем.