Análisis de chispas en motores de CC con escobillas

Descripción general

en motores de corriente continua con escobillas , las chispas entre las escobillas y el conmutador son bastante comunes durante el funcionamiento. Sin embargo, cuando la intensidad de la chispa excede los niveles aceptables, puede degradar el rendimiento del motor e incluso quemar el motor o el equipo conectado. Las causas son variadas: fluctuaciones de voltaje, desgaste de las escobillas, mal contacto y sobrecarga, entre otras. Este artículo examina estas causas en profundidad y propone medidas efectivas de supresión.

La física detrás de las chispas del motor

La causa fundamental de las chispas del motor es la interrupción forzada de una bobina inductiva que transporta corriente cuando la escobilla realiza la transición entre los segmentos del conmutador. La energía magnética almacenada en la bobina se libera instantáneamente, ionizando el aire circundante y formando un arco.

en 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.

Durante la conmutación, hay un breve momento en el que un cepillo contacta simultáneamente dos segmentos adyacentes antes de levantar el original. En el instante en que la escobilla abandona ese segmento, el camino de la corriente a través de la bobina asociada se corta físicamente.

La bobina es un elemento inductivo y la inductancia resiste cualquier cambio repentino de corriente. En el momento en que se interrumpe la corriente, la bobina genera un alto voltaje inverso (un EMF inverso) en un intento de mantener el flujo de corriente. Este voltaje autoinducido puede alcanzar fácilmente decenas de veces el voltaje de suministro.

Aunque la escobilla se ha separado físicamente del segmento del conmutador, el espacio entre ellos es extremadamente pequeño, del orden de micrómetros. Los bordes de los segmentos del conmutador a menudo presentan rebabas microscópicas o puntas afiladas inducidas por el desgaste, donde se concentra la intensidad del campo eléctrico. La alta fuerza electromagnética se aplica a través de este pequeño espacio de aire. Cuando el voltaje es suficiente, el aire se descompone: las moléculas se ionizan en electrones e iones positivos, formando un canal conductor. Luego, la corriente salta a través del espacio en lugar de fluir a través del contacto metálico, y nace una chispa.

De la chispa al arco

Si la chispa persiste (debido a un mal contacto de las escobillas, una carga pesada que provoca un retraso en la conmutación o condiciones similares), el entrehierro de aire ionizado cae a una resistencia muy baja y la corriente continúa fluyendo a través de este canal de plasma de alta temperatura, manteniendo un arco completo. Las temperaturas del arco pueden alcanzar entre 3.000 °C y 8.000 °C, lo suficientemente calientes como para erosionar la superficie de cobre de los segmentos del conmutador, dejando picaduras y oxidación. Esto acelera al mismo tiempo el desgaste de las escobillas y, en entornos peligrosos como minas de carbón o plantas químicas, existe el riesgo de encender gases inflamables.

Estándares de permisibilidad y clasificación de chispas

en 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.

Según la práctica de la ingeniería y los estándares nacionales, estos cinco grados se dividen en tres categorías de permisibilidad:

Permitido para funcionamiento continuo a largo plazo: chispas inofensivas

Los grados 1, 1¼ y 1½ están aprobados para un funcionamiento motor continuo y sostenido.

Grado 1: Teóricamente sin chispas: el estado ideal, que indica un rendimiento de conmutación excelente.

Grado 1¼: Sólo chispas puntuales aisladas, sin causar daño alguno al conmutador ni a las escobillas. Completamente inofensivo.

Grado 1½: Si bien pueden aparecer ligeras marcas superficiales en el conmutador y las escobillas, estas no avanzan más y no representan una amenaza sustancial para el motor. Sigue estando permitido el funcionamiento a largo plazo.

Permitido sólo brevemente bajo condiciones específicas: chispas dañinas

Las chispas de grado 2 se clasifican como nocivas. Su energía de arco es lo suficientemente importante como para provocar quemaduras en el conmutador y las escobillas. No está permitido bajo carga nominal normal, pero puede aparecer brevemente en las siguientes condiciones:

Durante eventos de sobrecorriente o par excesivo de corta duración, como el arranque del motor o una carga de impacto repentino, las chispas no deben exceder el Grado 2.

En caso de sobrecarga máxima de trabajo, las chispas de conmutación también deben permanecer por debajo del Grado 2.

Más allá de estos límites, es probable que se produzcan daños irreversibles en el conmutador y las escobillas.

Absolutamente prohibido durante el funcionamiento normal: chispas peligrosas

Las chispas de grado 3 se clasifican como peligrosas y se caracterizan por:

Energía de arco extremadamente alta con potencial destructivo severo. En casos graves, se intensifica hasta convertirse en un evento de incendio en anillo: el aire alrededor de toda la pista de cepillos se ioniza intensamente y el arco se extiende por toda la superficie del conmutador, causando daños inmediatos y catastróficos al motor o una falla total.

Teóricamente permisible sólo en el instante del arranque o inversión directo en línea, y sólo siempre que el conmutador y las escobillas permanezcan en condiciones adecuadas para un servicio continuo.

En todas las condiciones normales de funcionamiento continuo, están estrictamente prohibidas las chispas de Grado 3.

Medidas para prevenir chispas nocivas

Mantenga el voltaje entre segmentos dentro de límites seguros

Mantenga el voltaje de suministro dentro del rango nominal del motor. Preste atención al ajuste de los polos de conmutación: los recuentos de vueltas incorrectos o la polaridad invertida pueden aumentar el voltaje entre segmentos a niveles peligrosos. Cuando sea posible, inspeccione periódicamente los devanados del rotor en busca de cortocircuitos o circuitos abiertos, utilizando pruebas de resistencia del devanado del inducido y un detector de cortocircuitos para verificar que la distribución de voltaje entre los segmentos del conmutador permanezca uniforme.

Garantice un contacto limpio y consistente entre las escobillas y el conmutador

Mantenga la superficie del conmutador lisa y concéntrica. Si la superficie presenta una forma irregular, rayada o una capa de óxido excesivamente gruesa, púlela con papel de lija de grano fino; nunca se debe utilizar un paño abrasivo. Verifique que cada cepillo encaje en su portaescobillas con el espacio correcto. Vigile de cerca el desgaste de las escobillas: a medida que las escobillas se desgastan, su área de contacto con el conmutador disminuye, lo que provoca que la densidad de corriente aumente y se produzcan chispas.

Evite la operación de sobrecarga sostenida

Hacer funcionar el motor más allá de su carga nominal durante períodos prolongados hace que la velocidad del rotor disminuya y el consumo de corriente aumente, condiciones que fácilmente provocan chispas. Verifique periódicamente si hay atascos mecánicos o atascos en la carga impulsada y asegúrese de que la ventilación del motor y la disipación de calor sigan siendo adecuadas.

Conclusión

Las chispas de conmutación son inevitables durante el funcionamiento de los motores de CC con escobillas, pero con un diseño adecuado, componentes de calidad y un mantenimiento de rutina, las chispas dañinas se pueden prevenir por completo. Los motores de CC con escobillas de Hongyang Motor están diseñados con armaduras enrolladas con precisión, escobillas de carbón de alta calidad y tolerancias estrictas del conmutador, todo ello destinado a minimizar las chispas y maximizar la vida útil. Ya sea que su aplicación exija una operación continua de alta carga o un control preciso de la velocidad, nuestro equipo de ingeniería está listo para ayudarlo a seleccionar el motor adecuado para el trabajo.