Коммутация.

Коммутацией называется процессы, происходящие при размыкании контактов и, в частности, при переходе щетки с одной коллекторной пластины на другую.

Идеальная коммутация

В любой момент времени ток через щетку Iя = i₁+i₂, т.е. складывается из токов через первую (сбегающую) и вторую (набегающую) коллекторные пластины, а общий ток в секции i определяется разностью этих токов i = i₁ - i₂.

В начальный момент (рис. а) ток в секции i = i₁, т.к. i₂=0 и является максимальным.

По мере перемещения щетки, ток через сбегающую коллекторную пластину (i₁) уменьшается, а через набегающую коллекторную пластину (i₂) растет, при этом общий ток в секции i уменьшается до 0 (рис2) т.к. i₁=i₂, меняет направление (при i₁ < i₂) и начинает расти до максимального значения (рис3) i=i₂. То есть за время перемещения щетки с одной коллекторной пластины на другую ток в секции меняет направление.

При идеальной коммутации токи i₁и i₂ меняются пропорционально изменению площади контакта S₁ и S₂ между щеткой и коллекторными пластинами. При этом плотность тока δ=i₁/S₁=i₂/S₂=const , т.е. не меняется, и никакого искрения нет.

Электромагнитные причины искрения.

В действительности процесс коммутации происходит сложнее:

1. Так как изменение тока в секции i происходит очень быстро(t=0.001-0.0001 сек) в секции наводиться большая ЭДС самоиндукции (Е_L);

2. Так как реально щетка перекрывает 3-4 коллекторные пластины, от соседних секций наводиться ЭДС взаимоиндукции(E_M);

3. Из-за реакции якоря наводиться ЭДС вращения (Eвр);

4. Из-за зубчатого строения якоря и несовершенства сглаживания напряжения наводиться ЭДС пульсации (Eп). Все они направлены в одну сторону и образуют вредный замкнутый ток коммутации i_k

i_k = (E_L+E_M+Eп+Eвр)/Rя

который складывается с током i₁ через сбегающую коллекторную пластину. От этого увеличивается плотность тока δ = (i₁+ik)/S₁ ) и происходит переброс тока по воздуху в виде искрения.

К моменту схода щетки с коллекторной пластины все эти ЭДС создают перенапряжение между коллекторными пластинами и возникает пробой в виде дуги, который замыкает соединения коллекторных пластин, что создает перенапряжение на других пластинах и возникает круговой огонь по коллектору.

Различают 5 степеней искрения:

1. Степень 1 – искрения нет.

2. Степень 1 1/4 – слабое точечное искрение под небольшим краем щетки.

3. Степень 1 1/2 – искрение под большим краем щетки.

4. Степень 2 – искрение под всем краем (машина работает с перегрузкой)

5. Степень 3 – значительное искрение с вылетающими искрами (работа не допускается)

Механические причины искрения.

Слабое нажатие на щетки, неровность коллектора приводят к подпрыгиванию щеток.

Сильное нажатие приводит к наволакиванию меди на коллекторных пластинах, что уменьшает зазор между ними, увеличивает износ щеток и покрытие коллектора угольной пылью, что уменьшает эффективную площадь контакта.

Для уменьшения искрения щетки делают разрезными, что увеличивает путь тока коммутации и оказывает ему дополнительное сопротивление.

Графитирование щеток увеличивают их сопротивление с ростом тока, а так же создает на поверхности коллектора тонкую пленку из окислов меди и углерода, что уменьшает трение т.е. износ и оказывает вредному току коммутации дополнительное сопротивление.