Искрение щёток — один из самых заметных признаков неисправности коллекторной электрической машины. Оно может возникать в двигателях постоянного тока, генераторах, универсальных двигателях, а также в машинах с контактными кольцами — фазных роторах и синхронных машинах с возбуждением через щётки.
Незначительное равномерное искрение иногда допускается конструкцией и режимом работы конкретной машины. Однако сильное, нестабильное или локальное искрение не является нормой — оно приводит к подгоранию коллектора или контактных колец, ускоренному износу щёток, перегреву щёткодержателей, повреждению обмоток и возникновению кругового огня.
Искрение не всегда означает, что нужно просто заменить щётки. Причиной может быть неправильное положение щёточной траверсы, дефект коллектора, нарушение коммутации, перегрузка, межвитковое замыкание якоря, неисправность добавочных полюсов или механическая вибрация — поэтому диагностика должна охватывать весь щёточно-коллекторный узел, якорь, магнитную систему, подшипники, нагрузку и источник питания.
Щётка обеспечивает электрический контакт между неподвижной частью машины и вращающимся коллектором или контактным кольцом. Щётки изготавливают из электрографита, графита, угольно-графитных или металлографитных материалов, подобранных под конкретное напряжение, ток и скорость машины.
Щётка прижимается к коллектору пружиной, и во время вращения между ней и поверхностью образуется скользящий электрический контакт, который должен одновременно обеспечивать стабильное прохождение тока, минимальное искрение, допустимый нагрев, равномерный износ и формирование правильной рабочей плёнки.
Коллектор состоит из отдельных медных пластин, изолированных друг от друга; каждая соединена с соответствующей секцией обмотки якоря. Во время вращения щётка переходит с одной пластины на другую и в этот момент кратковременно замыкает секцию обмотки.
В этой секции ток должен последовательно:
Этот процесс называют коммутацией. Если ток не успевает измениться к моменту выхода пластины из-под щётки, между краем щётки и ламелью возникает электрическая дуга. Чем больше несоответствие между фактическим процессом коммутации и необходимым изменением тока, тем сильнее искрение.
Не всегда. Слабое равномерное точечное искрение без распространения по коллектору может быть допустимым для конкретной конструкции — например, во время кратковременной перегрузки, резкого изменения нагрузки, реверсирования или пуска тягового двигателя.
Искрение следует считать опасным, если оно:
| Характер искрения | Вероятная причина | Что проверить |
|---|---|---|
| Слабое равномерное по всем щёткам | Притирание, режим нагрузки | Площадь контакта, ток, документацию |
| Сильное под всеми щётками | Перегрузка, смещение нейтрали | Ток, траверсу, добавочные полюса |
| Только под одной щёткой | Давление, заклинивание, вывод | Щёткодержатель, пружину, гибкий провод |
| Повторяется раз за оборот | Дефект ламели или секции | Коллектор, пайку, обмотку якоря |
| Только под нагрузкой | Реакция якоря, перегрузка | Добавочные полюса, компенсацию, ток |
| После замены щёток | Неправильная марка или притирка | Марку, контактную площадь, давление |
| После проточки коллектора | Биение, шероховатость, выступание слюды | Геометрию, продорожку |
| Вместе с сильной вибрацией | Дисбаланс, подшипники, вал | Вибрацию, биение, подшипники |
| На контактных кольцах | Загрязнение, давление, асимметрия тока | Кольца, щётки, фазы ротора |
| Яркие дуги между щёточными зонами | Круговой огонь | Немедленное отключение и дефектацию |
Щётку подбирают не только по размеру, но и по электрическому сопротивлению, допустимой плотности тока, твёрдости, коэффициенту трения и способности обеспечивать коммутацию. Марка, которая физически подходит, но не соответствует электрическим характеристикам машины, вызывает сильное искрение, ускоренный износ и повреждение коллектора.
Щётки разных марок имеют разное сопротивление, твёрдость и способность формировать рабочую плёнку, поэтому ток между параллельными щётками распределяется неравномерно — одни перегружаются и искрят, другие почти не проводят ток.
Контакт лишь на небольшой площади повышает плотность тока в этой зоне, вызывает локальный нагрев, искрение и обгорание краёв щётки. После правильной притирки рабочая поверхность должна максимально равномерно прилегать к коллектору.
При слабом давлении щётка теряет стабильный контакт, подпрыгивает и искрит; при чрезмерном давлении растут трение, нагрев и износ. Давление всех щёток одной полярности должно быть примерно одинаковым и проверяться измерением, а не рукой.
Загрязнение, деформация щёткодержателя или неправильный размер щётки мешают ей свободно перемещаться и компенсировать биение коллектора. Если щётка зависает, пружина перестаёт поддерживать контакт, и возникают дуга и локальный прогар.
Нарушение угла установки или слишком большое расстояние до коллектора приводят к неустойчивому контакту, вибрации щётки и ухудшению коммутации.
Частичный обрыв жил, плохое соединение со щёткой или ослабленная клемма повышают сопротивление вывода, вызывая локальный нагрев и перераспределение тока между щётками.
Положение щёток относительно магнитной нейтрали критично для коммутации. Если траверса смещена — из-за неправильной сборки, ошибки после ремонта или смены направления вращения без коррекции — в коммутируемой секции возникает дополнительная электродвижущая сила, и на одном краю щётки появляется искрение.
Угольная или медная пыль, масло, влага или технологические загрязнения меняют контактное сопротивление и могут создавать токопроводящие дорожки между ламелями. Правильная тонкая рабочая плёнка на поверхности коллектора, напротив, способствует стабильному контакту и равномерному износу — проблемы возникают, когда она отсутствует, пятниста, слишком толстая или обуглена.
Если расстояние от оси вращения до поверхности коллектора меняется, щётка не успевает постоянно следовать за поверхностью, особенно на высокой скорости, и периодически отрывается, создавая дугу. Причины — неправильная проточка, деформация вала, ослабление коллектора или изношенные подшипники.
Если межламельная изоляция не углублена ниже уровня меди после проточки, щётка частично движется по слюде — контакт с медью прерывается, возникают вибрация и искрение. Задиры меди, острые кромки или металлическая пыль в канавках после продорожки вызывают те же последствия.
Секции якоря соединены с коллекторными пластинами пайкой или сваркой. Плохой контакт вызывает локальный нагрев, изменение тока в секции и искрение, повторяющееся в одном и том же месте коллектора при каждом обороте.
При замыкании части витков секция имеет изменённые электрические параметры, что вызывает асимметрию токов, локальный перегрев и нарушение коммутации. При обрыве секции ток прерывается, и когда соответствующие ламели проходят под щёткой, возникает дуга, повторяющаяся в одном положении при каждом обороте.
Добавочные полюса создают магнитное поле, компенсирующее реактивную электродвижущую силу коммутации. Перепутанная полярность после ремонта, обрыв или межвитковое замыкание обмотки добавочного полюса ухудшают, а не улучшают коммутацию — искрение в таком случае может быть очень сильным даже при исправном коллекторе.
При перегрузке растёт ток якоря, плотность тока под щётками увеличивается, а коммутация усложняется — искрение усиливается вместе с нагрузкой. В приводах с ударной или пульсирующей нагрузкой ток якоря быстро меняется, и если коммутационная система не обеспечивает необходимую компенсацию, искрение возникает при каждом скачке момента.
В машинах, которые питаются от тиристорных или иных преобразователей, ток может иметь значительные пульсации, что ухудшает коммутацию, нагрев щёток и состояние рабочей плёнки. Неисправность самого преобразователя — асимметрия тока, пропуски импульсов — также не устраняется обслуживанием щёток.
В двигателях постоянного тока уменьшение тока возбуждения повышает скорость, меняет положение нейтрали, ухудшает коммутацию и увеличивает искрение. Причины — обрыв цепи возбуждения, плохой контакт, неисправность регулятора или межвитковое замыкание обмотки полюса.
В машинах с контактными кольцами нет коллекторной коммутации в том же смысле, что в двигателях постоянного тока, — однако щётки также могут искрить из-за нестабильного контакта. Основные причины: загрязнение или биение колец, коррозия, слабое давление или заклинивание щёток, перегрузка цепи ротора, обрыв части гибких выводов, вибрация вала и плохие контакты в цепи ротора.
Если искрят щётки на контактных кольцах, необходимо отдельно проверить токи в каждой фазе ротора и сравнить состояние всех щёток, а не заменять только ту, под которой видна искра.
Круговой огонь — мощная дуга, распространяющаяся по поверхности коллектора между щёточными зонами разной полярности. Это один из самых опасных режимов: возможные причины — сильное искрение, загрязнение угольной или медной пылью, перенапряжение, резкая перегрузка, ослабление поля или чрезмерная скорость.
При признаках кругового огня машину необходимо немедленно отключить — последствиями могут быть оплавление ламелей, разрушение щёток и щёткодержателей, пробой изоляции и полное разрушение коллектора.
Незначительное равномерное искрение может наблюдаться во время начального притирания. Сильные дуги, локальные вспышки, перегрев или быстрое подгорание не являются нормой.
Возможны неправильная марка, недостаточная притирка, неправильное давление, заклинивание, установка на повреждённый коллектор или смешивание разных типов щёток.
Только если причина действительно в недостаточном прижатии. Чрезмерное давление вызовет перегрев и ускоренный износ.
Вероятны дефекты конкретного щёткодержателя, пружины, гибкого вывода или контактной поверхности именно в этой зоне.
Необходимо проверить добавочные полюса, компенсационную обмотку, положение нейтрали, перегрузку и форму тока.
Основные причины — загрязнение, биение колец, неправильное давление, вибрация, плохие контакты и асимметрия токов ротора.
Электрическая дуга имеет высокую температуру, разрушает щётки, медь коллектора и изоляцию, а также может перейти в круговой огонь.
ТОВ ВКФ «Электропромремонт» выполняет диагностику, ремонт и испытания коллекторных электрических машин, генераторов и машин с контактными кольцами.
В перечень работ входят:
Материал носит информационный характер. Приведённые значения, методы диагностики, объём работ и рекомендации являются общими и не заменяют техническую документацию производителя. Окончательное решение по конкретной машине принимается по результатам её диагностики и дефектации с учётом типа, мощности, конструкции, режима работы, истории эксплуатации и применимых стандартов.
Проведём дефектацию щёточно-коллекторного узла, якоря и магнитной системы, определим причину искрения и выполним необходимый ремонт.