电阻变化导致火花产生的原因分析及改善方法

引言

随着中国家庭生活质量的提升,智能小家电开始成为厨房里必不可少的角色,搅拌机更是以体积轻巧、操作简单、功能形式多变成为家庭主妇的好帮手。厨房环境充满水汽、油烟,搅拌机由于高速旋转、使用频率高等因素容易发生电机故障,而最常见的故障就是换向火花。

导致单相交流串励电动机产生换向不良、火花大现象的因素很多,主要有氧化、腐蚀等化学因素,磁场交变产生的各种电势相互影响和由加工精度低引起的机械振动等三个方面,而电刷一换向器系统的电阻变化与这三个原因有关,因此下文将针对电刷一换向器系统动态电阻进行定量建模,然后分析引起电刷一换向器系统电阻变化的因素,最后针对电刷一换向器系统电阻变化引起换向火花的现象提出改善措施。

1电刷—换向器系统动态电阻定量建模分析

由电刷一换向器系统的结构分析可知,该系统由电刷、刷辫、刷架、换向器等组成。一般情况下,电刷与刷辫、刷辫和刷架引线通过螺丝或焊接紧固,电刷电阻阻值变化小,不做详细分析。以下详细分析了电刷与换向器的接触电阻、膜层电阻和换向器电阻。

通过研究发现电刷与换向器的接触不是完整的球面,而是由无数个点接触组成的,接触电阻随着接触点数的增多而减小,而接触电阻的变化又会导致电刷一换向器之间的火花增大甚至产生环火。由此,对电刷一换向器系统动态电阻进行定量建模分析。

首先对模型做一些简化假设:

(1）电刷与换向器的接触点是弹塑性形变接触点,考虑接触点的相互影响。

(2）所有接触点都为面积相等的球面接触。

(3）换向器表面氧化膜均匀分布,厚度一致。

(4）电刷为石墨材料,集电环为人工铜材料。

1.1接触面的接触电阻

假设电刷与换向器的接触面为点圆,电流在接触点弯曲与收缩,最后集中于圆内。这时会产生新的附加电阻一收缩电阻,即为接触电阻Rc。

根据Ho1m球面接触理论,产生的接触电阻Rc为:

式中,p1为石墨的电阻率,值为8x10-6Ω·m;p2为人工铜的电阻率,值为1.7x10-8Ω·m;a为点圆的半径。

电流从各个面积相等的小点圆通过,所有接触点相当于阻值相等的电阻并联,如图1所示。

设各个接触点圆面积相等,接触的点数为n,则接触面的总面积为:

则各个点圆的平均半径为:

把式(3）代入式(1）得接触面的总电阻:

接触处单位面积的压力为:

式中,H1为石墨的布氏硬度,值为10HBS;H2为人工铜的布氏硬度,值为12HBS。

轧制变形过程中材料变形程度系数ξ为:

式中

弹性形变ξ<0.2,完全塑性变形ξ=1,弹塑性变形0.2<ξ<1。假设接触面处于弹塑性变形,则接触电阻为:

由式(7）可知接触电阻与弹性变形类型、电刷压力和接触点数密切相关,ξ取0.6时,F分别取1.8B/cm2、3.5B/cm2的关系曲线如图2所示。

由图2可以看出接触点数与接触电阻成反比关系,接触点数越多电阻反而越小,并且随着接触点的增多,电阻会趋向一个定值。比较两图可以看出,适当增大电刷压力,接触电阻会减小。也就是说,电机在正常运行时,接触电阻是一个恒定的值。

以上分析接触电阻时只考虑了各单独接触点,而没有考虑接触点相互之间的影响。实际上,电刷与换向器的接触点非常密集,流过电流的接触点会互相产生影响,因此,从真实情况出发,必须考虑接触点相互之间影响所增加的电阻值。

由霍姆(Holm）接触理论可知,接触面的总电阻RT等于所有实际接触点电阻的并联值Rc和相互之间影响增加的电阻值Ri的串联值。

根据力学家铁术辛柯对某个密集点群的繁冗估算:

式中,p为相互电阻的霍姆半径。

相互电阻与霍姆半径的关系如图3所示,接触点数n很少时,p很大,Ri很小,与Rc相比可以忽略不计:接触点数n越多,面积一定的接触点分布越密集,p越小,Ri越大,并趋向一个定值,与Rc相比较大,此时Rc可忽略不计。

同时,电刷一换向器在摩擦过程中将会在换向器表面迅速形成一层氧化膜,由此产生了膜层电阻Rt,根据电接触理论中的计算公式Rt为:

式中,∈c为膜层电阻率。

图3相互电阻与霍姆半径的关系曲线

一般情况下,环境中温度、湿度适宜,且电刷压力不变,膜层电阻保持稳定。

1.2换向器电阻

换向器引线触头与换向器内环相连,由于引线触头到电刷触头的圆周距离时刻发生变化,故换向器电阻也呈周期性变化。文献对换向器周期性变化电阻进行了推导,给出了单个电刷和换向器接触时换向器周期变化电阻的示意图和等效电路图,如图4所示。

式中,为换向器半径:∈2为人工铜的电阻率:A为换向器横截面积:/为换向器转动频率:1为换向器运行时间。

本文选用某公司7025电机为研究对象,转速为12500r/min,换向器静态电阻为2.1mQ。由式(11）可知换向器电阻是开口向下的抛物线,在1/2/时刻电阻最大,为换向器静态电阻的1/4,而在0或1/的时刻电阻接近于0,换向器动态电阻就随着换向器转动频率做周期性变化,如图5所示。

1.3电刷—换向器系统动态电阻

经过以上详细分析,可得出电刷一换向器系统动态电阻的表达式为:

由式(12）可以看出,当电刷压力过小时,电刷一换向器系统总电阻增加,同时电刷一换向器系统接触点个数减少,为维持正常负荷,剩下接触点的电流就将增大,导致接触点电流密度过大。根据O=I2Ri,发热量跟电流的平方成正比,电刷一换向器系统会发生过热现象,如果积聚的热量无法散发出去,温度会急剧升高,电刷一换向器表面就会产生火花。

2改善换向火花的措施

通过分析电阻一换向器电阻动态变化的原因,结合小功率电机的生产情况,在设计、制造时可以采取以下方法来改善、减少换向火花。

2.1合理选择电刷

搅拌机中使用的是高速串励电机,选择合理的材料不仅能保证电机的正常运行,还关系到电机的运行寿命。不同材料的电刷电阻值相差可达105倍,对于在110V/220V电压下工作的小家电可采用阻值较大、润滑性好、摩擦系数低的碳一石墨树脂浸渍碳刷,以获得良好的换向状态,并提高抗电磁干扰性能:或者选择抗磨性、阻尼和润滑性能好的树脂粘结石墨碳刷,这样可以保证换向短路电流较小。

2.2选择合适的电刷压力

由式(12）可知,电刷一换向器系统的动态电阻很大程度受电刷压力的影响。电刷压力过小会使接触点减少,电刷有效横截面积缩小,导致电刷与换向器接触不良,接触电阻、电刷电阻和膜层电阻同时增大,刷换系统的总电阻增大,接触压降增大:同时电刷振动加剧,尤其是当换向器工作面的圆柱度值较大时,碳刷的往复运动跟不上其径向变化量的变化,将造成碳刷脱离换向器表面,此时,碳刷与换向器只能以电弧形式传递电流,电流密度大,会造成换向片和碳刷严重烧蚀。如果电刷压力过大,会加速对换向器的磨损,换向器表面温升增大,换向器表面的氧化膜遭到破坏,铜氧化膜电阻减小,润滑度降低,造成换向恶化。所以,电刷压力一般取1.8～3.5N/cm2。

2.3降低机械振动

电机在正常运行状态下会存在轻微的振动,换向器的高速旋转会使碳刷在刷握内往复摆动,所以必须控制电刷摆动的幅度。为保证碳刷在刷握内无阻碍地顺畅滑动,刷握内腔与碳刷间应尽量保持最小间隙,一般间隙在0.065～0.213mm之间,间隙太小会卡住电刷,引起接触不良。定转子间气隙不平衡在交变的磁场中形成单边磁拉力,轴承因润滑不良而加速磨蚀等都会引起电机的振动,电刷与刷辫、刷辫和刷架引线通过螺丝或焊接紧固,电机的振动和电刷的摆动幅度太大都可能引起螺丝松动、焊点开焊,导致电刷与换向器接触不良。为了降低机械振动和电磁振动对刷换系统电阻的影响,转子需要进行静平衡和动平衡校正,提高校正精度,提高轴承质量。通常情况下,增加电机槽数,电机的启动转矩变大、振动减小,换向性能提高、脉动转矩减小、电枢槽部热阻减小以及温升降低等,在设计时应采用不均匀气隙和双数转子斜槽,并降低磁密。

2.4提高换向器加工精度

换向器工作条件恶劣,不仅要承受高速旋转产生的离心力,还要承受换向过程中电火花和摩擦产生的高温,小家电功率较小,再考虑到成本问题,一般企业会选择紫铜换向器。换向器表面的不圆度与电刷寿命有直接关系,因此要保证换向器表面的同心度和光滑度,选择换向器材料不能太软,以免换向片翘起或焊接不牢,换向器表面粗糙度在4～10μm之间为宜:改进精加工的工艺,严格控制换向片之间的高度差,使电刷和换向器之间有超过80%的接触面积,可减小接触电阻。换向器要采用多片或者采用多槽冲片,增加并列数,换向器片间电阻要尽量保持一致,以减小片间电势,使换向火花减少。

3结语

本文建立了电刷一换向器系统动态电阻数学模型,在阐述电阻变化原因的基础上,进一步分析了换向火花产生的原因,最后针对不同电阻变化对火花产生的影响提出了改善措施。