Analyse der Funkenbildung in bürstenbehafteten Gleichstrommotoren

Übersicht

In bürstenbehaftete Gleichstrommotoren Im Betrieb kommt es recht häufig zu Funkenbildung zwischen den Bürsten und dem Kommutator. Wenn die Funkenintensität jedoch ein akzeptables Maß überschreitet, kann dies zu einer Verschlechterung der Motorleistung und sogar zum Durchbrennen des Motors selbst oder angeschlossener Geräte führen. Die Ursachen sind vielfältig: Spannungsschwankungen, Bürstenverschleiß, schlechter Kontakt und Überlastung. In diesem Artikel werden diese Ursachen eingehend untersucht und wirksame Maßnahmen zur Unterdrückung vorgeschlagen.

Die Physik hinter der motorischen Funkenbildung

Die Hauptursache für Motorfunken ist die erzwungene Unterbrechung einer stromführenden Induktionsspule, wenn die Bürste zwischen den Kommutatorsegmenten wechselt. Die in der Spule gespeicherte magnetische Energie wird augenblicklich freigesetzt, ionisiert die umgebende Luft und bildet einen Lichtbogen.

Bei einem bürstenbehafteten Gleichstrommotor besteht der Rotor aus mehreren Spulenwicklungen, wobei die beiden Enden jeder Spule mit einem Paar Kommutatorsegmente verbunden sind. Zwei stationäre Kohlebürsten drücken gegen die Oberfläche des rotierenden Kommutators und leiten den Strom von der externen Stromversorgung in die Rotorspulen. Während sich der Motor dreht, gleitet jede Bürste von einem Kommutatorsegment zum nächsten – ein Vorgang, der als Kommutierung bezeichnet wird.

Während der Kommutierung gibt es einen kurzen Moment, in dem eine Bürste gleichzeitig zwei benachbarte Segmente berührt, bevor sie sich vom ursprünglichen Segment abhebt. Sobald die Bürste dieses Segment verlässt, wird der Strompfad durch die zugehörige Spule physisch unterbrochen.

Die Spule ist ein induktives Element und die Induktivität widersteht jeder plötzlichen Stromänderung. Sobald der Strom unterbrochen wird, erzeugt die Spule eine hohe Sperrspannung – eine Gegen-EMK –, um den Stromfluss aufrechtzuerhalten. Diese selbstinduzierte Spannung kann leicht das Zehnfache der Versorgungsspannung erreichen.

Obwohl sich die Bürste physisch vom Kommutatorsegment getrennt hat, ist der Spalt zwischen ihnen extrem klein – in der Größenordnung von Mikrometern. Die Kanten von Kommutatorsegmenten weisen häufig mikroskopisch kleine Grate oder verschleißbedingte scharfe Spitzen auf, an denen sich die elektrische Feldstärke konzentriert. Die hohe Gegen-EMK wird über diesen winzigen Luftspalt angelegt. Wenn die Spannung ausreichend ist, zerfällt die Luft: Moleküle werden in Elektronen und positive Ionen ionisiert und bilden einen leitenden Kanal. Der Strom springt dann über die Lücke, anstatt durch den Metallkontakt zu fließen – und ein Funke entsteht.

Von Spark zu Arc

Wenn der Funke bestehen bleibt – aufgrund von schlechtem Bürstenkontakt, starker Belastung, die eine Kommutierungsverzögerung verursacht, oder ähnlichen Bedingungen – sinkt der ionisierte Luftspalt auf einen sehr niedrigen Widerstand und der Strom fließt weiterhin durch diesen Hochtemperatur-Plasmakanal, wodurch ein vollständiger Lichtbogen aufrechterhalten wird. Die Lichtbogentemperaturen können 3.000 °C bis 8.000 °C erreichen und sind heiß genug, um die Kupferoberfläche der Kommutatorsegmente zu erodieren und Lochfraß und Oxidation zu hinterlassen. Dies beschleunigt gleichzeitig den Bürstenverschleiß und birgt in gefährlichen Umgebungen wie Kohlebergwerken oder Chemiefabriken die Gefahr der Entzündung brennbarer Gase.

Spark-Klassifizierungs- und Zulässigkeitsstandards

Theoretisch kann die Funkenbildung überall dort, wo Induktivität, Strom und mechanische Unterbrechung gleichzeitig vorhanden sind, nicht vollständig vermieden werden. Geringe Funkenbildung ist jedoch standardmäßig zulässig. Um die Schwere der Kommutierungsfunkenbildung systematisch beurteilen zu können, definiert Chinas nationale Norm GB755-87 fünf Funkenklassen, die nach Funkengröße, Helligkeit, Dichte und dem Grad der Beschädigung des Kommutators und der Bürsten bewertet werden.

Basierend auf der technischen Praxis und den nationalen Standards fallen diese fünf Güteklassen in drei Zulässigkeitskategorien:

Zugelassen für kontinuierlichen Langzeitbetrieb – harmlose Funkenbildung

Die Klassen 1, 1¼ und 1½ sind alle für den dauerhaften, kontinuierlichen Motorbetrieb zugelassen.

Note 1: Theoretisch funkenfrei – der ideale Zustand, der auf eine hervorragende Kommutierungsleistung hinweist.

Note 1¼: Nur vereinzelte Punktfunken, die keinerlei Schäden am Kommutator oder an den Bürsten verursachen. Völlig harmlos.

Note 1½: Auf dem Kommutator und den Bürsten können zwar leichte Oberflächenspuren auftreten, diese breiten sich jedoch nicht weiter aus und stellen keine wesentliche Gefahr für den Motor dar. Der Dauerbetrieb bleibt zulässig.

Nur kurzzeitig unter bestimmten Bedingungen zulässig – schädliche Funkenbildung

Funkenbildung der Klasse 2 wird als gesundheitsschädlich eingestuft. Seine Lichtbogenenergie ist groß genug, um Verbrennungsschäden am Kommutator und an den Bürsten zu verursachen. Es ist bei normaler Nennlast nicht zulässig, kann jedoch unter folgenden Bedingungen kurzzeitig auftreten:

Bei kurzzeitigen Überstrom- oder Überdrehmomentereignissen – wie z. B. dem Anlaufen des Motors oder einer plötzlichen Stoßbelastung – darf die Funkenbildung die Stufe 2 nicht überschreiten.

Bei maximaler Arbeitsüberlast muss die Kommutierungsfunkenbildung ebenfalls unter Grad 2 bleiben.

Bei Überschreitung dieser Grenzwerte ist mit einer irreversiblen Beschädigung des Kommutators und der Bürsten zu rechnen.

Im Normalbetrieb absolut verboten – gefährliche Funkenbildung

Funkenbildung der Klasse 3 wird als gefährlich eingestuft und ist gekennzeichnet durch:

Extrem hohe Lichtbogenenergie mit erheblichem Zerstörungspotenzial. In schwerwiegenden Fällen eskaliert es zu einem Ringbrandereignis – die Luft um die gesamte Bürstenbahn wird stark ionisiert und der Lichtbogen breitet sich über die gesamte Kommutatoroberfläche aus, was zu sofortigen und katastrophalen Motorschäden oder einem Totalausfall führt.

Theoretisch nur zum Zeitpunkt des Direktstarts oder der Umkehrung zulässig und nur unter der Voraussetzung, dass der Kommutator und die Bürsten in einem für den weiteren Betrieb geeigneten Zustand bleiben.

Unter allen normalen Dauerbetriebsbedingungen ist Funkenbildung der Klasse 3 strengstens verboten.

Maßnahmen zur Verhinderung schädlicher Funkenbildung

Halten Sie die Spannung zwischen den Segmenten innerhalb sicherer Grenzen

Halten Sie die Versorgungsspannung innerhalb des Nennbereichs des Motors. Achten Sie auf die Einstellung der Kommutierungspole – falsche Windungszahlen oder umgekehrte Polarität können die Spannung zwischen den Segmenten auf gefährliche Werte ansteigen lassen. Wenn möglich, überprüfen Sie die Rotorwicklungen regelmäßig auf Kurzschlüsse oder offene Stromkreise. Verwenden Sie Tests zum Widerstand der Ankerwicklung und einen Kurzschlussdetektor, um sicherzustellen, dass die Spannungsverteilung über die Kommutatorsegmente gleichmäßig bleibt.

Sorgen Sie für einen sauberen, gleichmäßigen Kontakt zwischen Bürste und Kommutator

Halten Sie die Kommutatoroberfläche glatt und konzentrisch. Wenn sich auf der Oberfläche Unrundheiten, Riefen oder eine zu dicke Oxidschicht bilden, polieren Sie sie mit feinkörnigem Schleifpapier – auf keinen Fall darf ein Schleiftuch verwendet werden. Stellen Sie sicher, dass jede Bürste mit dem richtigen Abstand in ihren Bürstenhalter passt. Überwachen Sie den Bürstenverschleiß genau: Wenn die Bürsten verschleißen, verringert sich ihre Kontaktfläche mit dem Kommutator, was zu einem Anstieg der Stromdichte und der Folge einer Funkenbildung führt.

Vermeiden Sie anhaltenden Überlastbetrieb

Wenn der Motor längere Zeit über seiner Nennlast läuft, sinkt die Rotorgeschwindigkeit und die Stromaufnahme steigt – Bedingungen, die leicht zu Funkenbildung führen. Überprüfen Sie die angetriebene Last regelmäßig auf mechanische Blockaden oder Blockierungen und stellen Sie sicher, dass die Belüftung des Motors und die Wärmeableitung ausreichend bleiben.

Fazit

Kommutierungsfunken sind beim Betrieb von bürstenbehafteten Gleichstrommotoren unvermeidbar, aber mit der richtigen Konstruktion, hochwertigen Komponenten und routinemäßiger Wartung ist eine schädliche Funkenbildung vollständig vermeidbar. Die bürstenbehafteten Gleichstrommotoren von Hongyang Motor sind mit präzisionsgewickelten Ankern, hochwertigen Kohlebürsten und engen Kommutatortoleranzen ausgestattet – alles mit dem Ziel, Funkenbildung zu minimieren und die Lebensdauer zu maximieren. Ganz gleich, ob Ihre Anwendung einen kontinuierlichen Hochlastbetrieb oder eine präzise Drehzahlregelung erfordert, unser Ingenieursteam hilft Ihnen gerne bei der Auswahl des richtigen Motors für die jeweilige Aufgabe.