Общие сведения. Под коммутацией тока понимают процесс изменения на­правления тока в секции в мо­мент замыкания ее щеткой

Под коммутацией тока понимают процесс изменения на­правления тока в секции в мо­мент замыкания ее щеткой, при переходе секции из одной парал­лельной ветви в другую. Этот процесс сопровождается рядом сложных явлений. На рис.2.21. показано расположение коммути­руемых секций на якоре, на рис.2.22 - распределение токов в отдельной коммутируемой секции. Считая, что ширина щетки равна ширине коллекторной пластины и пренебрегая толщиной изоляционной прокладки между пластинами, можно прийти к выводу, что короткое замыкание секции начинается, когда набегающий край щетки соприкасается с пластиной 2 (рис. 2.22), и заканчивается спустя промежуток времени Т_к, когда пластина 1, пройдя путь, равный ширине щетки b_щ, отойдет от нее. Время Т_к назы­вается периодом коммутации. Обычно оно составляет ты­сячные доли секунды. Обозначив через V_к окружную скорость кол­лектора, получим, что спустя промежуток времени t с начала ком­мутационного процесса, щетка будет перекрывать по ширине участки коллекторных пластин b₁=V_к(T_к-t) и b₂=V_кt. При длине щетки l_щ площади соприкосновения щетки с коллекторными пластинами соответственно будут и , а полная площадь контакта ;

откуда

и

Переходные сопротивления между щеткой и коллекторными пластинами, если учесть, что контактное сопротивление обратно пропорционально площади контакта, равны

где R_щ – переходное сопротивление щетки.

Рис.2.21. Расположение коммутируемых секций на якоре

двухполюсной машины.

Контактные сопротивления R₁ и R₂ обычно значительно больше сопротивления самой секции (r) и соединительных проводников (r_c) между секцией и коллекторными пластинами, поэтому при анализе характера изменения тока в коммутируемой секции сопротивлениями r и r_c можно пренебречь. Тогда на основании второго закона Кирхгофа, для короткозамкнутого контура получим

где ∑ е – сумма э.д.с., наведенных в коммутируемой секции. В эту сумму входят э.д.с. самоиндукции и взаимоиндукции (рис.2.21.) и э.д.с. вращения от внешнего поля, имеющегося в коммутационной зоне (коммутационной зоной называется та часть поверхности якоря, в которой лежат стороны коммутируемых секций).

Рис. 2.22. Распределение токов отдельной коммутируемой

секции: 1 и 2 – пластины.

Внешнее поле в зоне коммутации создается вследствие м. д. с. реакции якоря (рис. 2.16.) и дополнительных полюсов. Результирующая э.д.с. само- взаимоиндукции называется реактивной э.д.с. вращения от внешнего поля – коммутирующей. Подставив в уравнение (2.27.) значения токов i₁ и i₂ , равные, согласно первому закону Кирхгофа (из рис.2.22.):

и

получим

После подстановки значений R₁ и R₂ из уравнений (2.25.) и (2.26.) будем иметь

откуда следует, что при ∑е=0 ток i в коммутируемой секции будет линейной функцией времени.

Такая коммутация называется линейной (рис.2.23. тонк. лин.). В этом случае плотность тока под щеткой всюду одинакова.

Рис. 2.23. Линейная (^______ ), замедленная (^{_жирн______}) и

ускоренная (- - - - -) коммутации.

Действительно, для сбегающего края щетки

плотность тока под набегающим краем

Но α₁=α₂ , следовательно, j_щ1= j_щ2.

При ∑е≠0, к току линейной коммутации будет добавляться ток:

По величине и направлению ток i _Д по отношению к току линейной коммутации зависит от величины и знака алгебраической суммы реактивной э.д.с. е _R и коммутирующей э.д.с. е _к . Согласно правилу Ленца, е _R будет задерживать изменение тока i. Вследствие этого он пройдет через нулевое значение позже, чем при линейной коммутации. Такая коммутация называется замедленной (рис.2.23.жирн. лин.). В отличие от линейной коммутации, плотность тока под щеткой при замедленной коммутации неравномерна: под сбегающим краем она больше, чем под набегающим (α_13А> α_23А).

Полярность внешнего поля устанавливается такой, чтобы е _к была направлена против е _R. Если к тому же е _к > е _R, то процесс изменения тока i ускоряется. Такая коммутация называется ускоренной (рис.2.23. штрих. лин.). Перегруженным здесь оказывается, как видно, набегающий край щетки (α_1УВ> α_2УВ). Чрезмерное увеличение плотности тока под щеткой при достаточном запасе электромагнитной энергии короткозамкнутой секции (где L _k – индуктивность секции) обусловливает появление искрения.

При этом увеличиваются износ щеток и потери, повышается температура щеточно-коллекторного узла, портится рабочая поверхность коллектора. Поэтому коммутация с искрообразованием считается неудовлетворительной. В соответствии с ГОСТ 183-55, искрение на коллекторе оценивается по степени искрения под сбегающим краем щетки согласно табл.1

Таблица 1.

Степень искрения	Характеристика степени искрения	Состояние коллектора щеток
	Отсутствие искрения (темная коммутация)	Нет почернения на коллекторе и нагара на щетках
1 ¼	Слабое точечное искрение под небольшой частью щетки
1 ½	Слабое искрение под большей частью щетки	Следы почернения на коллекторе, легко устраняемые протиранием поверхности коллектора бензином, а также следы – нагара на щетках
	Искрение под всем краем щетки. Допускается только при кратковременных толчках нагрузки и перегрузки	Следы почернения на коллекторе, не устраняемые протиранием поверхности коллектора бензином, а также следы нагара на щетках
	Значительное искрение под всем краем щетки с наличием крупных и вылетающих искр. Допускается только для моментов прямого (без реостатных ступней) включения или реверсирования машин, если при этом коллектор и щетки остаются в состоянии, пригодном для дальнейшей работы	Значительное почернение на коллекторе, не устраняемое протиранием поверхности коллектора бензином, а также подгар и разрушение щеток.

Для авиационных машин при номинальном режиме работы степень коммутации обычно не выше . Следует отметить, что, помимо электромагнитных причин, указанных выше, большое влияние на коммутацию оказывают причины потенциального и механического характера.

Среднее значение напряжения между двумя соседними пластинами коллектора

где w _c – число витков в секции.

При нагрузке вследствие поперечной реакции якоря (рис. 2.24.) оно увеличивается до

Полагая, что α≈0,7, получим

Рис.2.24. Условие для возникновения максимального напряжения

между смежными коллекторными пластинами

Согласно опытным данным, коммутация авиационных машин протекает удовлетворительно только в том случае, если U _{к. макс} ≤15…20 В. При больших напряжениям в высотных условиях изоляционная прокладка между коллекторными пластинами может быть пробита, чему способствует не только снижение там пробивного напряжения, но также и всегда имеющаяся на коллекторе металлическая и угольная пыль.

Причины искрения механического характера связаны с несовершенством коллектора и щеточного аппарата (эллиптичность коллектора; выступление отдельных пластин, вызванное нагрева­нием и центробежными силами; несбалансированность коллекто­ра; вибрация щеток в обойме и т.д.). Обычно наиболее трудно устранить электрические причины искрения.