Trong chương 1 luận văn tổng quan bản chất của quá
trình mòn vật liệu, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình mòn như: Chất lượng bề mặt, vật liệu, áp suất, tốc độ quay của động cơ, tia lửa điện, rung động .... và đưa
ra phương pháp tình mòn.
. Đặc biệt xác định được các thông số cơ bản trong nghiên cứu thực nghiệm về mòn của cặp ma sát cổ góp động cơ điện DC.
CHƢƠNG 2: MÒN CHỔI THAN, CỔ GÓP ĐỘNG CƠ ĐIỆN DC 2.1. Tổng quan động cơ điện DC
Trong mọi ngành sản xuất hiện nay, các công nghệ tiên tiến, các dây chuyền thiết bị hiên đại đã và đang thâm nhập vào nước ta.Với chính sách mở cửa của Đảng và Nhà nước, chắc chắn nền kỹ thuật tiên tiến trên thế giới sẽ ngày càng thâm nhập vào Việt Nam. Tác dụng của các công nghệ mới và nhưng dây chuyền, thiết bị hiện đại đã và đang góp phần tích cực thúc đẩy sự nghiệp công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước. Các máy điện trong mọi lĩnh vực đa phần hoạt động nhờ vào điện năng thông qua các thiết bị chuyển đổi điện năng thành cơ năng, nhiệt năng. Trong các dây chuyền hiện đại, các thiết bị máy móc khác muốn hoạt động, vận hành không thể không kể đến các động cơ điện. Do tính ưu việt của hệ thống điện xoay chiều: Để sản xuất, để truyền tải..., cả máy phát và động cơ điện xoay chiều đều có cấu tạo đơn giản và công suất lớn, dễ vận hành... mà máy điện (động cơ điện) xoay chiều ngày càng được sử dụng rộng rãi và phổ biến. Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí nhất định trong công nghiệp, trong giao thông vận tải…, và nói chung ở các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng (như trong máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện...). Mặc dù so với động cơ không đồng bộ để chế tạo động cơ điện một chiều cùng cỡ thì giá thành đắt hơn do sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp hơn. Nhưng do những ưu điểm của nó mà máy điện một chiều vẫn không thể thiếu trong nền sản xuất hiện đại.
Động cơ điện DC được phân loại theo cách kích thích từ, thành các động cơ kích thích độc lập, kích thích song song, kích thích nối tiếp và kích thích hỗn hợp. Cần chú ý rằng ở động cơ kích thích độc lập I = Iư; ở động cơ kích thích song song và hỗn hợp I = Iư + It ; ở động cơ điện kích thích nối tiếp I = Iư = It .
Trên thực tế, đặc tính cơ của động cơ kích thích độc lập và kích thích song song hầu như giống nhau nhưng khi cần công suất lớn người ta thường dùng động cơ điện kích thích độc lập để điều chỉnh dòng điện kích thích được thuận lợi và kinh
tế hơn mặc dù loại động cơ này đòi hỏi có thêm nguồn điện phụ bên ngoài. Ngoài ra động cơ điện kích thích nối tiếp cũng được sử dụng rất nhiều, chủ yếu trong ngành kéo tải bằng điện.
2.2. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
Động cơ điện một chiều gồm một khung dây abcd và 2 phiến góp được quay quanh trục của nó với tốc độ không đổi trong từ trường của hai cực nam châm N-S. Các chổi than A và B đặt cố định và tì sát vào phiến góp.
Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý của động cơ điện DC
trong khung dây abcd có dòng điện. Khung dây abcd có điện nằm trong từ trường sẽ chịu tác dụng của lực điện từ (xác định theo quy tắc bàn tay trái), sinh ra mômen làm quay khung dây. Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn ab, cd đổi chỗ cho nhau, nhưng do có phiến góp đổi chiều dòng điện, nên chiều lực tác dụng không đổi, đảm bảo chiều quay của khung dây (tức rôto) không đổi. Chỉ có vấn đề là khi mặt của cuộn dây song song với các đường sức từ trường. Nghĩa là lực quay của động cơ bằng 0 khi cuộn dây lệch 90O so với phương ban đầu của nó, khi đó Rô to sẽ quay theo quán tính. Trong các động cơ điện 1 chiều lớn, người ta có nhiều cuộn dây nối ra nhiều phiến góp khác nhau trên cổ góp. Nhờ vậy dòng điện và lực quay được liên tục và hầu như không bị thay đổi theo các vị trí khác nhau của Rô to.
Khi rôto quay, các thanh dẫn rôto cắt từ trường sẽ cảm ứng suất điện động Eư. Chiều suất điện động xác định theo quy tắc bàn tay phải. Ở động cơ, chiều suất điện động Eư ngược chiều với dòng điện Iư nên Eư được gọi là sức phản điện. Phương trình cân bằng điện áp của động cơ điện một chiều là: U = Eư + Iư Rư
2.3 Cấu tạo của động cơ điện một chiều
Hình 2.2. Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều
Stator Phần ứng từ Trục Vòng bi Cổ góp Chổi than Quạt Nắp động cơ Thân động cơ
Hình 2.3. Sơ đồ trải của động cơ điện 1 chiều
Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính: Phần tĩnh và phần động. - Phần tĩnh hay stato hay còn gọi là phần kích từ động cơ, là bộ phận sinh ra từ trường nó gồm có:
+ Nắp động cơ: Hai nắp động cơ để chứa các bộ phận bên trong và để bảo vệ, tránh các va chạm có thể xẩy ra, tránh bụi hay nước có thể văng vào bên trong. Hai nắp có các rãnh để không khí có thể vào
làm mát. Hình 2.4. Nắp động cơ
+ Vòng bi: Hai vòng bi được gắn trong hai nắp, dùng để cho phần roto quay, tránh ma sát giữa stato và roto. Hình 2.5. Vòng bi Vòng bi Vòng bi
+ Cực từ và vỏ: Vỏ của cực từ là một thùng hình khối, bên trong của nó là các nam châm cung cấp một trong hai từ trường chính của động cơ. Nam châm là lõi thép cực từ và cuộn dây được gắn trên vỏ. Vỏ của cực từ được làm bằng thép mà các đường sức từ đi qua dễ dàng. Mạch từ làm bằng thép để dẫn từ tốt
Hình 2.6. Cực từ và vỏ
- Phần quay hay rôto: Bao gồm những bộ phận chính sau. + Phần ứng: Phần ứng quay cố định
trong vỏ động cơ. Bao gồm một lõi hình trụ làm bằng các lá thép kỹ thuật điện được gắn trên trục, bề mặt ngoài của lõi có các rãnh để quấn dây, các đầu dây của phần ứng được hàn vào cổ góp. Có thêm một quạt làm mát được gắp trên trục để làm mát
các bộ phận bên trong của động cơ. Hình 2.7. Phần ứng - Cổ góp và chổi than:
Muốn có từ trường thì phải cho dòng điện DC vào phần ứng, chổi than là bộ phận dẫn điện cố định, lò xo dùng để chỉnh lực ép của chổi than lên bề mặt cổ góp. Khi roto quay chổi than cấp điện DC vào cuộn dây phần ứng thông qua tiếp xúc trượt với bề mặt cổ góp.
2.4. Ƣu nhƣợc điểm của động cơ điện một chiều
Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ điện hay máy phát điện trong những điều kiện làm việc khác nhau. Song ưu điểm lớn nhất của động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải. Nếu như bản thân động cơ không đồng bộ không thể đáp ứng được hoặc nếu đáp ứng được thì phải chi phí các thiết bị biến đổi đi kèm (như bộ biến tần....) rất đắt tiền thì động cơ điện một chiều không những có thể điều chỉnh rộng và chính xác mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng cao.
Nhược điểm chủ yếu của động cơ điện một chiều là có hệ thống cổ góp - chổi than nên vận hành kém tin cậy và không an toàn trong các môi trường rung chấn, dễ cháy nổ.
Chổi than – cổ góp yêu cầu phải truyền tải được dòng điện trong điều kiện có ma sát trượt ở tốc độ thay đổi. Trong điều kiện làm việc thực tế khác nhau như nhiệt độ cao, độ ẩm cao, bụi bẩn v.v. vấn đề ma sát, mòn của chổi than - cổ góp ảnh hưởng không nhỏ đến hoạt động bình thường của động cơ điện.
2.5. Cấu tạo chổi than & cổ góp [6] [8]
2.5.1. Chổi than
Chổi than là bộ phận quan trọng trong các động cơ điện hay máy phát điện, nó là phần tử tạo nên sự tiếp xúc điện giữa phần tĩnh và phần động của động cơ điện, nhiệm vụ chính của nó là đưa điện vào phần quay (với động cơ) hay lấy điện từ phần quay ra (với máy phát điện). Chổi than đồng thời phải làm đồng thời hai nhiệm vụ về điện và cơ trong cùng một hệ thống, nó vừa là một vật dẫn điện đồng thời cũng luôn chịu tác dụng của một lực nén làm cho luôn tỳ sát lên bề mặt tiếp xúc của cổ góp. Độ mòn của chổi than phụ thuộc vào độ bóng của bề mặt cổ góp, lực nén của lò xo, loại chổ than và công nghệ chế tạo ra chúng.
Trước đây động cơ điện DC sử dụng chổi làm từ sợi dây đồng để tiếp xúc với các bề mặt của cổ góp. Tuy nhiên, các chổi kim loại cứng có xu hướng làm xước và tạo rãnh trên các phiến của cổ góp, do đó sau một thời gian phải gia công lại bề mặt của cổ góp. Khi chổi đồng mòn, bụi và mảnh vỡ của chổi có thể nêm giữa các phiến của vành góp điện, làm ngắn mạch và làm giảm hiệu quả của thiết bị. Lưới dây đồng hoặc thép mịn tạo bề mặt tiếp xúc tốt hơn do có ít phiến bị hao mòn, tuy nhiên chổi thép mịn có giá thành cao hơn chổi đồng dạng băng hoặc dây.
Các động cơ điện hiện đại hầu như chỉ sử dụng chổi carbon, trong đó có thể trộn bột đồng để cải thiện tính dẫn điện.
Carbon: Là một hình thể khác của kim cương hoặc graphit. Carbon có thể có trong tự nhiên hoặc nhân tạo. Có thể có trong than đối, bút chì là sản phẩm của bột graphit nung. Còn trong chổi than thì thành phần chủ yếu là bột Graphit.
Đặc tính than graphite
+ Hóa tính: nhẹ, không rỉ, chịu nhiệt cao, tan chậm khi bị đốt, + Cơ tính: ma sát thấp, dễ trượt,
+ Nhiệt và điện tính: dễ truyền nhiệt và điện.
Do có đặc tính như thế nên graphite là chất liệu phù hợp nhất để làm chổi than. Chổi đồng hoặc chổi kim loại hay được sử dụng trong đồ chơi hoặc các động cơ cực nhỏ và một số động cơ hoạt động không liên tục, chẳng hạn như động cơ
khởi động ôtô.
Động cơ và máy phát điện thường xảy ra hiện tượng gọi là “phản ứng phần ứng”, một trong những ảnh hưởng của hiện tượng này là thay đổi vị trí mà tại đó hiện tượng đảo chiều dòng điện qua cuộn dây xảy ra lý tưởng khi tải thay đổi. Các máy trước đây có chổi gắn trên đai có tay cầm. Trong quá trình vận hành, cần điều chỉnh vị trí của đai chổi để điều chỉnh cổ góp nhằm giảm thiểu phát ra tia lửa ở chổi. Quá trình này được gọi là “lắc chổi”.
Tiến trình khác nhau diễn ra để tự động hóa quá trình điều chỉnh chuyển mạch và giảm thiểu hiện tượng đánh lửa trên các chổi. Một trong số tiến trình này là “chổi có điện trở lớn”, hoặc chổi làm từ một hỗn hợp bột đồng và carbon. Dù được xem là chổi có điện trở lớn, điện trở của loại chổi này theo bậc miliôm, giá trị chính xác phụ thuộc vào kích thước và chức năng của máy. Ngoài ra, chổi có điện trở lớn không có cấu tạo giống như chổi nhưng có dạng khối carbon với mặt cong để phù hợp với hình dạng của vành góp điện.
Chổi có điện trở lớn hoặc chổi carbon có kích thước đủ lớn, rộng hơn đáng kể so với phiến cách điện mà chổi kéo dài qua (trên các máy móc lớn thường có thể kéo dài qua hai phiến cách điện). Kết quả là khi các phiến của vành góp điện truyền từ dưới chổi, dòng điện chạy qua chổi giảm thông suốt hơn so với chổi bằng đồng nguyên chất có tiếp điểm điện hỏng đột ngột. Tương tự các phiến tiếp xúc với chổi tăng dòng điện. Như vậy, dù dòng điện chạy qua chổi liên tục hay không, dòng điện tức thời chạy qua hai phiến của vành góp điện tỷ lệ với diện tích tương đối tại điểm tiếp điện với chổi.
Sự ra đời của chổi carbon mang lại nhiều tiện lợi. Chổi carbon có xu hướng mòn đều hơn so với chổi bằng đồng, và carbon mềm ít gây hư hỏng các phiến của cổ góp. Hiện tượng đánh lửa cũng ít xảy ra với carbon hơn so với đồng, và khi carbon mòn đi, điện trở cao hơn của carbon dẫn đến hạn chế vấn đề từ việc thu gom bụi trên các phiến của cổ góp.
có hàm lượng đồng cao hơn hoạt động tốt hơn với điện áp rất thấp và cường độ dòng điện cao, trong khi chổi có hàm lượng carbon cao thích hợp hơn cho điện áp cao và cường độ dòng điện thấp. Chổi có hàm lượng đồng cao thường tải 150÷200 ampe trên mỗi inch vuông của bề mặt tiếp xúc, trong khi hàm lượng carbon cao hơn chỉ tải 40÷70 ampe trên mỗi inch vuông. Điện trở lớn hơn của cacbon làm giảm điện áp lớn hơn từ 0,8÷1,0 vôn mỗi điểm tiếp xúc, hoặc 1,6÷2,0 vôn trên cổ góp.
Hiện nay đã có loại chổi than tự động ngắt điện của động cơ khi mòn đến điểm giới hạn nhằm bảo vệ an toàn cho động cơ:
Chổi than tự động (automatic cut- off): là loại chổi than dùng cho máy có công xuất lớn vì nó có bô phân bảo vệ khi gần hết chổi than, cấu tạo và nguyên lý hoạt đồng của nó gồm :
Cấu tạo : bên trong chổi than nhà sản xuất tạo 1 cái lổ có đường kính khoảng 1mm, trong lổ được đặt 1 vật cách điện và 1 lò xo, phía trên được lót một lớp chắn, ngăn cách giữa lò xo và lớp bột đồng, sau đó đặt dây vào lớp bột
Hình 2.10. Cấu tạo của Chổi than tự động (automatic cut-off)
đồng rồi nén chặt lại, lúc này lò xo nằm trong chổi than luôn ở trạng thái nén.
Phân loại chổi than
Hiện nay chưa những tiêu chuẩn đầy đủ, cụ thể trong công nghiệp chế tạo chổi than để phân loại chổi than. Mỗi nhà sản xuất có một công thức riêng và cách ký hiệu riêng cho từng loại chổi than họ sản xuất, ta có thể phân loại chổi than như sau:
* Phân loại theo quá trình chế tạo và những loại vật liệu đƣợc sử dụng
- Chổi than Graphit: Được chế tạo từ graphit tự nhiên hoặc nhân tạo, được gắn kết lại bằng keo hoặc nhựa than đá tạo thành loại vật liệu chổi than có đặc tính
mềm. Graphit tự nhiên thường chứa các muội than, chúng làm cho chổi than mòn và tạo thành lớp màng bôi trơn rắn. Lớp màng của chổi than loại này sẽ có tác dụng tốt cho việc bảo vệ cổ góp.
- Chổi than Carbon Graphit: Là loại chổi than có thuộc tính cứng, vật liệu bền và hoạt động sạch, thường cho tuổi thọ chổi than cao hơn trong một vài điều kiện hoạt động nhất định. Chổi than loại này thường gây ra ma sát lớn nên hiện nay ít được sử dụng.
- Chổi than Graphit kim loại: Được chế tạo từ graphit tự nhiên và bột kim loại chộn với nhau theo tỉ lệ nhất định. Đồng là loại kim loại được sử dụng phổ biến nhất, thiếc, chì, bạc cũng có thể được sử dụng. Việc sử dụng chổi than Graphit kim loại là sự kết hợp giữa chổi than graphit và chổi kim loại. Với các đặc điểm này chổi than kim loại được sử dụng trong hầu hết các máy điện có áp lực chổi than cao, yêu cầu đảo chiều tốt.
- Chổi than điện nhiệt luyện: Được thiêu kết từ gốc dầu mỏ hoặc than cốc