Müra vähendamine teie püsivoolumootori süsteemis

Kui te olete kunagi kasutanud masinat, millele on energiat andnud katt DC motor ja olete märganud ärritavat hüüdmist, summutust või elektrilist häiret, siis te juba teate, miks müra vähendamine on üks olulisemaid inseneritehnilisi väljakutsusid mootrisüsteemi projekteerimisel. Müra puhul põhjustab püsivoolumootori süsteem mitte lihtsalt akustilist ebamugavust — see võib häirida ümbruskonnas asuvaid elektroonikaseadmeid, halvendada signaali kvaliteeti tundlikus mõõteseadmes, lühendada komponentide eluiga ning tekitada vastavust probleeme reguleeritud keskkonnas. Selle müra põhjuseid aru saamine ja nende süstemaatiline kõrvaldamine on oluline kõigile, kes projektivad, integreerivad või hooldavad püsivoolumootorite rakendusi.

Hea uudis on see, et enamik müraprobleeme puhul katt DC motor süsteemid on ettearvatavad, diagnoositavad ja parandatavad õige mehaaniliste, elektriliste ja rakendustaseme strateegiate kombinatsiooniga. Selles artiklis analüüsitakse müra peamisi allikaid, selgitatakse, kuidas iga tüüpi müra ilmneb, ning läbitakse praktilised tehnikad selle surumiseks süsteemi igas tasandis – alates mootorist endast kuni toiteallikani, juhtmete paigutuseni ja koormuse ühenduseni. Kas te töötate väikese hobitaseme üksusega või kõrgtsüklilise tööstusliku püsivoolumootoriga, kehtivad need põhimõtted ühtlaselt kogu valdkonnas.

Püsivoolumootori kommutatsioonimüra allikate mõistmine

Kommutatsioonihülgamine ja elektriline müra

Mis tahes pidevvoolumootori määrav mehaaniline omadus on selle kommutaator- ja küünarnõelakogum, mis on samuti peamine elektrilise müra allikas. Kui küünarnõelad liuguvad kommutaatorisegmentide üle, katkestavad ja taastavad nad armatuuri mähiste voolu kõrgel sagedusel. See korduv lülitamine teeb pingetippe ja üleminekupulsse, mis levivad tagasi toitejuhtmete kaudu ja kiirguvad elektromagnetilise häiresignaalina (EMI).

Kommutatsioonihüppamise tõsidus sõltub mitmest omavahel seotud muutujast: puhastusmaterjalist ja sprihivõimust, kommutaatori pinnaseisundist, armatuuri induktiivsusest ja voolu lülitamise kiirusest. Kulunud või valesti paigaldatud püsivvoolu mootor teeb tavaliselt oluliselt rohkem hüppamist kui korralikult hooldatud üksus, mis töötab oma nimiväärtuste piires. Isegi väike kommutaatori sügavdus võib ebakorrapäraselt suurendada kontakttakistust, halvenedes üleminekulainete musterit.

Kommutaatoris tekkiv elektriline müra liigitatakse juhtitud EMI-ks (mis levib juhtmete kaudu) ja kiiratud EMI-ks (mis emitteeritakse elektromagnetiliste lainetena). Mõlemat tüüpi müra võib mõjutada lähedal asuvaid elektroonikaseadmeid, halvendada kodeeri signaali usaldusväärsust, põhjustada vale käivitusjuhtumite tekkimist juhtimisahelates ning tekitada ripletust reguleeritud toitepingeallikates. Selle müra kõrvaldamine allikas – kommutatsiooni liides – on alati tõhusaim esimene samm enne allavoolu filtrite rakendamist.

Mehaaniline vibratsioon ja akustiline müra

Elektrilise müra lisaks teeb püsivtoomotor ka mehaanilist vibratsiooni ja kuuldavat heli mitme füüsilise teekonna kaudu. Üks levinumaid põhjuseid on puhastite värin: kui puhastid hüpplevad kommutaatori pinnal olevate ebaregulaarsustega, tekib rütmiline mehaaniline vibratsioon, mis edastub mootori korpusesse ja monteerimiskonstruktsiooni. See vibratsioon võib äratada laeva või raami resonantsisagedusi, suurendades tajutavat müra oluliselt.

Ka põhjustavad oluliselt kullerite kulutumine ja lubrikaadi kvaliteedi halvenemine. Kui püsivvoolumootor töötab valesti joondatud, liiga suure radiaalkoormusega või halvenenud kullerite õliga, teeb see erilise kõrgsagedusliku vihise või rugeva heli. Seda tüüpi müra tavaliselt suureneb pöörlemiskiirusega ja on usaldusväärne varajane märk iminentses kullerite katkemises. Selle varajane tuvastamine tavalise vibratsioonijälgimisega takistab kallist planeerimata seiskumist.

Armatuuri tasakaalutusloomine teeb kaasa veel ühe mehaanilise müra tekkemehhanismi. Kui püsivvoolumootori armatuuri pöörlev mass ei ole korralikult tasakaalustatud, tekib põhiline pöörlemisfrekventsusel pöörlev tasakaalutusjõud. See ilmneb vibratsioonina 1x pöörlemiskiiruse (RPM) juures ning kui see edastatakse koormusele jäigas ühendusliideses või valesti projekteeritud käigukastis, võib see tekitada üllatavalt valju struktuurimüra isegi mõõdukate kiiruste juures.

Elektrilised summutustehnikad püsivoolumootori müra vähendamiseks

Kondensaatorid ja RC-vaigistid mootori terminalidel

Lihtsaim ja kõige sagedamini kasutatav lähtuvate juhtunud EMI (elektromagnetilise ülekande) vähendamise meetod puhastatud alalisvoolumootori ahelas on ülekanne kondensaatorite kasutamine otse mootori terminaalide vahel. Keraamiline kondensaator vahemikus 0,1 µF kuni 0,47 µF, mis paigutatakse füüsiliselt võimalikult lähedale puhastatud alalisvoolumootori terminaalidele, tagab madala takistusega teekonna maandusele kõrgsageduslike ajutiste tippude jaoks ning takistab nende tagasipääsu toiteallikasse või juhtimisahelatesse.

Nõudlikumate rakenduste jaoks pakub RC-vaigistuslülitus — takisti ja kondensaator, mis on ühendatud jadamisi mootori terminalide vahel — paremat induktiivsete pingetipude vaigistust, mis tekivad, kui puhastaja kontakt katkeb ajutiselt. Takisti takistab kondensaatori toimimist puhta reaktiivse koormusena, mis võiks teatud sagedustel põhjustada ringlust või võnkumist. RC-vaigistuslülitused on eriti väärtuslikud siis, kui puhastajaga alalisvoolu mootorit lülitatakse sageli PWM-regulaatori abil, kuna lülituslaine koormab kommutatsiooni liidest loomupäraselt veelgi rohkem.

Lisaks põhjustab väikeste induktiivsuste (ferritkuulid või keerdunud takistid) paigaldamine igasse mootori juhtmesse kõrgsageduslikku filtrit, mis takistab üleminekulainete levikut ilma mõjutamata alalisvoolu töökorraldusvoolu. Iga juhtmele paigaldatud jadamisi takisti ja maandusega paralleelselt ühendatud kondensaator moodustavad LC-alumise-sageduse filtri — ühe tõhusamaime konfiguratsioonide hulka puhastajaga alalisvoolu mootori elektromagnetilise häiringu kontrollimiseks ruumipiiratud rakendustes.

Ekraanumine, maandamine ja juhtmete paigutus

Puhastatud alalisvoolumootori kiirgatavat elektromagnetilist häiret saab oluliselt vähendada õige ekraanumise ja maandamisega. Ekraanitud mootorijuhtmed, kus põimitud või fooliumekraan on ühendatud mootori korpusega ainult ühes otsas, takistavad kiirgatava välja ülekandumist naaber signaaljuhtmetele. On kriitiliselt tähtis, et ekraani maandusühendus tehtaks ühes kohas – tavaliselt kontrolleri otsas –, et vältida maanduslõike teket, mis võib tegelikult halvendada häirete sattumist tundlikkustesse ahelatesse.

Puhastatud alalisvoolumootori võimsusjuhtmete ja väikese pingega signaaljuhtmete füüsiline eraldamine on üks kõige kuluefektiivsemaid häirete vähendamise meetmeid. Pikkade vahemaa pärast paralleelselt paigutatud võimsus- ja signaaljuhtmed soodustavad induktiivset ja mahuliseid ülekandeid. Kui füüsiline eraldamine pole võimalik, vähendab võimsus- ja signaaljuhtmete ristumine 90-kraadise nurga all oluliselt ülekannet võrreldes paralleelse paigutusega.

Eraldi, madala takistusega laagri maandusühendus puhastatava voolu mootori korpusele on sama oluline. Ujuvad mootoriraamid koguvad laadu juhuslikust kondensaatorlikust ühendusest, mis seejärel laeb end ära eelprognoosimatult ümbritsevasse süsteemi. Mootoriraami otsene ühendamine süsteemi maandusega lühikese, paksu juhtmega vähendab seda efekti ja tagab suppressioonikondensaatoritele viitepunkti, et nad töötaksid tõhusalt vastu.

Mehaanilise müra vähendamise strateegiad

Puhastatava voolu mootori küüniste ja kommutaatori hoolduspraktikad

Kommutaatori pinnatäpselt puhastamine, siledaks tegemine ja õige kuumutamine on üksikult kõige mõjukam mehaaniline sekkumine puhastatava voolu mootori küüniste müra vähendamiseks. Hiljuti paigaldatud küünis nõuab käivitusperioodi, mille jooksul küünise kontaktipind kohandub kommutaatori kõverusega. Selle perioodi jooksul mootori väiksemal koormusel käivitamine vähendab särkamist ja aitab kiiremini saavutada optimaalse kontaktgeomeetria, mis tagab vaiksema pikaajalise töö.

Kommutaatori puhastamine tuleks teha perioodiliselt sobivate tööriistadega — tavaliselt kommutaatorikiviga või peeneteralise poliirikummiga — et eemaldada kogunenud süsinikuasetused ja oksüdatsioon. Sileda, veidi poliiritud kommutaatori pind koos säilinud mika alamkärpimisega segmendi vahel tagab püsiva elektrilise kontakti ja vähendab oluliselt mehaanilisi impulsse, mis teisenevad akustiliseks müraga. Ärge kunagi kasutage abrasiivseid materjale, mis muudavad kommutaatori ümardust või eemaldavad liialt alusmaterjalina olevat vaske.

Koontsulgede vedru surve nõuab täpselt kalibreerimist. Liiga väike vedru surve põhjustab ebaregulaarset kontakti ja tugevat sähveldust; liiga suur surve kiirendab kulutumist ning suurendab hõõrdumisest tingitud soojuse ja vibratsiooni teket. Iga koontsulgedega alalisvoolumootori konstruktsioon näeb ette optimaalse koontsulge kontaktjõu vahemiku, ja selle vahemiku järgimine tagab kõige madalama saavutatava müra taseme kommutatsiooni liideselt koontsulgede kasutusaja jooksul.

Vibratsioonisolatsioon ja paigalduskonstruktsioon

Isegi hästi hooldatav püsivoolumootor teeb teatud taseme mehaanilist vibreerimist, mida tuleb kinnituspinnas haldada. Vibraatsioonitõkestusklambrid — elastomeerilised isoleerijad, mis paigutatakse mootori alusplaat ja konstruktsiooniraam vahele — eraldavad mootori vibreerimise laastast, takistades selle resonantsi teel tugevnemist. Õige isoleerija jäikuse valik nõuab domineeriva vibreerimissageduse teadmist, mis on tavaliselt põhisagedus (pöörlemiskiirus minutis) ja selle üleharmonilised sagedused.

Püsivoolumootori väljundtelje ja juhitava koorma vahel asuvad paindlikud teljeühendused täidavad kahte ülesannet: nad kompenseerivad väikseid telje kõrvalekalle ja neelduvad pöördvõntevibratsiooni impulssid, mis muul juhul edastuksid koormamehanismi ja tekitaksid sekundaarset müra. Käppudega ühendused polüuretaanist „paagistega“, kettaga ühendused ja kiirgühendused pakuvad erinevat tase pöördvõnte paindlikkust ning nende valik tuleb teha konkreetse püsivoolumootori rakenduse pöördmomendi profiili põhjal.

Konstruktsiooniliste resonantside esinemine paigaldusraamis võib isegi väikese intensiivsusega mootorivibratsiooni tugevdada oluliseks akustiliseks mürgaks. Lihtne koputustest või vibratsioonisageduse skaneerimine võimaldab tuvastada toetuskonstruktsioonis olevad resonantsagedused. Raami jäikuse suurendamine, summutavate masside lisamine või kinnituspunkti ümberpaigutamine sõlmpunkti võib need resonantsilised tugevdamise efektid kõrvaldada ilma, et oleks vaja teha mingisuguseid muudatusi püsuvoolumootoris ise.

Juhtimis- ja regulaatoritaseme müra vähendamine

PWM-sageduse valik ja filtrite kasutamine

Kui pidevvoogumootorit juhib impulsslaiuse reguleerimise (PWM) juhtseade, siis juhtseadme lülitussagedus mõjutab otseselt kuuldavat ja elektrilist müra. Madalad PWM-sagedused — tavaliselt alla 20 kHz — jäävad inimese kuulmisvahemikku ja tekitavad mootori pöördmähise ja südamiku kaudu selge toonilise vihisesoone. PWM-lülitussageduse tõstmine üle 20 kHz viib selle tooni kuulmise piiridest välja, mis tähendab akustilise komponendi tõhusat kaotamist, kuid võib samas tekitada kõrgema sagedusega elektromagnetilist häiringut, millele tuleb filtri projekteerimisel erilist tähelepanu pöörata.

Kõrgematel lülitussagedustel väheneb pidevavoolumootori mähiste läbiv voolupulsatsioon, kuna mähiste induktiivsusel on rohkem aega voolu siledamaks muuta impulsside vahel. Madalam voolupulsatsioon tähendab väiksemat muutuvat kontaktjõudu ja küünarite hõõrdumise intensiivsuse vähenemist, mis vähendab otseselt nii elektrilisi kui ka mehaanilisi müragaasi. Siiski suurenevad juhtme lülituskaod sagedusega, seega tuleb leida tasakaalustatud lahendus, mis arvestab konkreetse juhtme ja pidevavoolumootori kombinatsiooni soojus- ja tõhususpiiranguid.

Väljundfiltri lisamine PWM-drivere ja püsivoolumootori vahel — tavaliselt väike LC-alakeeruline filter — teisendab PWM-lainekuju sujuvamaks, peaaegu puhtaks alalisvooluliseks voolulaineks mootori kontaktides. See vähendab oluliselt vooluhüppesid põhjustavat sädemeid, vähendab kommutaatori soojuskoormust ja vähendab mootorikaablist kiiratavat elektromagnetilist häiret (EMI). Väljundfiltreid kasutatakse eriti täpsusrakendustes, kus enkooderi signaali terviklikkus või madal kuuldav müra on esmatähtis.

Toitepinge kvaliteet ja dekoopling

Püsivoolumootori süsteemi toitepinge kvaliteet mõjutab müra mõlemas suunas. Kõrgesagedusel kõrga väljundtakistusega toiteallikas võimaldab kommutatsioonist tekkivateid üleminekupiike tagasi levima ja segada teisi koormaid samal toitejuhikel. Suurte elektrolüütiliste kondensaatorite lisamine toiteallika väljundisse koos väiksemate keramiikalisest üleliitumiskondensaatoritega mootorijuhtimisastme lähedal loob mitmekihilise dekooplinguvõrgu, mis neelab üleminekupiigid mitmes sagedusvahemikus.

Reguleeritud toiteallikad aktiivse müra tagasilükkamisega on eelistatud lihtsatele reguleerimata transformaatori-ja-retseptoritootjatele müra tundlikutes püsuvoolu mähisega mootorirakendustes. Lineaarsed regulaatorid, kuigi vähem tõhusad kui lülitusregulaatorid, pakuvad loomupäraselt madalamat väljundmüra ja neid valitakse sageli täpsuslike püsuvoolu mähisega mootorijuhtimisahelate viimaseks etapiks, kus elektromagnetiline puhasolu ületab tõhususe nõuded. Kui kasutatakse lülitusregulaatoreid, tuleb nende enda lülitusmüra hoolikalt hallata väljundfiltreerimise ja paigaldusdisipliini abil, et vältida süsteemi teise müraallika lisamist.

KKK

Miks teeb mu püsuvoolu mähisega mootor teatud kiirustel rohkem müra?

Müra muutumine kiirusega pidevvoolumootoris on tavaliselt seotud resonantsnähtustega, kommutaatorikiiruse muutustega või kullerite käitumisega. Teatud pöörlemiskiirusel (RPM) võib kommutaatorisagedus või selle ülesõnad kokku languda mootori korpuse või paigalduskonstruktsiooni mehaanilise resonantsiga, mis põhjustab müra suurenemist selles kiirusrežiimis. Lisaks suureneb kullerite tekitatud müra sageli järk-järgult kiiruse kasvamisel, kui lubrikatsioon on piiriline. Müra maksimumkiiruse täpsustamine ja selle võrdlemine arvutatud resonantsagedustega aitab tuvastada probleemi juurpõhjust.

Kas saan kasutada igasugust kondensaatorit pidevvoolumootori müra surumiseks?

Mitte kõik kondensaatorid ei ole ühtemoodi tõhusad puhutud alaldusmootori müra summutamisel. Kõrgsageduslikuks üleliitumiseks on eelistatud keramiikakondensaatorid X7R- või X5R-dielektrikuga, sest nad säilitavad oma mahtuvusväärtuse laialdasel sagedusvahemikul ja nende ekvivalentne jadamiseeritakse (ESR) on madal. Elektrolüütilised kondensaatorid, mida kasutatakse suurte energiakoguste salvestamiseks ja madalsageduslikuks filtritegemiseks, reageerivad üldiselt liiga aeglaselt, et toime tulla kiirete ajutiste tippudega, mida teeb puhutud alaldusmootorisüsteemis kommutaatorisüsteemi lülitamine.

Kui sageli tuleb puhutud alaldusmootoris külastada küünaraid?

Puhaste kontrollimise intervallid puhastega alalisvoolumootoris sõltuvad suuresti kasutusrežiimist, koormusest ja töökeskkonnast. Pidevkasutuses olevates tööstuslikutes rakendustes on üldine juhis kontrollida puhasteid iga 500–1000 töötunniga või iga kord, kui kuuldav müra või sähvatus suureneb märgatavalt. Puhasteid tuleb vahetada, kui nad on kulunud umbes ühe kolmandiku originaalpikkusest või kui puhaste kontakttasandil on näha ebavõrdset kulumist, pragusid või saastumist. Proaktiivne puhaste hooldus on üks tõhusamaid viise, kuidas säilitada madalat müranivoot puhastega alalisvoolumootori kogu kasutuseluea jooksul.

Kas puhastega alalisvoolumootori töötamine madalamal pingeil vähendab müra?

Püsivoolumootori töötamine vähendatud pinge all vähendab üldiselt müra mõnda määral, peamiselt sellepärast, et väiksem vool vähendab kommutaatoris tekkiva süüte tugevust ja vähendab mehaanilisi jõude, mis mõjutavad puhurite kontakti. Siiski kaasnevad sellega ka kompromissid: vähendatud pinge tähendab vähendatud kiirust ja pöördemomenti, mis võib olla vastuvõetamatu kriitilistes rakendustes, kus nõutakse suurt jõudlust. Parem strateegia on püsivoolumootori töötamine selle nimipingel tema määratud koormusvahemikus ning müra vähendamine eraldi summutustehnikatega, mitte pinget alandades – see viib mootori võimaluste kaotamiseni ilma lahendamata müra tekke põhjustavaid mehhanisme.