Zmanjševanje hrupa v sistemu enosmernega motorja z žičkami

Če ste kdaj upravljali napravo, ki jo poganja motor s češljo DC in ste opazili nadležno žvižganje, brenčanje ali električno motnjo, že razumete, zakaj zmanjševanje hrupa predstavlja eno najpomembnejših inženirskih izzivov pri oblikovanju motorjevih sistemov. Hrup v sistemu enosmernega motorja z ogljikovimi čopiči ni le akustična nadležnost – lahko moti bližnje elektronske naprave, zniža kakovost signala v občutljivi merilni opremi, skrajša življenjsko dobo komponent in povzroča težave s skladnostjo v reguliranih okoljih. Razumevanje osnovnih vzrokov tega hrupa ter poznavanje sistematičnih načinov za njegovo odpravo sta bistvena za vsakogar, ki oblikuje, integrira ali vzdržuje aplikacije z enosmernimi motorji z ogljikovimi čopiči.

Dobra novica je, da se večina problemov z hrupom v motor s češljo DC sistemi so napovedljivi, diagnosticirani in odpravljivi z ustrezno kombinacijo mehanskih, električnih in aplikacijskih strategij. V tem članku so razloženi glavni viri hrupa, pojasnjeno je, kako se vsak tip hrupa kaže, ter podrobno opisane praktične tehnike za zatiranje hrupa na vseh nivojih sistema – od samega motorja do napajalnega naprave, razvrstitve žic in priključka obremenitve. Načela veljajo enako za vse – ali delate z majhnim modelarskim enosmernim motorjem ali z visokoobremenjenim industrijskim enosmernim motorjem z ogljikovimi ščetkami.

Razumevanje virov hrupa v enosmernem motorju z ogljikovimi ščetkami

Komutacijsko iskrenje in električni hrup

Opredeljujoča mehanska značilnost vsakega enosmernega motorja z žičkami je njegova komutatorsko-žičkasta sklopka, ki je tudi glavni vir električnega šuma. Ko se žičke drsijo po segmentih komutatorja, na visoki frekvenci prekinjajo in ponovno vzpostavljajo tok v navitjih rotorja. Ta ponavljajoče se preklopljanje ustvarja napetostne vrhove in prehodne impulze, ki se širijo nazaj skozi napajalne vode in oddajajo kot elektromagnetna motnja (EMI).

Intenzivnost iskrenja pri komutaciji je odvisna od več medsebojno povezanih spremenljivk: materiala žičk in pritiska vzmeti, stanja površine komutatorja, induktivnosti rotorja ter hitrosti, s katero mora biti tok preklopljen. Enosmerni motor z žičkami, ki je obrabljen ali napačno poravnan, običajno povzroči znatno več iskrenja kot dobro vzdrževana enota, ki deluje znotraj svojih nazivnih parametrov. Celo majhne brazgotine na komutatorju lahko neenakomerno povečajo prehodno upornost in s tem poslabšajo vzorec prehodnih vrhov.

Električni šum, ki se ustvarja na komutatorju, je razvrščen kot vodeni EMI (ki potuje po žicah) in sevajoči EMI (izsevan kot elektromagnetna valovanja). Oba tipa lahko vplivata na bližnje elektronske naprave, zmanjšata natančnost signala kodirnika, povzročita lažno sprožitev v krmilnih vezjih ter vneseta valovitost v regulirane napetostne napake. Upravljanje tega šuma na izvoru – na komutacijskem vmesniku – je vedno najučinkovitejši prvi korak pred uporabo filtriranja v nadaljnjih stopnjah.

Mehanska vibracija in zvočni šum

Poleg električnega šuma enosmerni motor z ogljikovimi krtačkami povzroča tudi mehanske vibracije in slišno zvočno emisijo prek več fizičnih poti. Ena najpogostejših vzročil je krtačkov skok: ko se krtačke odskakujejo ob neravnostih površine komutatorja, ustvarjajo ritmično mehansko vibracijo, ki se prenaša skozi ohišje motorja in v montažno konstrukcijo. Ta vibracija lahko vzbudi resonančne frekvence v podvozju ali okvirju, kar znatno poveča dojemanje šuma.

Značilni prispevki k obrabi ležajev in degradaciji maziva so tudi drugi dejavniki. Enosmerni motor z ogljikovimi ščetkami, ki deluje v neskladju, pod prekomernim radialnim obremenitvijo ali z razgradjenim mazilom za ležaje, ustvarja značilen visokofrekvenčni pisk ali brušenje. Ta vrsta hrupa se pogosto povečuje z naraščajočo vrtilno frekvenco in je zanesljiv zgodnji indikator prihajajoče odpovedi ležaja. Zgodnje odkrivanje s sistematičnim spremljanjem vibracij prepreči dragoceno nepredvideno izpadanje.

Nesimetrična porazdelitev mase armature predstavlja še en mehanski vir hrupa. Če se vrteča masa armature enosmernega motorja z ogljikovimi ščetkami ne uravnoteži pravilno, nastane na osnovni vrtilni frekvenci sila nesimetrične porazdelitve mase. To se kaže kot vibracija pri 1x RPM in, kadar se prenese na obremenitev prek togih spojk ali neustrezno zasnovanega gonilnega sistema, lahko povzroči presenetljivo glasen strukturni hrup celo pri zmernih hitrostih.

Električne tehnike za zatiranje hrupa enosmernih motorjev z ogljikovimi ščetkami

Kondenzatorji in RC dušilci na priključkih motorja

Najpreprostejši in najbolj razširjen način zatiranja vodljivega elektromagnetnega motnje v vezju enosmernega motorja z žičkami je namestitev zaobilaznih kondenzatorjev neposredno prek priključkov motorja. Keramični kondenzator z kapaciteto med 0,1 µF in 0,47 µF, ki je nameščen čim bližje priključkom enosmernega motorja z žičkami, zagotavlja pot z nizko impedanco do zemlje za visokofrekvenčne prehodne vrhove in s tem preprečuje njihovo širjenje nazaj v napajalno napravo ali krmilno elektroniko.

Za zahtevnejše aplikacije RC dušilec — upornik in kondenzator, povezana v vrsti prek motorjevih priključkov — zagotavlja boljšo dušenje induktivnih napetostnih vrhov, ki nastanejo, ko se stik ščetk za trenutek prekine. Upornik preprečuje, da bi kondenzator deloval kot čisto reaktivna obremenitev, kar bi sicer lahko povzročilo zvonjenje ali nihanje pri določenih frekvencah. RC dušilci so posebno koristni, kadar se enosmerni motor s ščetkami pogosto vklopi in izklopi z PWM regulatorjem, saj valovna oblika vklop/izklop dodatno obremenjuje komutacijsko mejo.

Poleg tega namestitev majhnih induktorjev (feritnih perel ali navitih zavirk) v vrsti z vsako motorjevo priključno žico deluje kot visokofrekcenčni filter, ki preprečuje širjenje prehodnih vrhov brez vpliva na enosmerni delovni tok. Kombinacija vrstnega zavirnika na vsaki priključni žici in vzporednega kondenzatorja proti zemlji tvori LC nizko-frekcenčni filter — eno najučinkovitejših konfiguracij za nadzor elektromagnetnih motenj (EMI) pri enosmernih motorjih s ščetkami v aplikacijah z omejenim prostorom.

Zaščita, ozemljitev in razporeditev žičnega omrežja

Sevanje elektromagnetnih motenj (EMI) iz enosmernega motorja z ogljikovimi krtačami se lahko znatno zmanjša z ustreznimi ukrepi za zaščito in ozemljitev. Zaščitni kabelski vodi motorja, pri katerih je pletenka ali folijska zaščita priključena na ohišje motorja le na enem koncu, preprečujejo, da bi se sevajoče polje sklopilo v sosednje signalne kablane. Ključnega pomena je, da se priključek zaščitne ozemljitve izvede na eni sami točki – običajno na strani regulatorja –, da se izognejo nastanku ozemljitvenih zank, ki lahko dejansko poslabšajo vnos motenj v občutljive vezje.

Fizična ločitev med napotnimi kabelskimi vodi enosmernega motorja z ogljikovimi krtačami in nizkonapetostnimi signalnimi vodi je ena najcenejših ukrepov za zmanjševanje motenj. Vlečenje napotnih in signalnih kablov vzporedno na dolgih razdaljah povzroča induktivno in kapacitivno sklopitev. Kjer fizična ločitev ni mogoča, prekrižanje napotnih in signalnih kablov pod kotom 90 stopinj znatno zmanjša sklopitev v primerjavi z vzporednim vlečenjem.

Posebna, nizkoimpedančna povezava ohišja enosmernega motorja z ozemljitvijo šasije je enako pomembna. Plavajoča ohišja motorjev nabirajo naboj zaradi neželenega kapacitivnega sklopljanja, ki se nato nepredvidljivo razbije v okoliški sistem. Povezava ohišja motorja neposredno z ozemljitvijo sistema s kratkim, debelim vodnikom zmanjša ta učinek in zagotovi referenčno točko, da delujejo kondenzatorji za potiskanje šuma učinkovito.

Strategije mehanskega zmanjševanja šuma

Vzdrževalne prakse za krtačke in komutator

Ohranjanje čistote, gladkosti in ustrezne pripravljenosti površine komutatorja je najučinkovitejši mehanski ukrep za zmanjševanje šuma krtačk v enosmernem motorju z izmeničnim tokom. Nova nameščena krtačka zahteva obdobje prilagajanja, med katerim se kontaktne površine krtačke prilagodijo ukrivljenosti komutatorja. Delovanje motorja pri znižani obremenitvi med tem obdobjem zmanjša iskrenje in hitreje vzpostavi optimalno geometrijo stika, kar vodi do tišjega dolgoročnega delovanja.

Čiščenje komutatorja naj se izvaja občasno z ustrezno orodji — običajno kamnom za komutator ali mehko brušilno krpo s finim zrnatom — za odstranitev nabranih ogljikovih usedlin in oksidacije. Gladka, rahlo polirana površina komutatorja z nedotaknjenimi izrezki mika med segmenti zagotavlja enakomeren električni stik in znatno zmanjšuje mehanske impulze, ki se pretvarjajo v akustični šum. Nikoli ne uporabljajte abrazivnih materialov, ki spremenijo okroglost komutatorja ali prekomerno odstranijo osnovni bakreni material.

Za tlak vzmeti čistilke je potrebna natančna kalibracija. Prešibek tlak vzmeti povzroča neenakomeren stik in močno iskrenje; prevelik tlak pospeši obrabo ter poveča trenje, ki povzroča toploto in vibracije. Vsaka konstrukcija enosmernega motorja s čistilkami določa optimalno območje kontaktne sile čistilk; ohranjanje znotraj tega območja zagotavlja najnižjo dosegljivo raven šuma na prehodu komutacije skozi celotno življenjsko dobo čistilk.

Izolacija vibracij in konstrukcija namestitve

Cel celo dobro vzdrževan enosmerni električni motor z naščopčenimi žičkami povzroča določeno raven mehanske vibracije, ki jo je treba na priključni površini nadzorovati. Protivibracijski nosilci – elastični izolatorji, nameščeni med osnovo motorja in konstrukcijskim okvirjem – odcepijo vibracije motorja od podvozja in s tem preprečijo njihovo ojačitev zaradi rezonance. Izbor ustrezne togosti izolatorja zahteva poznavanje prevladujoče frekvence vibracij, ki je običajno osnovna frekvenca vrtanja (RPM) in njeni harmoniki.

Nagibni sklopki med izhodnim gredjo enosmernega električnega motorja z naščopčenimi žičkami in pogonskim bremenom opravljajo dvojno funkcijo: izravnajo manjše nesračenosti gredi ter absorbirajo torzijske vibracijske impulze, ki bi sicer prešli v mehanizem bremena in povzročili sekundarno hrup. Sklopki z zobati (z gumijastimi vstavki iz poliuretana), diskasti sklopki in žičasti sklopki ponujajo različne stopnje torzijske gibljivosti in jih je treba izbrati glede na torzijski profil posamezne uporabe enosmerne električne motorja z naščopčenimi žičkami.

Strukturne resonančne frekvence v nosilni konstrukciji lahko celo majhne motorne vibracije povečajo v opazno akustično motnjo. Enostavno udarčno preizkušanje ali pregled vibracijskih frekvenc lahko identificira resonančne frekvence v nosilni strukturi. Povečanje togosti okvirja, dodajanje dušilne mase ali premik točke pritrditve na vozliščno lego lahko odpravi te resonančne učinke povečanja brez potrebe po kakršnih koli spremembah samega enosmernega motorja z žičkami.

Zmanjševanje hrupa na nivoju pogona in nadzora

Izbira frekvence PWM in filtriranje

Ko je enosmerni motor z ozobjem reguliran z gonilnikom s širino impulzov (PWM), ima frekvencna hitrost preklopa gonilnika neposreden vpliv na zvočne in električne motnje. Nizke PWM frekvence — običajno pod 20 kHz — spadajo v človeško slušno območje in povzročajo razločen tonski žvižg iz navitja in jedra motorja. Povišanje PWM frekvence preklopa nad 20 kHz premakne ta ton izven slušnega območja, kar učinkovito odpravi akustični del, hkrati pa lahko povzroči višjefrekvenčne elektromagnetne motnje, na katere je treba pozornost nameniti pri načrtovanju filtrov.

Pri višjih frekvencah preklopa se tokovni valovanji skozi navitja enosmernega motorja z žičkami zmanjšata, ker ima induktivnost navitja več časa za izravnavo toka med impulzi. Nižje tokovno valovanje pomeni manjšo spremembo sile stika žičk in intenzitete iskrenja žičk, kar neposredno zmanjša tako električne kot mehanske komponente hrupa. Vendar se izgube zaradi preklopa v pogonu povečujejo z naraščajočo frekvenco, zato je treba doseči ravnovesje na podlagi toplotnih in učinkovitostnih omejitev določene kombinacije pogona in enosmernega motorja z žičkami.

Dodajanje izhodnega filtra med PWM gonilnikom in enosmernim motorjem z žičkami — običajno majhnim LC nizko-frekvenčnim filtrom — pretvori PWM valovno obliko v gladko, skoraj čisto enosmerno tokovno valovno obliko na priključkih motorja. To znatno zmanjša iskrenje, povzročeno s tokovnim utripanjem, zniža toplotno obremenitev komutatorja in zmanjša sevanje elektromagnetnih motenj (EMI) iz motorja kabla. Izhodni filtri so še posebej koristni v natančnih aplikacijah, kjer je integriteta signala kodirnika ali nizka zvočna raven glavni zahtevek.

Kakovost napajalnika in odvzemanje

Kakovost napajalnega napetostnega vira, ki oskrbuje sistem enosmernega motorja z žičkami, vpliva na šum v obeh smereh. Napetostni vir z visoko izhodno impedanco pri visokih frekvencah omogoča, da se prehodni vrhovi, ki jih povzroča komutacija, širijo nazaj in motijo druge obremenitve na isti napetostni tir. Dodajanje večjih elektrolitskih kondenzatorjev na izhodu napetostnega vira skupaj z manjšimi keramičnimi zaobilaznimi kondenzatorji, postavljenimi bližje stopnji motorja, ustvari večplastno razvezano omrežje, ki absorbira prehodne pojave v več frekvenčnih območjih.

Za uporabo v aplikacijah z izvirno enosmernimi motorji, ki so občutljive na šum, so prednostne regulirane napajalne naprave z aktivnim zavrnitvijo šuma pred preprostimi nereguliranimi napajalnimi napravami s transformatorjem in enosmernikom. Linearni regulatorji, čeprav so manj učinkoviti od preklopnih regulatorjev, ponujajo naravno nižji izhodni šum in se pogosto izbirajo za končno stopnjo natančnih gonilnih vezij za izvirne enosmerne motorje, kjer je elektromagnetna čistota pomembnejša od učinkovitosti. Če se uporabljajo preklopni regulatorji, je treba njihov lasten preklopni šum skrbno nadzorovati z izhodnim filtriranjem in discipliniranim postopkom razporeditve, da se izognemo dodatnemu viru šuma v sistemu.

Pogosto zastavljena vprašanja

Zakaj moj izvirni enosmerni motor proizvaja več šuma pri določenih hitrostih?

Sprememba hrupa s hitrostjo pri enosmernem motorju z žičkami je običajno povezana z učinki resonance, spremembami frekvence komutacije ali obnašanjem ležajev. Pri določenih vrednostih vrtljivosti se frekvence komutacije ali njene harmonike lahko ujemajo z mehansko resonanco ohišja motorja ali nosilne konstrukcije, kar povzroči ojačanje hrupa pri tej hitrosti. Poleg tega se hrup ležajev pogosto postopoma povečuje z naraščajočo hitrostjo, kadar je mazanje na robu učinkovitosti. Določitev točne hitrosti, pri kateri hrup doseže vrh, in njeno primerjavo z izračunanimi resonančnimi frekvencami pomaga natančno določiti osnovni vzrok.

Ali lahko uporabim kateri koli kondenzator za zatiranje hrupa enosmernega motorja z žičkami?

Niso vsi kondenzatorji enako učinkoviti za zatiranje šuma pri enosmernih motorjih z žičkami. Keramični kondenzatorji z dielektrikom X7R ali X5R so za visokofrekvenčne obvodne naloge prednostni, saj ohranjajo svojo vrednost kapacitete na širokem frekvenčnem obsegu in imajo nizko ekvivalentno zaporedno upornost (ESR). Elektrolitski kondenzatorji, čeprav so uporabni za shranjevanje večje količine energije in filtriranje na nizkih frekvencah, so na splošno prepočasni pri frekvenčnem odzivu, da bi učinkovito obvladovali hitre prehodne vrhove, ki jih povzroča komutacijsko preklopovanje v sistemu enosmernega motorja z žičkami.

Kolikokrat je treba pregledati žičke enosmernega motorja z žičkami?

Intervali pregleda krtač na enosmernem motorju z razdelilno komutatorjem močno зависijo od obratovalnega cikla, obremenitve in obratovalnega okolja. Pri industrijskih aplikacijah z neprekinjenim obratovanjem je splošno priporočilo, da se krtače pregledujejo vsakih 500 do 1.000 obratovalnih ur ali kadarkoli se opazi znatno povečanje zvočnega šuma ali iskrenja. Krtače je treba zamenjati, ko se izrabijo približno na eno tretjino njihove izvirne dolžine ali če se na stični površini pojavijo znaki neenakomernega obrabe, razpok ali kontaminacije. Proaktivno vzdrževanje krtač je eden najučinkovitejših načinov za ohranjanje nizkega ravni šuma v celotnem življenjskem ciklu enosmerne motorja z razdelilno komutatorjem.

Ali zmanjšanje napetosti pri obratovanju enosmerne motorja z razdelilno komutatorjem zmanjša šum?

Delovanje enosmernega motorja z žičkami pri znižani napetosti na splošno zmanjša hrup v določeni meri, predvsem ker manjši tok zmanjša intenzitetno iskrenje pri komutaciji in zmanjša mehanske sile, ki delujejo na stik žičk. Vendar ta pristop prinaša tudi slabosti: znižana napetost pomeni znižano vrtilno hitrost in navor, kar v aplikacijah, kjer je ključna zmogljivost, morda ni sprejemljivo. Boljša strategija je delovanje enosmernega motorja z žičkami pri njegovi nazivni napetosti znotraj določenega obsega obremenitve ter zmanjševanje hrupa z namenskimi tehnikami potiskanja namesto z zniževanjem napetosti, saj to zaduši zmogljivost motorja brez rešitve osnovnih mehanizmov nastanka hrupa.