Под щетками на коллекторе происходит искрообразование, способное вызвать быстрое разрушение коллектора из-за высокой температуры искры, которая способна разрушить металлы и сплавы. Поэтому для увеличения срока службы машины постоянного тока необходимо устранить искрение под щетками, так как искры быстро разрушают пластины коллектора и щетки.
Среди причин искрообразования можно выделить механические и электрические. Среди механических причин основной является ухудшение контакта коллектора со щетками, что возникает вследствие неровности коллектора, дрожания щеток и т. п.
Электрической причиной является неудовлетворительная коммутация. Коммутация — это совокупность явлений при изменении направления тока в секциях обмотки якоря в течение замыкания щетками этих секций накоротко.
Когда пластины коллектора с присоединенными к ним концами секции замкнуты щеткой накоротко, секция переходит из одной параллельной ветви обмотки в другую. Процесс коммутации можно рассмотреть на примере обмотки кольцевого якоря.
Отрезок времени, когда секция обмотки вращающегося якоря замыкается щеткой, называется периодом коммутации Т. В течение этого времени сила в секции изменяет направление на противоположное (с + I до – I).
С увеличением скорости вращения якоря и с уменьшением ширины щетки bщ период коммутации уменьшается. Если бы в секции коммутирования не происходило индукции, то процесс коммутации тока в секции был бы определен только соотношениями переходных сопротивлений контактов щетки с двумя пластинами коллектора. Одна пластина постепенно уходит из-под щетки, а вторая заходит под нее. Будем считать, что шири- на щетки не превышает ширины одной коллекторной пластины, и не будем учитывать малые сопротивления проводников, которые соединяют обмотку якоря с коллектором.
В процессе коммутации щетка прикасается к двум пластинам коллектора, образуя два переходных сопротивления. Каждое из этих сопротивлений больше сопротивления контакта щетки Rщ, так как площадь соприкосновения щетки с пластиной не больше, чем в случае, когда щетка стоит на одной пластине, а переходное сопротивление обратно пропорционально площади контакта.
Получаем, что переходное сопротивление R1 в контакте с пластиной, которая уходит из-под щетки, возрастает в процессе коммутации и достигает бесконечности в конце периода коммутации. В момент времени t = 0 получаем i = I, в момент времени t = Т (конец коммутации) получим i = –I. Такой вид коммутации называется прямолинейной, или равномерной, коммутацией. При таких условиях плотность тока под всей щеткой одинакова и не изменяется во время коммутации, вследствие чего отсутствуют коммутационные причины искрения. При реальных условиях щетка перекрывает более двух коллекторных пластин, однако это фактически не меняет линейного характера процесса коммутации, если в коммутируемой секции нет индуктированных э. д. с.
Но возникновения э. д. с. самоиндукции в коммутируемых секциях избежать невозможно. Витки секций находятся в пазах сердечника якоря, поэтому секция обладает значительной индуктивностью L, следовательно, при изменении силы тока в процессе коммутации в секции индуктируется некоторая э. д. с. самоиндукции eL. К данной э. д. с. прибавляется э. д. с. Взаимной индукции еМ, образовывающаяся при изменении силы тока в соседних секциях, которые коммутируются одновременно. По правилу Ленца эти э. д. с. противодействуют изменению силы тока, т. е. задерживают это изменение. Результирующую э. д. с., которая индуктируется при изменении силы тока, называют реактивной э. д. с. Данная э. д. с. задерживает изменение тока и замедляет коммутацию в течение большей части периода. Однако в конце периода при уходе пластины из-под щетки сила тока секции будет равна , т. е. в конце периода ускоренное изменение силы тока в секции вызывает увеличение реактивной э. д. с.
При этом плотность тока под щеткой будет сильно возрастать у края пластины, выходящей из-под щетки, что может привести к сильному нагреванию краев щетки и пластины коллектора. По этим причинам могут возникнуть миниатюрные электрические дуги под щеткой со стороны уходящей пластины коллектора. Для ослабления вредного действия реактивной э. д. с. Нужно противопоставить ей другую индуктируемую э. д. с., которую называют коммутирующей э. д. с. Ек.
Изменение нагрузки машины приводит к изменению реактивной э. д. с., которая пропорциональна току якоря. Однако изменяется и коммутирующая э. д. с., так как обмотка дополнительных полюсов также соединяется с якорем, т. е. изменение нагрузки не нарушает компенсации ер и ек.
При условии ек > ер наблюдается ускоренная коммутация, которая возникает при усилении поля дополнительных полюсов, при увеличении числа витков их обмоток. Такую коммутацию применяют в машинах, которые работают в особо тяжелых условиях.