Archi elettrici nel commutatore: individuare le scintille prima che danneggino la macchina

Se si notano facilmente scintille luminose e persistenti sulle spazzole, la macchina sta già funzionando al di fuori della sua zona di sicurezza. Gli archi elettrici raramente riguardano “solo le spazzole”; sono l'intero sistema elettromeccanico che esprime stress in un'interfaccia molto piccola. Leggendo bene quell'interfaccia è possibile risolvere i problemi a monte, non solo lucidare il rame.

Sapete già cos'è un commutatore, cos'è la tensione di commutazione e avete visto i diagrammi nelle norme. Quindi questo non è un tutorial. Consideratelo piuttosto come gli appunti sul campo di qualcuno che ha osservato troppe macchine scintillanti e poi ha misurato cosa stava realmente accadendo.

Cosa si intende per “arco normale”?

L'assenza totale di scintille visibili è ottima sulla carta, ma la maggior parte delle macchine a corrente continua funzionanti presenta un debole bagliore arancione localizzato sul bordo posteriore della spazzola. Ciò è accettabile. Molti produttori e OEM di motori classificano la gravità delle scintille da essenzialmente invisibili fino a “fuoco ad anello”, con i gradi inferiori consentiti per il funzionamento continuo e quelli superiori trattati come guasti che richiedono l'arresto.

Un modo utile per pensarci: se la superficie del commutatore rimane uniformemente marrone o grigio chiaro, qualsiasi scintilla che si vede è probabilmente entro i limiti previsti dal progetto. Quando si iniziano a vedere tracce nere, barre incise o segmenti periodici scuri e chiari, gli archi stanno svolgendo un lavoro meccanico e termico, non solo trasportando corrente per pochi microsecondi.

Una tabella di riferimento visivo rapido

La tabella sottostante riassume in un'unica panoramica diversi schemi di “livello di scintilla” del settore e pratiche di assistenza comuni. Non si tratta di uno standard, bensì di un controllo di veridicità per i tecnici che hanno già familiarità con le linee guida OEM.

Se abitualmente ti collochi al terzo posto o peggio, stai scambiando rame e carbonio per una produzione a breve termine. Questo scambio alla fine fallisce secondo i suoi tempi, non i tuoi.

Triage rapido quando si vede effettivamente l'arco

Quando qualcuno ti chiama per dirti “vieni a vedere il motore che fa scintille”, il tempo è già perso. La tentazione è quella di fissare il commutatore e regolare le spazzole fino a quando non sembra più a posto. Questo approccio a volte risolve i sintomi. Ma l'arco elettrico è un sintomo della geometria dei contatti, delle condizioni della superficie, delle condizioni magnetiche o della forma d'onda della corrente. Di solito più di uno.

Una sequenza pratica, eseguita con i coperchi rimossi e il motore acceso solo il tempo necessario per osservare in sicurezza, tende ad essere la seguente: osservare il modello delle scintille rispetto alla rotazione; notare se si trovano sul bordo anteriore o posteriore, o se compaiono principalmente su determinate barre; osservare cosa succede quando il carico o la velocità cambiano; e ascoltare se si avvertono rumori provenienti dalle spazzole. Questa breve osservazione consente di capire se la causa del problema è di natura meccanica, magnetica o di alimentazione prima ancora di prendere in mano un cacciavite.

Se l'intensità dell'arco aumenta bruscamente con la velocità ma non con la coppia, il commutatore non rotondo, l'alloggiamento inadeguato o il rimbalzo della spazzola diventano le cause più probabili. Se invece segue la coppia o l'indebolimento del campo, la tensione di commutazione e la reazione dell'indotto sono solitamente i fattori principali.

Meccanica di contatto: quando l'interfaccia stessa è sbagliata

Il contatto fisico tra la spazzola e il commutatore è spesso considerato il primo responsabile, e spesso a ragione. Tuttavia, è utile suddividere il problema.

Un modello è costituito da spazzole usurate che producono una pressione elastica bassa e irregolare, quindi l'area di contatto reale collassa in alcuni punti ad alta corrente. Questi punti caldi accendono archi elettrici ad ogni evento di commutazione e il commutatore inizia a mostrare segni irregolari. L'esperienza sul campo e i produttori indicano entrambi una pressione errata delle spazzole come una delle cause più comuni di archi elettrici visibili e di eventuali danni all'anello.

Un altro problema è rappresentato da una seduta inadeguata. Le spazzole nuove che non sono state mai posizionate correttamente o quelle vecchie che si sono consumate in modo irregolare a causa di un allineamento errato del supporto, tenderanno a scivolare sui bordi anziché su una pellicola uniforme. Il bordo concentra la corrente, aumentando nuovamente la tensione locale sulla parte che si solleva effettivamente dalla barra, con conseguente formazione di scintille persistenti e granulose.

I supporti delle spazzole posizionati troppo lontano dal commutatore consentono alle spazzole di inclinarsi e vibrare. Se troppo vicini, la polvere di carbonio si accumula nello spazio e provoca invece attrito e incollaggio. Le classiche istruzioni di manutenzione indicano di mantenere le facce dei supporti a una distanza compresa tra circa 1/16 e 1/8 di pollice dal commutatore, a seconda delle dimensioni del telaio; al di fuori di tale intervallo, sono molto frequenti i reclami relativi alla formazione di archi elettrici.

I commutatori fuori rotondità e lo scarso equilibrio dinamico aggiungono un ulteriore problema. A velocità elevate, la spazzola effettivamente cavalca una camma. Perde contatto nei punti più alti, ricade e ogni perdita di contatto è un invito alla formazione di un arco. La lavorazione del commutatore su un tornio, seguita da un'adeguata sottosquadratura e lucidatura, è quasi sempre consigliata quando la corrosione e l'usura irregolare superano una rugosità molto superficiale.

Condizioni della superficie, contaminazione e dettagli sull'isolamento

In pratica, molti archi difettosi hanno origine nelle fessure, non sulla superficie facilmente visibile. Polvere di carbonio, particelle di rame, nebbia d'olio e detriti in generale si accumulano nel sottosquadro. Ciò crea percorsi di dispersione tra le barre, che spostano il punto di commutazione effettivo e favoriscono la formazione di archi tra le barre e, talvolta, di incendi ad anello.

Anche la mica alta è un altro elemento che brucia lentamente. Quando la mica non è adeguatamente sottosquadrata, le sue alette salgono fino al percorso della spazzola. La spazzola urta contro la mica invece di appoggiarsi sul rame, quindi il contatto è intermittente e il film non si stabilizza mai. Il risultato è vibrazione, scintille e spesso un motivo regolare di barre bruciate. Tagliare la mica e pulire le sbavature di rame è solitamente sufficiente per calmare l'arco, supponendo che il resto del sistema sia integro.

È facile sottovalutare la contaminazione sulla superficie stessa. Un film d'olio molto sottile può migliorare la durata delle spazzole. Un film più spesso o appiccicoso, talvolta prodotto da cuscinetti eccessivamente lubrificati o da contaminanti di processo presenti nell'aria, si deposita sotto le spazzole e crea una resistenza irregolare lungo la circonferenza. Le scintille seguono i punti appiccicosi. L'ispezione sistematica dei film del commutatore e un'accurata pulizia sono raccomandazioni standard nei bollettini di manutenzione per macchine che operano in atmosfere polverose o oleose.

Cause elettriche e magnetiche nascoste dietro le scintille

Una volta escluse le evidenti cause meccaniche e superficiali, le cause residue dell'arco elettrico risiedono solitamente nell'interazione tra il circuito magnetico e la forma d'onda della corrente. Il contatto della spazzola è solo il limite osservabile.

La distorsione del campo e la reazione dell'armatura sono le spiegazioni classiche. A carichi più elevati, il campo dell'armatura distorce il campo principale e sposta la zona di commutazione ideale. Il dispositivo a spazzole fisse si trova quindi nella posizione sbagliata, quindi l'inversione di corrente è incompleta e il bordo posteriore della spazzola continua a trasportare una corrente significativa quando interrompe il contatto. Si tratta della tensione attraverso un piccolo spazio, più l'induttanza residua, che genera un arco. Gli interpolari e gli avvolgimenti di compensazione sono stati inventati proprio per ovviare a questo problema, mantenendo la commutazione priva di scintille su una vasta gamma di carichi.

I moderni rapporti sui guasti continuano a dimostrare che avvolgimenti deboli o guasti degli interpolari, o impostazioni errate del campo dopo il riavvolgimento, spesso si manifestano inizialmente con un aumento degli archi elettrici sul commutatore piuttosto che con un chiaro guasto alla resistenza o all'isolamento. In alcuni studi, interpolari correttamente progettati e in buone condizioni consentono un funzionamento senza scintille fino a un sovraccarico di circa 20-30%, mentre una macchina identica senza interpolari efficaci produce scintille molto prima.

Anche la qualità dell'alimentazione è importante. Gli azionamenti CC con una regolazione della corrente scadente, SCR difettosi o programmi di indebolimento del campo aggressivi creano picchi di corrente e tensione elevati. Questi picchi si verificano proprio quando le spazzole trasferiscono la corrente tra le barre. La fisica è abbastanza semplice: dI/dt è elevato, l'induttanza non è zero e l'arco si forma per soddisfare il requisito di tensione. Diverse aziende di assistenza motori indicano esplicitamente le impostazioni errate degli azionamenti e i guasti agli SCR come cause nascoste dietro l'arcata misteriosa delle spazzole e il flashover su macchine altrimenti in buono stato.

Quando il livello dell'arco è strettamente correlato all'indebolimento del campo o a rapidi cambiamenti di carico da parte dell'azionamento, di solito è più produttivo rivedere i parametri dell'azionamento e il feedback del campo piuttosto che cambiare tre volte il grado delle spazzole.

Ambiente, ciclo di lavoro e il lento percorso verso l'incendio ad anello

Le macchine che operano in ambienti polverosi come miniere, cementifici, cartiere o simili tendono a essere soggette alla formazione di pellicole conduttive e sottosquadri compatti. Nel tempo ciò porta a correnti di dispersione e archi elettrici che possono formare anelli quasi continui attorno al commutatore. Questo “anello di fuoco” viene spesso innescato durante un disturbo, ma si forma lentamente a causa della contaminazione e di pratiche di pulizia inadeguate.

Anche avviamenti ripetuti di breve durata, inversioni frequenti e lunghi periodi di inattività in condizioni di campo debole possono favorire la formazione di archi elettrici. I cicli termici e la rottura del film modificano le condizioni di contatto delle spazzole e l'armatura non raggiunge mai un modello di usura stabile. Alcuni studi su motori automobilistici e pompe di carburante, ad esempio, collegano l'usura accelerata delle spazzole sotto gli archi di commutazione ai cicli ad alta frequenza anche in atmosfere benigne.

All'estremità più grave si trova il flashover. In questo caso, un arco elettrico si propaga lungo la superficie del commutatore o dal commutatore alle parti metalliche vicine o al dispositivo a spazzole. Ciò è favorito dalla contaminazione, da un elevato dv/dt, da un cattivo allineamento e spesso da un sovraccarico di lavoro. Le organizzazioni di assistenza talvolta aggiungono metallo sacrificabile collegato a terra vicino al commutatore, creando un percorso a bassa impedenza intenzionale che l'arco elettrico può colpire invece di bruciare le scatole delle spazzole e il rame fino a distruggerli.

Progettazione e specifiche contro l'arco elettrico

Se state specificando o ricostruendo macchine anziché limitarvi alla loro manutenzione, alcuni fattori di progettazione sono più importanti di altri.

La scelta del grado della spazzola viene solitamente effettuata sulla base dei dati forniti dal produttore originale, ma nella pratica molti retrofit sul campo cambiano grado per ridurre l'arco elettrico in determinate condizioni di funzionamento. I gradi più duri conducono bene la corrente, ma possono essere intolleranti al runout o alla contaminazione del commutatore. I gradi più morbidi tollerano superfici imperfette, ma possono produrre più polvere e richiedono un controllo più rigoroso della pulizia. Le note applicative dei produttori di spazzole sottolineano ripetutamente il compromesso tra resistenza di contatto, capacità di formazione di pellicola e tendenza all'arco elettrico sotto carichi diversi.

Gli ausili di commutazione nel circuito magnetico (interpoli e avvolgimenti di compensazione) costituiscono la seconda leva principale. Se correttamente proporzionati e collegati, questi avvolgimenti generano un campo elettromagnetico locale che si oppone alla tensione di reattanza dell'armatura durante la commutazione. Ciò riduce sia la tensione tra i contatti di separazione sia l'energia dell'arco elettrico. Se una macchina viene riavvolta per un nuovo impiego con inversioni più frequenti o un indebolimento del campo più profondo, spesso è più efficace rivedere i dati di progettazione degli interpolari piuttosto che cercare di risolvere successivamente l'usura delle spazzole.

La precisione meccanica è il terzo fattore. Commutatori rotondi, perni precisi, spazzole posizionate correttamente e un equilibrio ragionevole non sono elementi particolarmente affascinanti, ma in molti casi influiscono sull'arco elettrico più delle spazzole di qualità esotica. Le linee guida del settore sottolineano ripetutamente che, una volta che il danno superficiale va oltre i segni molto lievi, la lavorazione meccanica e il sottosquadro sono la cura adeguata; la levigatura topica senza ripristinare la geometria non fa altro che azzerare il conto alla rovescia per un altro guasto.

Abitudini di manutenzione che cambiano realmente i risultati

La pratica quotidiana spesso conta più della progettazione per quanto riguarda il livello di arcing con cui si convive. L'ispezione di routine della lunghezza delle spazzole, delle condizioni delle molle, della pellicola del commutatore e della pulizia dei sottosquadri sembra una cosa basilare. Negli impianti reali spesso viene saltata fino a quando qualcuno non nota scintille o odori.

Le note di assistenza di diversi OEM e centri di riparazione evidenziano alcuni modelli ricorrenti. Spazzole corte con molle deboli causano sia archi elettrici che coppia irregolare. I sottosquadri trascurati si riempiono di polvere di carbonio e rame, creando percorsi paralleli tra le barre e favorendo la formazione di incendi ad anello. La carta abrasiva va bene per ritocchi molto leggeri, ma la carta grossolana o un lavoro manuale aggressivo possono lasciare solchi e sbavature che causano il problema degli archi elettrici che pensavi di aver risolto.

Le pratiche di pulizia meritano maggiore attenzione di quella che solitamente viene loro riservata. L'aria compressa secca da sola tende a spingere la polvere conduttiva più in profondità nelle fessure. L'aspirazione con strumenti non conduttivi, seguita da un'accurata pulizia e ispezione dei fondi delle fessure, favorisce un funzionamento stabile e a basso arco. In alcuni settori industriali, la pulizia programmata dei sottosquadri è considerata alla stregua della lubrificazione: non è facoltativa, né estetica.

Se una determinata macchina mostra una tendenza costante da “quasi nessuna scintilla” a “scintille granulari continue” nel corso di mesi, si riceve un preavviso molto prima che i risultati dei test di isolamento cambino. Questa è la fase in cui la lavorazione minore, la sostituzione delle spazzole e i controlli dell'azionamento sono più economici.

Diagnostica oltre il semplice “fa scintille”

I tecnici esperti raramente si fidano solo dei propri occhi. Combinano la valutazione visiva dell'arco elettrico con alcune misurazioni rapide o strumenti.

Uno stroboscopio consente di congelare la posizione apparente delle scintille lungo la circonferenza e di collegarle a barre, fessure o irregolarità geometriche specifiche. Ciò è particolarmente utile per diagnosticare segni sulle barre delle fessure o surriscaldamenti localizzati relativi al primo o all'ultimo conduttore in una fessura che passa sotto la spazzola nel punto sbagliato del campo di commutazione.

I controlli a infrarossi della superficie del commutatore e delle spazzole consentono di identificare le aree in cui l'arco elettrico genera calore in eccesso, anche quando le scintille sono difficili da vedere attraverso le coperture. I grafici che riportano l'andamento della temperatura delle spazzole o della superficie del commutatore nel tempo spesso mostrano l'insorgere di problemi prima che compaiano scintille evidenti.

Sulle macchine industriali di grandi dimensioni, i sensori temporanei sui bracci delle spazzole (per corrente e vibrazioni) possono fornire una visione sorprendentemente diretta della qualità della commutazione. La corrente irregolare delle spazzole, le vibrazioni ad alta frequenza e i picchi improvvisi in posizioni specifiche dell'albero sono in stretta correlazione con la classificazione visiva dell'arco e con i risultati successivi ottenuti durante lo smontaggio in studi pubblicati sull'arco elettrico e sull'usura delle spazzole.

Mettere tutto insieme

L'arco elettrico sul commutatore non è un guasto isolato. È il modo in cui l'allineamento meccanico, le condizioni della superficie, i magneti, il comportamento dell'azionamento e l'ambiente si manifestano in una piccola area di rame e carbonio. Quando si osservano le scintille, in realtà si sta osservando tutto questo.

Se trattate ogni reclamo relativo alla formazione di archi elettrici come un problema legato alle spazzole, dovrete sostituire molte spazzole e continuerete a riscontrare guasti ripetuti. Se invece analizzate il modello dell'arco elettrico, lo mettete in relazione al carico e alla velocità, verificate la geometria e la pulizia e solo allora regolate il grado o la pressione delle spazzole, di solito risolverete il problema di fondo e non vedrete più lo stesso motore tornare in officina.

Questo è l'obiettivo silenzioso: non un commutatore perfettamente pulito per una fotografia, ma una macchina le cui spazzole funzionano con scintille insignificanti e controllate per anni. Le scintille sono il vostro sistema di allarme preventivo. Usatele prima che siano loro a decidere la data di spegnimento.