книги из ГПНТБ / Лившиц, П. С. Скользящий контакт электрических машин (свойства, характеристики, эксплуатация)

ют десятки марок электрощеточных материалов, класси­ фицируемых в соответствии с показателями табл. 1-2. Каждая конкретная марка материала данного класса отличается определенным соотношением входящих в нее компонент и кривой .распределения численных значений относящихся к ней технических характеристик. Упомя­ нутая кривая с достаточной для практики точностью списывается уравнением кривой нормального распреде­ ления. Это уравнение имеет следующий вид:

ру рассеяния отдельных частных значений характеристи­ ки х от ее среднего X.

Сколь велики возможности изменения свойств кон­ тактных материалов за счет изменения их состава и тех­ нологии, можно установить, рассмотрев графики на рис. 1-2, где на оси абсцисс отложены компоненты сос­ тава. Средняя линия соответствует материалу, состояще­ му полностью из графита (100%). По мере перемещения от средней линии влево в составе материала происходит постепенное замещение графита медью; при перемеще­ нии вправо графит постепенно замещается сажей. На оси абсцисс произведена разметка ряда подклассов ма­ териалов, устанавливаемых в соответствии с табл. 1-2. Кривые изменения свойств электрощеточных материалов IV класса являются продолжением линий, описывающих соответствующие свойства материалов I класса. Это объ­ ясняет исторически наблюдавшуюся последовательность появления различных классов электрощеточных матери­ алов. Сначала были созданы материалы I класса, затем материалы I I , I I I и, наконец, IV класса. Последние и составили логическое завершение изменения свойств контактных материалов, необходимых для обеспечения работы электрических скользящих контактов.

Кратность изменения численных значений характе­ ристик, представленных на рис. 1-2, является различной *.

20

Так, для материалов, описываемых основными (сплош­ ными) линиями графиков, значения характеристик у я Е изменяются в 2—3 раза, а характеристики р — почти в 1 ООО раз. Рассматриваемая кратность изменений мо-

ГОСТ 9506-65.

жет быть еще более увеличена за счет введения в элек­ трощеточные материалы пропитывающих веществ или искусственных смол.

Помимо свойств собственно контактных материалов необходимо учитывать еще и свойства контактной пленки (политуры), покрывающей поверхности скольжения кол­ лекторов и контактных колец. Последняя в случае рабо-

23

ты электрографитированной электрощетки «а медном кол­ лекторе состоит из закиси меди Cu2 0 (65,8%), углеро­ дистого материала электрощетки С (22,1%) и некоторо­

(ангстрем) непосредственно на металле коллектора. Над ним находится более толстый слой, равный примерно 330 - Ю ^ м (ангстрем) материала электрощетки. Примеси вносятся в политуру из материала электроугольных изде­

изменяться в пределах 50—1 ООО - Ю - 1 0 м. В [Л. 1-15] от­ мечалось также, что под анодно-поляризованной элек­ трощеткой толщина той части политуры, которая слага­ ется из закиси меди, является несколько меньшей, чем под электрощеткой противоположной полярности.

Прилегающий к меди слой закиси Cu2 0 является по­ лупроводником, обладающим дырочной проводимостью, т. е. полупроводником р-типа. На границе соприкосно­ вения полупроводника р-типа с медью коллектора, имею­ щей электронную проводимость, образуется запорный слой, оказывающий неодинаковое сопротивление току, протекающему в различных направлениях. При протека­ нии тока из меди в слой закиси сопротивление оказывает­ ся значительно более высоким, чем при протекании тока в обратном направлении. Описываемая особенность за­ порного слоя определяет возможность использования его в выпрямляющих устройствах (купроксные выпрямите­

некоторых характеристик скользящего контакта.

ГЛАВА ВТОРАЯ

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

ВЭЛЕКТРИЧЕСКОМ СКОЛЬЗЯЩЕМ КОНТАКТЕ

Впроцессе выполнения своей основной функции пе­ редачи тока между взаимоперемещающимися частями электрических машин элементы скользящего контакта находятся в весьма сложном взаимодействии. При этом между контактирующими элементами возникают силы

24

трения, происходит их взаимное изнашивание, выделя­ ется тепло, протекают химические реакции, появляются вибрации и т. п. Каждое из перечисленных явлений име­ ет свою физическую природу и оказывает влияние на работу всего контакта в целом. Рассмотрим явление пе­ редачи тока.

Известно, что процесс прохождения тока в любой электрической цепи, в том числе и в цепи, содержащей скользящий контакт, обусловлен перемещением носите­ лей тока. Таковыми могут являться электроны, положи­ тельные и отрицательные ионы и «дырки». Для того чтобы решить вопрос о том, какие из перечисленных но­ сителей проявляют себя в рассматриваемом виде сколь­ зящего контакта, необходимо ознакомиться с его струк­ турой. Рассматривая расположение электрощеток и кол­ лектора после того как контакт проработал в течение длительного периода времени, можно обнаружить, что область контакта состоит из трех зон. В одной из них возможность перемещения носителей тока обусловлена непосредственным соприкосновением контактирующих элементов. В другой зоне подобное соприкосновение нару­ шается появлением клиновидных зазоров между контак­ тирующими элементами. Зазоры наполнены пылевидны­ ми продуктами их износа, создающими электрическую цепь, подобную той, которая образуется в микрофоне угольным порошком. В контакте существует еще и третья зона, в которой расстояние между контактирую­ щими элементами является более значительным, чем во второй зоне, и зазоры в которой хотя и содержат про­ дукты износа, но их количество недостаточно для того, чтобы замкнуть электрическую цепь. По указанной причине прохождение тока в третьей зоне оказывается возможным только благодаря проводимости воздушного промежутка. Из изложенного следует, что весь проходя­ щий через электрощетку ток передается противостояще­ му элементу тремя путями: а) через точки непосредст­ венного механического контакта; б) через порошкообраз­ ные продукты износа; в) через воздушный промежуток. Однако столь четкое разделение области контакта на три зоны сохраняется далеко не во все периоды его ра­ боты. В зависимости от состояния вращающейся поверх­ ности скольжения, частоты ее вращения, частоты пусков и реверсов, нагрузки и многих других факторов размеры каждой из зон будут изменяться, а некоторые из них мо-

2.

гут даже исчезать. Вот почему при определении путей прохождения тока в скользящем контакте всегда прихо­ дится предусматривать возможность одновременного су­ ществования всех трех зон, не оговаривая, «акая из них в данный момент является главенствующей. Кроме того, не следует также упускать из виду и то обстоятельство, что в основе приведенного деления области контакта на три зоны лежал фактор конструктивного порядка (на­ пример, тангенциальный размер щеток и его отношение к радиальному). Именно этот фактор определял воз­ можные пути прохождения тока в зависимости от скла­ дывающейся в каждой из зон ситуации (наличие или отсутствие контакта). Если отвлечься от возможных из­ менений конструктивного оформления путей прохожде­ ния носителей тока и обратиться к физике, то окажется, что здесь могут иметь место две следующие возможно­ сти: а) носители тока перемещаются внутри кристалли­ ческой решетки контактирующих твердых тел, не выходя в окружающее их пространство; б) носители тока поки­ дают кристаллическую решетку одного из контактирую­ щих тел, выходят в окружающее пространство и, пройдя определенный участок пути в этом пространстве, снова попадают в кристаллическую решетку твердого тела.

отдельные точки соприкосновения, оптимальное число ко­ торых в каждый данный момент времени равно трем (таково оптимальное количество точек, обеспечивающее

заменяются другими, но так, что непосредственный кон­ такт * между электрощеткой и поверхностью скольжения коллектора при этом не нарушается. Таким образом, с физической точки зрения, имеющий при этом место электрический контакт может быть представлен экви­ валентной схемой точечно-контактного полупроводнико­ вого тетрода с р-я-проводимостью, через который носи­ тели тока перемещаются на участке «электрощетка — политура». Далее им предстоит еще пройти по участку

* Для создания непосредственного контакта необходимо, чтобы расстояние между контактирующими элементами было того же по­ рядка, что и расстояние между атомами в кристаллической решетке, т. е. Ю - 8 см.

26

«политура — толща металла коллектора». При неповреж­ денной в механическом и электрическом отношениях по­ литуре эквивалентная схема этого участка пути может быть представлена в виде плоскостного двухэлектродного перехода (диода), в котором контактирующими элементами является полупроводник р-типа (пленка и металл). В случае отсутствия политуры, когда электро­ щетка соприкасается непосредственно с поверхностью скольжения, описанный несколько выше точечно-контакт­ ный полупроводниковый р-п-тет-

щем контакте, рассматриваемом как описанные выше переходы, можно воспользоваться сопряженными зонны­ ми диаграммами. С помощью подобных диаграмм удает­

ется так,'что ток через переход усиливается, то его на­ зывают прямым, при уменьшении тока — обратным. Ана­ логичные названия присваиваются и соответствующим токам. Связь между током и напряжением в описывае­ мой ситуации изображается вольт-амперной характе­ ристикой, показанной на рис. 2-1, из рассмотрения кото­ рой следует, что при данном значении внешнего напря­ жения прямому току оказывается значительно меньшее сопротивление, чем обратному.

Переходы, обладающие характеристикой, показанной на рис. 2-1, называются выпрямляющими. Ветви этой характеристики изменяются по экспоненциальному зако-

27

ну. Для них характерно наступление такого состояния, при котором изменение одних величин не вызывает из­ менения других. В подобном случае принято говорить о наступлении режима насыщения. Здесь следует заме­ тить, что описанный механизм прохождения тока через политуру и переход его в металл изменяется, когда на­ пряженность электрического поля внутри пленки дости­ гает величины порядка 108—107 В/см. В этом случае про­ исходит электрический пробой пленки. Некоторые авторы склонны считать, что подобный пробой является основ­ ным способом прохождения тока на этом участке пути его следования [Л. 1-9].

Рассмотрим далее условия прохождения тока через воздушный зазор. Для того чтобы подобный процесс мог совершиться, носителям тока необходимо покинуть крис­ таллическую решетку твердого тела и выйти в окружа­ ющее его пространство. Носителями тока на этом участ­ ке пути его следования являются электроны. Выход из материала контактирующих элементов, которые в данном случае следует рассматривать как электроды, называет­

ся особенностями силового поля, действующего на гра­ нице твердое тело — среда. Дело в том, что, когда элек­ троны проводимости выходят из твердого тела, на них начинают действовать силы двух родов: силы отталкива­ ния от остающихся в твердом теле связанных электро­ нов и силы притяжения со стороны положительно заря­ женных узлов кристаллической решетки. Поскольку вторые больше первых, на границе раздела создается си­ ловое поле, стремящееся удержать электроны в твердом теле.

Связь между током и напряжением в рассматривае­ мых условиях является чрезвычайно сложной. До тех пор, пока количество образующихся в воздушном зазоре электронов и ионов будет превышать количество частиц, попадающих на электроды, ток в цепи возрастает с уве­ личением напряжения так, как это показано на участке OA рис. 2-2. По мере повышения приложенного напря­ жения все образующиеся заряженные частицы перено­ сятся на электроды и рост тока прекращается (участок АВ). При дальнейшем возрастании приложенного на­ пряжения в зазоре происходит ионизация атомов воздуха

28

тет. Описываемый разряд называют тихим или таунсендовским. Он является несамостоятельным, поскольку прекращается одновременно с прекращением действия источника ионизации. Если напряжение на электродах, образующих зазор, превысит значение потенциала про­

существования такого нормального тлеющего разряда со­ ответствует участку DE. При таком разряде вприкатодной области появляется спокойное, не особенно яркое свечение, а величина плотности тока в ней сохраняется постоянной. По мере увеличения общего тока, проходя­ щего через зозор, светящаяся область на катоде расши­ ряется. Если при этом осуществить дальнейшее повыше­ ние приложенного напряжения, плотность тока в катод­ ном пятне начнет возрастать, но так, что увеличение об­ щего тока через зазор будет происходить медленнее, чем рост напряжения. Соответствующая описываемому состоя­ нию область EF называется областью аномального тле­ ющего разряда. По достижении точки F катодное свече­ ние снова концентрируется на небольшом участке като­ да (катодное пятно) и разряд превращается в искровой (переходная область на участке FG). Появление этой формы разряда свидетельствует о том, что прогрессив-

29