2.3.2. Коллекторная медь

Коллекторные пластины изготовляют из твердотянутой меди трапецеи­дального сечения (ГОСТ 3568).

Для повышения механической прочности применяют пластины из меди с присадкой кадмия, магния, хрома, серебра, цинка или циркония.

Кадмиевая медь (бронза) БрКд1 содержит от 98.65 до 99 % меди и от 0.9 до 1.2% кадмия, имеет предел прочности при растяжении 500 МПа, твер­дость по Бринеллю 95... 115, повышенную стойкость к истиранию.

Магниевая бронза БрМг0.3, содержащая от 0.1 до 0.35 % магния, имеет предел прочности не менее 600 МПа, твердость по Бринеллю не менее 90.

Хромовая бронза БрХ0.5, содержащая от 0.4 до 0.6 % хрома, сочетает после закалки (900... 1000°С) и отжига при 400 °С высокую проводимость с хорошей механической прочностью. Хромовая бронза сохраняет твердость при нормальной температуре после нагрева до 400 °С предел усталости при переменной нагрузке примерно вдвое, а предел ползучести втрое выше, чем у меди. У этой бронзы число Бринелля до 150... 180.

Коллекторные профили изготовляются марки ПКМ (профиль коллектор­ный медный).

Поставляют коллекторную медь в полосах. Длина коллекторной полосы составляет не менее 1.5 м. Полосы упаковываются в пачки.

2.3.3. Щетки

Щетки применяются для осуществления скользящего электрического контак­та с вращающимся коллектором электрической машины или контактными коль­цами. По своему функциональному назначению электрощетка самый «короткоживущий» элемент электрической машины, срок службы которого определяет срок непрерывной работы электромашины. Поэтому выбор конкретной марки щеток для применения в конкретной электрической машине является достаточно ответственным.

Следует отметить, что до настоящего времени процесс работы щеточно-коллекторного узла не имеет строгого физического описания. Однако за дли­тельное время применения электрощеток в электромашинах возникло доста­точно много эмпирических параметров, по которым пытаются определять работоспособность электрощеток в составе конкретной машины.

Основными материалами для изготовления шеток являются:

- углеродсодержащие твердые компоненты (графит, уголь, сажа, кокс);

- связующие вещества (каменноугольная смола или пек);

- металлические порошки (медь, олово, свинец).

Щетки должны обладать достаточно высокими электрической проводи­мостью и теплопроводностью, а также хорошей химической стойкостью.

Применяя различные материалы и используя определенные технологические процессы изготовления, получают широкую номенклатуру щеток с различными свойствами.

Свойства щеточных материалов оценивают с помощью различных пара­метров, которые принято относить к одной из следующих четырех групп: физико-химические, механические, коллекторные и эксплуатационные.

Физико-химическими параметрами щеточных материалов являются удельное электрическое сопротивление, плотность и содержание золы.

К механическим параметрам щеточных материалов относят твердость, определяемую по какому-нибудь из известных методов (по Шору, по Бри­неллю или по Роквеллу), и предел прочности при каком-нибудь из видов де­формации (при сжатии, растяжении или изгибе).

К коллекторным параметрам щеточных материалов относят переходное падение напряжения на пару щеток, коэффициент трения и износ при работе в течение заданного промежутка времени.

В отличие от физических и механических параметров, которые однознач­но определяют свойства щеточных материалов, коллекторные параметры отражают взаимодействие материала шеток с поверхностью скольжения кол­лектора. При этом необходимо учитывать дополнительное влияние на кол­лекторные параметры окружающей среды.

К эксплуатационным параметрам щеточных материалов относят номи­нальную плотность тока, максимально допустимую окружную скорость на поверхности скольжения коллектора или контактного кольца и допустимое удельное нажатие. По сравнению с коллекторными, эксплуатационные пара­метры в еще большей мере подвергаются влиянию различных факторов. По­мимо влияния внешней среды и состояния поверхности скольжения, сущест­венное влияние оказывают такие факторы, как расчетные параметры элек­трической машины, характер настройки ее электромагнитной системы, вид нагрузочных графиков и другие.

Учет перечисленных параметров на стадии щеточного производства по­зволяет выпускать щетки с различными свойствами и параметрами, обеспе­чивающими удовлетворительную работу скользящего контакта.

Щегки в зависимости от применяемых для изготовления материалов подразделяются на:

а) графитные, состоящие преимущественно из натурального графита;

б) углеграфитные, состоящие из аморфного (некристаллического) углеро­да, графита и связующих смол;

в) электрографитированные, состоящие преимущественно из различных форм аморфного углерода, подвергнутого процессу графитации в электриче­ских печах при 2500 ^сС, и связующих смол;

г) металлографитные, состоящие из металлических порошков и натураль­ного графита.

Каждая группа щеток характеризуется общностью состава, методов изго­товления и областей применения.

Правильный выбор марки щеток имеет большое значение для обеспече­ния надежной работы коллекторной электрической машины.

С точки зрения производителей и потребителей электрических машин, имеет смысл классифицировать шетки по применимости для различных ти­пов именно электромашин. Достаточно условно эту классификацию можно провести следующим образом:

1) электрощетки, предназначенные для длительной работы по контактным кольцам или кратковременной работы в составе стартеров. В связи с тем, что по этим щеткам пропускаются токи большой величины, а обеспечение хоро­шей коммутации не столь актуально, эти электрошстки обладают малым электросопротивлением (менее 20 мкОм·м). Достигается это, в первую оче­редь, введением в их состав металлических порошков с малым электросопро­тивлением (меди, серебра, олова, свинца);

2) электрощетки, предназначенные для длительной работы в составе кол­лекторных машин промышленного применения. Это самая большая и ответ­ственная группа электромашин. Здесь особенно важно подобрать оптималь­ное соотношение коммутационных характеристик в связи с тенденцией уве­личения окружных скоростей коллекторов и способностью щеток пропус­кать большие плотности тока (в связи с растущей энергонапряженностью электромашин). Современные электрощетки этого класса обладают электро­сопротивлением от 20 до 85 мкОм·м. В состав этих щеток входят в основном углеграфитовые компоненты. Подавляющее большинство электрощеток это­го класса содержат полимерные пропитки, призванные уменьшить коэффи­циент трения и увеличить износостойкость щеток;

3) электрощетки, предназначенные для длительной работы в составе кол­лекторных машин малой мощности (в первую очередь, бытовой техники и ручного электроинструмента). Условия коммутации этих машин очень тяже­лые (большие окружные скорости, отсутствие дополнительных полюсов). Соответственно и удельное электросопротивление этих щеток велико (более 85 мкОм·м).

Физико-механические и коллекторные характеристики щеток, а также другие технические и эксплуатационные требования и оценки, необходимые при выборе щеток, определяются по ГОСТ 2332.

Типы, основные размеры и конструкции щеток должны соответствовать ГОСТ 12232.1, ГОСТ 12232.2, ГОСТ 12232.4...ГОСТ 12232.8 и нормативно-технической документации, утвержденной в установленном порядке.

На рис. 2.5 представлены типы щеток, установленные ГОСТ 12232.1.

В таблице 2.4 приведены характеристики щеточных материалов, разрабо­танных в СССР (выпускаются российскими предприятиями), и материалов, производимых в Украине (фирма «ЛЭГ», г. Харьков).

Рисунок 2.5 - Типы шеток, усыновленные ГОСТ 12232.1 а — прямоугольные щетки, б - щетки со скошенными пазами

Преимущественные области применения щеток определяет ГОСТ 2332.

Графитные щетки отличаются мягкостью и не вызывают шума при ра­боте.

Углеродистые щетки обладают повышенной твердостью, механической прочностью, а также абразивностью и поэтому могут очищать оксидные пленки на коллекторах и контактных кольцах электрических машин.

Электрографитированные щетки обладают повышенной механической прочностью и возможностью использования при повышенных окружных скоростях. Такие щетки применяют также в электрических машинах с тяже­лыми условиями коммутации.

Металлографитные щетки характеризуются весьма малым удельным электрическим сопротивлением и несколько уменьшенным контактным па­дением напряжения, что исключает их применение в напряженных по комму­тации электрических машинах. Щетки этой группы применяют в электриче­ских машинах, в которых необходимо иметь большую номинальную силу тока при низком номинальном напряжении (до 30 В), например в стартерах и зарядных генераторах.

Щетки из материала БДХ соответствуют материалам электрографитиро­ванных щеток:

БДХ30 - ЭГ4, ЭГ4Э;

БДХ40 - ЭГ2А. ЭГ14, ЭГ141, ЭГ71:

БДХ50- ЭГ38, ЭГ8, ЭГ61А. ЭГ74, ЭГ74М, ЭГ84, ЭГ841, ЭГ85.

Щетка БДХ40-Ф имеет повышенную рабочую термостойкость и может длительно работать при температуре 145°С без ухудшения эсплуатационных характеристик.

Специалистами фирмы «ЛЭ1» (г. Харьков) разработана технология про­изводства материалов БДХ с анизотропией электрофизических характери­стик. Выбор электрощеточного материала из набора стандартных электрографитированных материалов являлся всегда плодом компромисса между обеспечением хороших условий коммутации (высокое электрическое сопро­тивление, большое переходное сопротивление на пару щеток) и требованием малого энерговыделения в щеточно-коллекторном узле (малое электрическое сопротивление, малое падение напряжения на пару щеток). В материалах же серии БДХ, выпускаемых фирмой «ЛЭГ», этого компромисса можно избе­жать, так как электрическое сопротивление материалов БДХ в направлении r (от шунта к коллектору) минимум в 2,5 раза меньше, чем в направлении t (направление вращения коллектора).

Таким образом, при одинаковых по сравнению со стандартными мате­риалами, энерговыделениях в щеточно-коллекториом узле, электрощетки БДХ обладают заметно лучшими коллекторными характеристиками.

Разработанные специалистами фирмы «ЛЭГ» материалы БДХ40-Ф и БДХ50-Ф, сохраняющие работоспособность при температуре 145°С и мате­риал БДХЗО-СФ, сохраняющий работоспособность при плотностях тока 25·10⁴ А/м", не имеют аналогов среди материалов, выпускаемых российской электротехнической промышленностью.

Таким образом, при выборе марки щеток, предназначенной для какой-либо электрической машины, обычно применяется следующий метод:

1) по назначению машины выбирается материал определенной группы. Определяющим является величина удельного электросопротивления;

2) из определенной группы выбирается материал с наиболее близкими к расчетным значениями рекомендуемыми эксплуатационными характе­ристиками;

3) проводятся стендовые испытания машины с выбранным типом щеток, призванные подтвердить расчетные характеристики;

4) в случае не подтверждения расчетных характеристик и уверенности, что неудача обусловлена неудачным выбором щеток, выбирается следующий материал, с которым проводится такая же работа.

Такая практика была долгое время распространена во всем мире. Достаточно вспомнить подбор шеток на карьерных самосвалах «КАМАЦУ» поставленных для работы в Криворожском железорудном бассейне. В силу сложных условий работы японские специалисты вынуждены были выбирать окончательный вариант щеток, исходя из опыта конкретной эксплуатации в течение полугода.

Однако в последнее время ситуация несколько изменяется. Предприятия-производители электрощеток проводят большой объем исследовательских работ, выпуская ежегодно на рынок несколько новых материалов. Складыва­ется практика, когда ответственность за выбор материала для новой электро­машины несет производитель щеток. Этот путь позволяет проектировщику и производителю сократить время и частично удешевить постановку машины в производство. Неизбежное же незначительное повышение цены переклады­вается на потребителя, который в дальнейшем имеет дело с тем же произво­дителем щеток.