Электрощётка

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Угольные щётки

Электрощётка, также угольная щёткаэлектрический контакт, проводящий электрический ток между неподвижными проводами и движущимися частями, чаще всего — во вращающемся вале[1]. Часто применяются в электродвигателях, электрических генераторах постоянного и переменного тока, а также в переменных/подстроечных резисторах, ЛАТР, токоприёмниках электроподвижного состава (троллейбусах, трамваях, метрополитене), поворотных стендах.

Этимология[править | править код]

Взаимодействие угольной щётки с коммутатором в машине постоянного тока

Для функционирования некоторых типов электродвигателей и генераторов катушки ротора должны быть сопряжены для того, чтобы замкнуть электрическую цепь. Первоначально это достигалось путём прикрепления медного или латунного коммутатора или контактного кольца к валу, с помощью пружин, прижимающих плетёные медные проволочные «щётки» к проводящим ток кольцам. Такие щётки обеспечивали плохую коммутацию, поскольку они перемещались от одного сегмента коммутатора к другому. Помогло внедрение «высокоомных щёток», изготовленных из графита (иногда — с добавлением меди). Хотя сопротивление составляло порядка десятков миллиом, оно было достаточно высоким, чтобы обеспечить постепенный сдвиг тока от одного сегмента коммутатора к другому. Термин «щётка» остался в употреблении. Поскольку щётки изнашиваются, то в изделиях, предполагающих техническое обслуживание, их можно заменить[2].

Щётки из металлического волокна в настоящее время находятся в стадии разработки[3]. У них может быть преимущество по сравнению с современной технологией, но они пока ещё не получили широкого распространения.

Производственный процесс[править | править код]

Элементы угольной щётки
Элементы угольной щётки

Состав компонентов[править | править код]

Конкретный состав щётки зависит от сферы применения. Обычно используется графитный/углеродный порошок. Для большей электропроводности используется медь (редко для использования с переменным током). Чтобы максимально увеличить электрическую проводимость и предел прочности, используется высокодендритный (электролитический) медный порошок[4]. Вяжущие вещества, в основном фенол или другие смолы или пек, смешиваются таким образом, чтобы порошок сохранял свою форму при уплотнении. Также добавками могут быть металлические порошки и твёрдые смазки, такие как MoS2 и WS2. Для того, чтобы определить состав щётки для каждой области применения или двигателя, требуется множество исследований и разработок.

Уплотнение смеси[править | править код]

Типы электрощёток коммутатора
Типы электрощёток коммутатора

Компоненты щётки уплотняются в механизме, состоящем из верхнего и нижнего пуансона и матрицы, на механических или гидравлических прессах. На этом этапе, в зависимости от последующей обработки, медная проволока (так называемая шунтирующая проволока) может быть автоматически вставлена через отверстие в верхнем пуансоне и зафиксирована в прессованном щеточном блоке порошком, спрессованным вокруг. Эта операция, называемая «трамбовкой», обычно выполняется с использованием электролитического медного порошка; возможно использование серебряного напыления в некоторых высокопроизводительных областях[5]. После этого процесса щётка всё ещё очень хрупкая и на профессиональном жаргоне называется «сырая щётка» (англ. green brush).

Обжиг сырых щёток[править | править код]

Щётки на электродвигателе, извлечённом из пылесоса
Щётки на электродвигателе, извлечённом из пылесоса

Затем производится термообработка «сырых щёток» в искусственной атмосфере (как правило, это водород и азот) при температуре до 1200 °C. Этот процесс называется спеканием или выпеканием. Во время спекания связующие вещества либо выгорают, либо карбонизируются и образуют кристаллическую структуру между углеродом, медью и другими компонентами. Выпекание сопровождается графитизацией (термообработкой). Термическая обработка варьируется согласно температурной кривой, точно определённой для каждой смеси материалов. После состава смеси, используемая температурная кривая является вторым большим «секретом» каждого производителя щёток. После термообработки структура щётки изменяется таким образом, что конкурирующим компаниям практически невозможно её скопировать.

Дополнительные операции[править | править код]

Щётки в небольшом коммутируемом двигателе постоянного тока
Щётки в небольшом коммутируемом двигателе постоянного тока

Спекание приводит к тому, что щётки дают усадку и изгибаются. Для придания им конечной формы необходимо шлифование. Некоторые производители для того, чтобы сделать щётку более долговечной, используют дополнительную обработку — пропитку рабочей поверхности специальными маслами, смолами и смазками.

Производство угольных щёток требует глубоких знаний материалов и опыта работы с составами смесей. Незначительные изменения в составе щётки всего на несколько процентов от массы компонентов могут существенно изменить её свойства при использовании. В мире существует всего несколько компаний, разрабатывающих щётки, которые в основном специализируются на определённых типах щёток.

Угольные щётки — одна из наименее дорогостоящих деталей в электродвигателе. С другой стороны, обычно они являются ключевой частью, которая обеспечивает долговечность («срок службы») и производительность двигателя, в котором они используются. Их изготовление требует пристального внимания к контролю качества и производственного процесса на всех этапах производства.

Щётки из жидкого металла[править | править код]

Периодически проводятся исследования по использованию жидких металлов для установления контактов. Недостатки этого подхода — необходимость удержания жидкого металла (поскольку обычно они токсичны или вызывают коррозию) и потери мощности из-за индукции и турбулентности.

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

  1. Бут Д. А. Глава 1. Общие сведения о бесконтактных электрических машинах // Бесконтактные электрические машины. — 2-е. — М. : Высшая школа, 1990. — С. 9. — 416 с. : ил. — ISBN 5-06-000719-7.
  2. Ошибка в сносках?: Неверный тег <ref>; для сносок volt не указан текст
  3. Metal Fiber Brushes and Slip Rings. www.dh-inc.com. Дата обращения 5 ноября 2019.
  4. Zanon, Matteo; Rampin, Ilaria; Breda, Alessandro; Bortolotti, Francesco. The sintering behaviour of electrolytic and water-atomized copper powders (англ.) : journal. — 2015. — 5 October.
  5. Zanon, Matteo; Nassuato, Mirko; Rampin, Ilaria; Echeberria, Jon; Martinez, Ane Maite. The conductive behaviour of copper and silver-coated copper powders (англ.) : journal. — 2014. — 23 September.

Литература[править | править код]

  • Hans Fischer: Werkstoffe in der Elektrotechnik, 2. Auflage. Carl Hanser Verlag, München, Wien 1982, ISBN 3-446-13553-7
  • A. Senner: Fachkunde Elektrotechnik, 4. Auflage. Verlag Europa-Lehrmittel, 1965
  • Werner Schröter, Karl-Heinz Lautenschläger, Hildegard Bibrack: Taschenbuch der Chemie, 9. Auflage. Verlag Harry Deutsch, Frankfurt am Main 1981, ISBN 3-87144-308-5
  • Günter Springer: Fachkunde Elektrotechnik, 18. Auflage. Verlag Europa-Lehrmittel, Wuppertal 1989, ISBN 3-8085-3018-9
  • Gregor D. Häberle, Heinz O. Häberle, Armin Schonard: Elektrische Antriebe und Energieverteilung, 5. Auflage. Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten 2006, ISBN 978-3-8085-5005-2

Ссылки[править | править код]