Для чего нужны щетки в электрических машинах
В электрических двигателях и генераторах часто необходимо установить электрическое соединение между неподвижной и вращающейся частью устройства.
В случае статорной (т. е. неподвижной) основной обмотки электрической машины устройство от нее ответвлений для присоединения внешней неподвижной электрической системы осуществляется легко, в случае же роторной (т. е. вращающейся) основной обмотки возникает необходимость в устройстве скользящего электрического контакта, так как иначе роторная обмотка недоступна.
Скользящий электрический контакт может быть осуществлен двумя способами: либо в виде кольцевого скользящего контакта, либо в виде коллекторного скользящего контакта. В обоих случаях для работы электрической машины нужны специальные устройства - щетки.
История щеток электрических машин
В первых электрических машинах щетки представляли собой пакет, собранный из медных пластинок или тонких проволочек, откуда они и получили свое название.
Медносетчатые и фольговые щетки можно считать первыми представителями современных металлографитных щеточных марок.
Начиная с 1905 — 1910 гг. металлографитные щетки изготовляются из смеси порошков меди и графита, и иногда и свинца (размер частиц — порядка 5 — 80 микрон). Но металлографитные щетки не отвечают требованиям безискровой коммутации.
Следует отмстить, что прессование изделий из металлического порошка (платиновые чаши, тигли, монеты, медали и пр.) впервые било осуществлено русским ученым П. Г. Соболевским 21 мая 1826 г., положившим начало металлокерамике.
Дальнейшему развитию электрощеток способствовало развитие электроугольной промышленности, в частности изготовление электродов для электрической дуги.
Сначала электроды изготавливались в виде кусков графита и древесного угля. Затем для электродов начали применять искусственный уголь, т. е. угольный порошок, смешанный с сахаром или патокой, спрессованный и затем обожженный.
Этот способ был применен и для изготовления электрощеток. Изготовление первых твердых угольных щеток относится к 1890 г.
С появлением быстроходных машин с кольцами, в основном — турбогенераторов переменного тока и быстроходных коллекторных машин, потребовались новые типы щеток, так как металлографитные и угольно-графитные щетки не смогли работать при высоких окружным скоростях из-за искрения, вызываемого вибрациями щеток.
Для быстроходных машин с кольцами были разработаны графитные щетки, полученные путем прессования порошка графита с малым количеством связующего (смола, бакелит) и последующего обжига при сравнительно низкой температуре, порядка нескольких сотен градусов.
Для некоторых сортов графита (цейлонский) оказалось возможным даже получать готовые щеточные блоки путем одного лишь прессования, без всякого связующего и без обжига. Щетки этого типа получили название натурально-графитных.
Первые образцы графитных щеток появились в 1893 г., а натурально-графитных — в 1905 г.
Графитные и, в особенности, натурально-графитные щетки работали на кольцах быстроходных машин без искрения. На коллекторах же быстроходных машин напряжением свыше 220 В, а иногда даже и на машинах напряжением 120 - 220
В эти щетки без искрения не работали.
Было известно, однако, что твердые угольные щетки хорошо работают на коллекторах тихоходных машин, но начинают искрить при повышении окружной скорости скользящего контакта свыше 12—15 м/сек вследствие появления вибрации щеток. Путем изменения технологии изготовления угольно-графитных щеток был получен новый класс щеток — электрографитировниные, сочетавшие в себе свойства угольных и графитных щеток.
Процесс изготовления электрографитированных щеток вначале аналогичен изготовлению как твердых угольных, так в угольно-графитных щеток.
Полученные щеточные блоки подвергаются так называемой графитации, т. е. дополнительному прокаливанию при температурах порядка 2 500° С в специальных печах сопротивления.
Щетки в современных машинах
Щетки современных электрических машин — это кубики, спрессованные из угольных, графитных или медных порошков, и поэтому не соответствуют своему названию, которое, однако, сохранилось за ними.
Медные, железные и бронзовые щетки, которые очень хорошо выполняли свою работу в первых машинах постоянного тока в конце XIX века, оказались не очень хорошими материалами в отношении трения. Они быстро изнашивались и в новых конструкциях машин были заменены на угольные и графитовые.
В настоящее время для машин постоянного тока применяют почти исключительно угольные щетки с примесью графита, носящие, в зависимости от процентного содержания графита и от способа изготовления щеток, названия угольно-графитовых, графитовых, либо электрографитовых. Лишь для машин на небольшие напряжения, до 30 В, применяют металло-угольные щетки, дающие меньшее падение напряжения в контактном (переходном) слое на коллекторе.
Угольные щетки изготовляются из чистого графита, ретортного угля и сажи в разнообразных пропорциях. Уголь - самосмазывающийся материал, который не повреждает поверхность, о которую он трется, и не изнашивается быстро.
Графитовые щетки изготовляются из чистого природного графита. Графит измельчается в мелкий порошок, который затем прессуется под очень большим давлением в бруски нужных размеров. Уголь и графит являются отличными проводниками электрического тока.
Электрографитовые щетки — это, по существу, угольные щетки, но подвергнутые воздействию высокой температуры в электрической печи и превращенные таким образом в графитовые. Эти щетки обладают свойством очень хорошо пришлифовываться.
Металло-угольные щетки изготовляются из угля и меди, измельченной в мелкий порошок, иногда с прибавкой другого измельченного металла (чаще всего олова).
Изготовление этих щеток ведется таким образом, чтобы щетка обладала возможно лучшей проводимостью в осевом направлении, в котором проходит рабочий ток машины, и плохой проводимостью (большое электрическое сопротивление) в поперечном направлении, в котором происходит при коммутации замыкание добавочных токов коммутируемых секций.
Щетки для электрических машин стандартизованы. Они характеризуются твердостью, переходным падением напряжения в контакте и допустимой плотностью тока.
Эта технология передачи энергии, которой уже более ста лет, широко используется и сегодня. Угольные щетки до сих пор можно найти во многих электродвигателях. Начиная с небольших двигателей в игрушках, электрических кухонных приборов, электрических стеклоподъемников, бритв, стиральных машин, фенов, пылесосов или электроинструментов (электродрелей, угловых шлифовальных машин, кусторезов, циркулярных пил и т. д.).
Щетки также применяются в бильших машинах постоянного тока в электровозах, подводных лодках и генераторах электростанций, а также в ветряных турбинах. Соответственно разнообразны геометрические и электрические характеристики угольных щеток.
Число зон (образующих цилиндрической поверхности коллектора) установки щеток на коллекторе обычно равно числу полюсов машины. Число щеток в каждой зоне зависит от величины тока и допустимой для данного сорта щетки плотности тока под щеткой, однако меньше двух щеток на зону можно встретить только в очень маленьких машинах, так как при одной щетке на зону трудно обеспечить надежность щеточного контакта.
Щетки, стоящие в одной и той же зоне, называются зонным комплектом щеток, а совокупность всех зонных комплектов данной машины — полным комплектом щеток.
Торцевую поверхность щеток со стороны, противоположной соприкосновению с коллектором, обычно обмедняют, иногда лудят. При небольшом токе отводимом щеткой, достаточно удовлетворительные условия отвода тока обеспечиваются поверхностью соприкосновения щетки со щеткодержателем и нажимной пружиной.
Щетки больших размеров снабжают плотно надетыми на них колпачками из листовой меди и прикрепленными к ним поводками из медных гибких канатиков соответствующих сечений, с наконечниками для присоединения под винтик к щеткодержателю или к детали, предназначенной для отвода от щетки тока. Колпачок щетки с канатиком называют арматурой щетки.
Щеткодержатели
Щетки удерживаются в фиксированном относительно коллектора положении щеткодержателями, конструкции которых весьма разнообразны.
Если электрическая машина предназначается для обоих направлений вращения, то применяют радиальные щеткодержатели, обеспечивающие расположение щетки по радиусу коллектора. В машинах с одним определенным направлением вращения часто применяют щеткодержатели с некоторым наклоном щетки к радиусу.
Щеткодержатель для машин постоянного тока малой и средней мощности
Щеткодержатель крупной машины постоянного тока
Щеткодержатели одной зоны укрепляют на щеточных пальцах круглого или квадратного сечения либо на щеточных бракетах. Щеточные пальцы или бракеты разных зон установки щеток укрепляют на щеточных суппортах или щеточных траверсах, от которых они должны быть надежно изолированы.
В свою очередь, щеточные траверсы крепят либо к подшипникам, либо к подшипниковым щитам, либо к ярму или, наконец, устанавливают независимо на фундаментную плиту машины (при больших длинах коллектора).
Замена щеток
Важными условиями, которым должны удовлетворять щеточный суппорт или щеточная траверса, являются, безусловное отсутствие вибраций, доступность осмотра щеток и их регулировки, легкий съем отдельных щеткодержателей для ремонта и возможность одновременного поворота всей системы щеток для точной установки их в надлежащем для коммутации положении при сохранении полной концентричности щеткодержателей и коллектора.
Щетки, щеткодержатели, пальцы (или бракеты) и траверса (или суппорт) составляют так называемый токособирательный аппарат машины постоянного тока. В него входят также соединения между собой зонных комплектов щеток одной и той же полярности.
Для отвода тока щеточные пальцы и бракеты одноименных зон (т. е. одной и той же полярности, положительные или отрицательные) соединяют электрически друг с другом изолированным проводом соответствующего сечения.
Таким образом, получают два собирательных полных или неполных кольца, которые затем присоединяют посредством гибких кабелей соответствующего сечения к внешним зажимам машины. Последние крепят на особой доске зажимов либо к ярму, либо к фундаментной плите машины. Прикрытая защитной крышкой доска зажимов образует коробку зажимов.
Правильное применение и выбор щеток вместе с надлежащим техническим обслуживанием приводят к повышению производительности машины и снижению затрат на время простоя.
Поскольку трение, вызванное вращением устройства, вызывает абразивный износ, щетки необходимо периодически заменять. По этой причине были изобретены бесщеточные электродвигатели.
Андрей Повный