Щетка или угольная щетка — это электрический контакт , часто изготавливаемый из специально подготовленного углерода , который проводит ток между неподвижными и вращающимися частями (последняя чаще всего представляет собой вращающийся вал ) электрической машины . [1] Типичные области применения включают электродвигатели , генераторы переменного тока и электрогенераторы . Срок службы угольной щетки зависит от того, насколько часто используется двигатель и сколько мощности проходит через двигатель. [2]
Для работы некоторых типов электродвигателей или генераторов катушки ротора должны быть соединены для замыкания электрической цепи. Первоначально это достигалось путем прикрепления медного или латунного коммутатора или « контактного кольца » к валу , с пружинами, прижимающими плетеные медные проволочные «щетки» к контактным кольцам или коммутатору , которые проводят ток. Такие щетки дугообразовали и даже сваривались при вращении коммутатора, поскольку щетка замыкала соседние сегменты.
Лекарством стало введение «высокоомных щеток », изготовленных из графита (иногда с добавлением меди). Хотя сопротивление составляло порядка десятков миллиом, они были достаточно высокими, чтобы обеспечить постепенное смещение тока от одного сегмента коллектора к другому.
Угольные щетки доступны в четырех основных категориях: угольно-графитовые, электрографитовые, графитовые и металлографитовые. [3] Термин «щетка» продолжает использоваться. Поскольку щетки изнашиваются, их можно заменить в изделиях, предназначенных для обслуживания.
Во время Второй мировой войны генераторы высотных самолетов отличались очень быстрым износом щеток, поэтому для обеспечения приемлемого срока службы требовалось менять состав щеток.
В настоящее время разрабатываются щетки из металлического волокна. [4] Они могут иметь преимущества по сравнению с существующей технологией щеток, но пока не получили широкого распространения.
Точный состав щетки зависит от области применения. Обычно используется графитовый/углеродный порошок. Медь используется для лучшей проводимости (редко для приложений переменного тока). Чтобы максимизировать электропроводность и прочность сырца , используется высокодендритный (электролитический) медный порошок. [5] Связующие , в основном фенол или другие смолы или пек , смешиваются, чтобы порошок сохранял свою форму при уплотнении. Другие добавки включают металлические порошки и твердые смазочные материалы, такие как MoS2 , WS2 . Для определения смеси класса щетки для каждого применения или двигателя необходимы многочисленные знания и исследования.
Состав щетки уплотняется в инструменте, состоящем из верхнего и нижнего пуансона и матрицы, на механических или гидравлических прессах. На этом этапе, в зависимости от последующей обработки, медная проволока (называемая шунтирующей проволокой) может быть автоматически вставлена через отверстие в верхнем пуансоне и зафиксирована в прессованном блоке щетки с помощью спрессованного вокруг порошка. Эта операция, называемая «трамбовкой», обычно выполняется с использованием электролитического медного порошка, возможно, с серебряным покрытием для некоторых высокопроизводительных применений. [6] После этого процесса щетка все еще очень хрупкая и на профессиональном жаргоне называется «зеленой щеткой».
Далее следует термическая обработка «зеленых щеток» в искусственной атмосфере (обычно водород и азот ). Диапазон температур достигает 1200 °C. Этот процесс называется спеканием или обжигом. Во время спекания связующие вещества либо выгорают, либо обугливаются и образуют кристаллическую структуру между углеродом, медью и другими добавками. [7] За спеканием следует графитизация (термическая обработка). Термическая обработка преобразуется по температурной кривой, точно определенной для каждой смеси материалов. Помимо состава смеси, используемая температурная кривая является вторым большим «секретом» каждого производителя щеток. После термической обработки структура щетки изменяется таким образом, что копирование щетки для конкурирующих компаний становится практически невозможным.
Спекание приводит к тому, что щетки сжимаются и изгибаются. Их необходимо шлифовать до чистой формы. Некоторые компании используют дополнительную обработку, чтобы сделать щетку более долговечной, например, пропитывая рабочую поверхность специальными маслами, смолами и смазкой. [7]
Производство угольных щеток требует глубоких знаний материалов и опыта в составлении смесей. Очень небольшие изменения в составе щеток всего на несколько процентов компонентов по весу могут существенно изменить свойства щеток при их применении. В мире существует всего несколько компаний, занимающихся разработкой щеток, которые в основном специализируются на определенных типах щеток.
Угольные щетки являются одной из наименее дорогостоящих частей электродвигателя. С другой стороны, они обычно являются ключевой частью, которая обеспечивает долговечность («срок службы») и производительность двигателя, в котором они используются. Их производство требует очень высокого внимания к контролю качества и контролю производственного процесса на всех этапах производственного процесса.
Время от времени исследуется использование жидких металлов для создания контактов. Недостатки этого подхода включают необходимость удержания жидкого металла (так как он обычно токсичен или вызывает коррозию) и потери мощности из-за индукции и турбулентности.
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )