Щетка (электрическая)

Щетка или угольная щетка — электрический контакт , часто изготовленный из специально подготовленного углерода , который проводит ток между неподвижной и вращающейся частями (последней чаще всего является вращающийся вал ) электрической машины . ^[1] Типичные области применения включают электродвигатели , генераторы переменного тока и электрогенераторы . Срок службы угольной щетки зависит от того, как часто используется двигатель и какая мощность передается на него. ^[2]

Этимология

Для работы некоторых типов электродвигателей или генераторов катушки ротора должны быть соединены, чтобы замкнуть электрическую цепь. Первоначально это достигалось путем прикрепления медного или латунного коллектора или « контактного кольца » к валу , при этом пружины прижимали «щетки» из плетеной медной проволоки к контактным кольцам или коллектору, которые проводят ток. Такие щетки изгибались и даже приваривались при вращении коллектора, поскольку щетка замыкала накоротко соседние сегменты.

Решением проблемы стало внедрение «щеток с высоким сопротивлением », изготовленных из графита (иногда с добавлением меди). Хотя сопротивление составляло порядка десятков миллиом, оно было достаточно высоким, чтобы обеспечить постепенное смещение тока от одного сегмента коммутатора к другому.

Угольные щетки доступны в четырех основных категориях: угольно-графитовые, электрографитовые, графитовые и металлографитовые. ^[3] Термин «кисть» продолжает использоваться. Поскольку щетки изнашиваются, их можно заменить в изделиях, предназначенных для обслуживания.

Во время Второй мировой войны генераторы высотных самолетов очень быстро изнашивались щетки, что требовало изменения состава щеточных смесей для обеспечения приемлемого срока службы.

В настоящее время разрабатываются щетки из металлического волокна. ^[4] Они могут иметь преимущества перед нынешней технологией щеток, но еще не получили широкого внедрения.

Производственный процесс

Смешивание компонентов

Точный состав кисти зависит от области применения. Обычно используется графит/углеродный порошок. Медь используется для лучшей проводимости (редко для приложений переменного тока). Чтобы максимизировать электропроводность и прочность в сыром состоянии , используется высокодендритный (электролитический) медный порошок. ^[5] Связующие вещества , в основном фенол или другие смолы или смолы , добавляются так, чтобы порошок сохранял свою форму при уплотнении. Другие добавки включают металлические порошки и твердые смазочные материалы, такие как MoS ₂ , WS ₂ . Чтобы определить марку смеси щеток для каждого применения или двигателя, необходимы многочисленные ноу-хау и исследования.

Уплотнение смеси

Щеточный состав 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 щеточном блоке с помощью прижатого порошка. Эта операция, называемая «набивкой», обычно выполняется с использованием электролитического медного порошка, возможно, с серебряным покрытием для некоторых высокопроизводительных применений. ^[6] После этого процесса кисть все еще очень хрупкая и на профессиональном жаргоне называется «зеленой кистью».

Обжиг зеленых кистей

Далее следует термообработка «зеленых кистей» в искусственной атмосфере (обычно водорода и азота ). Диапазон температур до 1200°C. Этот процесс называется спеканием или обжигом. В процессе спекания связующие либо выгорают, либо карбонизуются и образуют кристаллическую структуру между углеродом, медью и другими добавками. ^[7] После обжига следует графитация (термическая обработка). Термическая обработка преобразуется в температурную кривую, точно определенную для каждой смеси материалов. Помимо состава смеси, вторым большим «секретом» каждого производителя щеток является используемая температурная кривая. После термообработки структура щетки видоизменяется таким образом, что копирование щетки становится практически невозможным для конкурирующих компаний.

Вторичные операции

Спекание приводит к усадке и изгибу щеток. Они должны быть отшлифованы до чистой формы. Некоторые компании используют дополнительную обработку, чтобы сделать щетку более долговечной, например, пропитку рабочей поверхности специальными маслами, смолами и смазками. ^[7]

Производство угольных щеток требует глубоких знаний материалов и опыта составления смесей. Очень небольшие изменения в составе кистей (всего на несколько процентов по весу) могут существенно изменить свойства кистей при их применении. В мире существует всего несколько компаний-разработчиков кистей, которые в основном специализируются на определенных типах кистей.

Угольные щетки — одна из наименее дорогостоящих деталей электродвигателя. С другой стороны, они обычно являются ключевой деталью, обеспечивающей долговечность («срок службы») и производительность двигателя, в котором они используются. Их производство требует очень пристального внимания к контролю качества и контролю производственного процесса на всех этапах производства. производственный процесс.

Щетки из жидкого металла

Время от времени исследуются возможности использования жидких металлов для создания контактов. Недостатками этого подхода являются необходимость удержания жидкого металла (поскольку он обычно токсичен или коррозионно-активен) и потери мощности из-за индукции и турбулентности.