Электрощётка

Электрощётка, также у́гольная щётка — скользящий электрический контакт, проводящий электрический ток между неподвижными частями и движущимися частями различных электротехнических устройств.

Угольные щётки

Элементы угольной щётки

Схема применения угольных щёток в коллекторной машине постоянного тока

Обычно применяется для передачи электрического тока на вращающиеся узлы^[1]. Наиболее часто применяются в электродвигателях, электрических генераторах постоянного и переменного тока, а также в переменных и подстроечных резисторах, автотрансформаторах (ЛАТР) с плавной регулировкой напряжения, токоприёмниках электрифицированного транспорта (троллейбусах, трамваях, поездах метрополитена), поворотных стендах.

Происхождение названияПравить

Для работы многих типов электродвигателей и генераторов катушки ротора должны иметь электрическую связь для того, чтобы замкнуть электрическую цепь. Первоначально это достигалось путём размещения медного или латунного коллектора или контактных колец на валу. С помощью пружин, к коллектору или кольцам прижимались плетёные медные проволочные «щётки».

Недостаток таких щёток — ненадёжная коммутация, поскольку они при работе перемещались от одного сегмента (пластины) коллектора к соседнему, накоротко замыкая их. Решить эту проблему помогло использование «высокоомных щёток», изготовленных из графита (иногда — с добавлением порошка меди). Несмотря на то, что электрическое сопротивление графитовых щёток выше металлических, и составляет десятки миллиом, оно достаточно мало, чтобы передавать большие токи и достаточно высокое, чтобы не замыкать накоротко соседние пластины коллектора при коммутации.

Термин «щётка» для этих скользящих контактов сохранился и для названия угольных щёток.

Технология изготовления щётокПравить

Состав компонентовПравить

Конкретный состав материала щётки зависит от сферы применения. Обычно используется графитный или угольный порошок. Для увеличения электропроводности и механической прочности в графитовый порошок добавляют при изготовлении мелкий медный порошок в виде дендритных мелких кристаллов, полученный электролитическим методом^[2]. Медь редко добавляют в материал щёток предназначенных для работы в устройствах, работающих на переменном токе^{[источник не указан 835 дней]}.

В полученный после смешивания компонентов порошок добавляют вяжущие вещества, в основном фенолформальдегидные смолы или другие полимерные смолы или каменноугольный пек и смешиваются, чтобы получить прочные заготовки после прессования для последующего обжига. Также в смесь могут добавляться порошки других металлов и твёрдые смазки, например, дисульфид молибдена ( $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ ${\ce {MoS2}}$ ) или дисульфид вольфрама ( $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ ${\ce {WS2}}$ ). Конкретный состав смеси зависит от области применения и условий работы изделий.

Прессование смесиПравить

Некоторые типы коллекторных электрощёток

Смесь прессуется в форме, состоящей из пуансона и матрицы на механических или гидравлических прессах. При прессовании некоторых типов щёток через отверстие в пуансоне в прессуемую смесь вводится гибкий проводник из многожильной медной проволоки (так называемая шунтирующая проволока), конец которой покрыт электролитическим медным порошком. В ответственных применениях возможно использование серебряного порошка или серебряного покрытия медной проволоки^[3]. После прессования заготовка щётки ещё очень хрупкая, и на профессиональном жаргоне называется «сырая щётка» (англ. green brush).

Обжиг сырых щётокПравить

Щётки на электродвигателе бытового пылесоса

«Сырые щётки» подвергаются термообработке (обжигу) в защитной атмосфере (как правило, это смесь водород и азота) при температуре, достигающей 1200 °C. Этот процесс называется спеканием или «выпеканием». Во время спекания связующие органические вещества частично выгорают и частично обугливаются, образуя графитовую кристаллическую связующую структуру между частицами углерода, частицами меди и другими компонентами. Термическая обработка производится по точно контролируемой температурной циклограмме, заданной для каждой конкретной смеси и конкретного назначения конечного изделия.

Дополнительные технологические операцииПравить

Проволочные щётки в небольшом коллекторном двигателе постоянного тока

При спекании заготовки дают усадку и деформируются. Для придания им заданных размеров они шлифуются. Некоторые производители щёток для увеличения их долговечности используют дополнительную обработку, например, пропитку контактной трущейся поверхности специальными маслами, смолами и смазками.

ЭксплуатацияПравить

Поскольку щётки изнашиваются, то в изделиях, предполагающих техническое обслуживание, предусмотрена возможность их замены.

Угольные щётки — одна из наименее дорогостоящих деталей в электродвигателе. С другой стороны, они являются важной частью обеспечивающей долговечность («срок службы») и производительность устройства, в котором они используются.

Перспективные разработкиПравить

Щётки из жидкого металлаПравить

Проводятся исследования по использованию жидких металлов для установления применения в скользящих контактных парах. Сложность такого использования — необходимость удержания жидкого металла (поскольку жидкие при невысоких температурах металлы обычно токсичны или вызывают коррозию) и потери энергии из-за индукции^{[прояснить]} и турбулентности^{[источник не указан 835 дней]}.

Щётки из металлического волокнаПравить

Щётки из металлического волокна в настоящее время находятся в стадии разработки^[4]. У них может быть преимущество по сравнению с современной технологией, но они пока ещё не получили широкого распространения.

См. такжеПравить

ПримечанияПравить

↑ 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.
↑ Zanon, Matteo; Rampin, Ilaria; Breda, Alessandro; Bortolotti, Francesco. The sintering behaviour of electrolytic and water-atomized copper powders (англ.) : journal. — 2015. — 5 October.
↑ 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.
↑ Metal Fiber Brushes and Slip Rings (неопр.). www.dh-inc.com. Дата обращения: 5 ноября 2019.

ЛитератураПравить

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

СсылкиПравить

[but-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.

[gate-2] Zanon, Matteo; Rampin, Ilaria; Breda, Alessandro; Bortolotti, Francesco. The sintering behaviour of electrolytic and water-atomized copper powders (англ.) : journal. — 2015. — 5 October.

[research-3] 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.

[metal-4] Metal Fiber Brushes and Slip Rings (неопр.). www.dh-inc.com. Дата обращения: 5 ноября 2019.

[1]

[2]

[3]

[4]