Материалы для контактов

Электрические щётки

Щётки обеспечивают электрический контакт со скользящими поверхностями (коллектором и контактными кольцами). Они представляют собой прямоугольные бруски из материала сложного состава на графитовой основе. Типы щёток многочисленны и отличаются по коэффициенту трения, твёрдости, падению напряжения под ними и так далее.  В основном щётки подбирают экспериментально, при этом руководствуясь определенными правилами, которые известны проектировщикам электрических машин. Ранее, во времена появления первых электрических машин, электрический контакт со скользящими поверхностями осуществляли при помощи щёток из проволоки – отсюда и термин  “электрические щётки”.

Контактное сопротивление

Основная функция почти всех электрических контактов заключается в том, чтобы проводить электрический ток. Отсюда следует, что электрический контакт должен обладать очень маленьким контактным сопротивлением, чтобы не иметь нежелательного падения напряжения, проходящего через контакт, в особенности в том случае, если номинальное значение напряжения маленькое.

Сопротивление контакта можно разделить на две составляющие, которые существенно отличаются друг от друга и имеют разную величину. Контактное сопротивление состоит из сопротивления на материале и сопротивления поверхности между контактами. Сопротивление материала контакта является очень низким по сравнению с сопротивлением взаимного влияния. Поверхности взаимного влияния контакта являются ровными.

Каждая ровная поверхность имеет несколько маленьких точек проекции. Эти небольшие точки проекции ограничивают область касания поверхностей, которые взаимно влияют друг на друга. Вследствие этого, эффективная область взаимного влияния, через которую проходит электрический ток, очень мала по сравнению с общей областью поверхностей взаимного влияния.

Поэтому, сопротивление на контакте взаимного влияния очень высоко. Для уменьшения этого контактного сопротивления, необходимо сделать поверхности взаимного влияния настолько гладкими, насколько это возможно, для того чтобы увеличить область поверхностей взаимного влияния, которые касаются друг друга.

Контактное сопротивление может изменяться вместе с загрязнением поверхности взаимного влияния, которое имеет химическую природу, а именно оно выражается в окислении материала контакта. Такое вот окисление материала, из которого сделан контакт, является основной проблемой, связанной с электрическими контактами.

Эти соединения формируют слой тонкой плёнки на поверхностях контактов. Данные соединения не проводят электрический ток, находясь в природе. Это обстоятельство приводит к тому, что контактное сопротивление значительно возрастает.

Магнитные материалы

Магнитные материалы применяют  для изготовления магнитопроводов электрических машин. Как правило, это листовая элекротехническая сталь. В зависимости от частоты, на которой будет работать электрическая машина, выбирается и толщина электротехнической стали (50 Гц – 0,5мм и 0,35мм ; 400 Гц – 0,2мм и 0,15мм ; 20кГц – до 0,05мм).

В состав электротехнической стали входят легирующие присадки,  главной из которых является кремний. Добавки кремния уменьшают магнитные потери в стали. Как правило, добавки кремния находятся в пределах 1%…5% , и чем больше содержания кремния, тем меньше магнитные потери в стали. При увеличении содержания кремния повышается также хрупкость и твёрдость стали, что вносит определённые трудности при её обработке.   Поэтому, сталь с содержанием кремния 4%…5% (т.е. высоколегированную) применяют там, где нет сложных по своей конфигурации деталей, например для изготовления трансформаторов. Листовую электротехническую сталь с содержанием кремния 1%…3% (т.е. не высоколегированную) применяют где есть сложные по своей конфигурации детали, например для изготовления статоров и роторов вращающихся машин с наличием выштампованных пазов сложной формы.

Листовую электротехническую сталь в большинстве случаев изготавливают на металлургических комбинатах способом холодного катания. Важным магнитным свойством такой стали является то, что при совпадении направлений прокатки и магнитного потока индукция насыщения и магнитная проницаемость возрастают, а также уменьшаются потери в стали на перемагничивание примерно в 2-3 раза.  Поэтому, при проектировании и изготовлении магнитопроводов из холоднокатаной стали, необходимо учитывать вышеуказанное свойство, которое усложняет конструкцию и технологию, так как требуется исключать прохождение магнитного потока поперек прокатки, вынужденно уменьшая длины участков, где этого нельзя избежать. Эти сложности, вплоть до ограниченного применения холоднокатаной стали, особенно проявляются при  проектировании и изготовлении  вращающихся машин (электродвигателей, генераторов и т.п.), где имеет место сложная конфигурация магнитопроводов, особенно это касается очень крупных электрических машин. Следует отметить что, холоднокатаная листовая электротехническая сталь широко используется при изготовлении трансформаторов.

Из магнито-мягкой низколегированной стали изготавливают корпуса машин постоянного тока, так как они зачастую являются одной из составных частей магнитопровода. Валы электрических машин изготавливают из сталей с добавками никеля, хрома и т.д., то есть высокопрочных конструкционных сталей.

Высокая теплопроводность

В ходе эксплуатации электрических контактов, которые применяют в тех схемах, в которых высоко номинальное значение электрического тока, дуговой разряд создаёт такое тепло, которое приводит к очень высокой температуре.

Для того чтобы избежать концентрации этого тепла на поверхности контактов, это тепло должно быть распределено по поверхности контакта и рассеяно в атмосфере

Так что при поиске материала, который подходил бы для электрических контактов, следует обратить внимание на то, что данный материал должен обладать высокой проводимостью тепла

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Обмоточные провода

Для изготовления токопроводящих жил обмоточных проводов наибольшее применение получили медь и алюминий. В исключительных случаях это может быть серебро. Обмоточные провода выпускают сечения прямоугольного и круглого вида.
Медная проволока круглого сечения для обмоточных проводов изготовляется из меди двух разновидностей — медь твердая (МТ) и медь мягкая (ММ). Проволока прямоугольного сечения марок МГТ (медная голая твердая) и МГМ (медная голая мягкая).
Медные провода круглого сечения выпускают с диаметром жилы 0,02—5,2 мм, прямоугольные провода с размерами большей стороны a = 2,1 —14,5 мм., а меньшей стороны b= 0,83—5,5 мм.
Алюминиевые провода более доступны, соответственно и имеют меньшую стоимость по сравнению с медью. Кроме того, они имеют меньший удельный вес, а значит при их использовании уменьшается и вес изготовленных изделий. Для изготовления проводов служит алюминиевая круглая проволока марок АТ (алюминиевая твердая), АПТ (алюминиевая полу-твердая), AM (алюминиевая мягкая) и прямоугольная проволока марки AM.
Электрические свойства проводниковых материалов выглядят так: удельное электрическое сопротивление твердой медной проволоки равно 0,0177—0,018 Ом-мм2/м, мягкой— не более 0,0173 Ом-мм2/м, алюминиевой твердой и полу-твердой — не превышает 0,0283 Ом-мм2/м, мягкой— 0,28 Ом-мм2/м.
Есть проводниковые материалы, применение которых ограничено. Отдельной строкой можно отметить такой проводник, как серебро. Его удельное сопротивление всего 0,016 Ом-мм2/м. Но в связи с его высокой стоимостью, используется этот материал очень редко.
Удельный вес алюминия 2,7 г/см3; меди 8,93 г/см3; серебра 10,5 г/см3.
Свою нишу занимают проводники из никеля, вольфрама, молибдена. Эти проводники имеют большое удельное сопротивление и применяются для изготовления резисторов большой мощности и всевозможных нагревательных элементов.
Сталь – тоже относится к проводниковым материалом. Применяется для изготовления шин заземления, контура и элементов заземления т.е. там, где проводимостью можно пренебречь, но нужна механическая прочность.
В зависимости от вида изоляции различают обмоточные провода с волокнистой изоляцией, изолированные кабельной или бумажной изоляцией (ПБ), хлопчатобумажной пряжей (ПБД, Г1БО, ПБОО, АПБД) и относятся они к классу нагревостойкости А.
К этому же классу нагревостойкости относятся эмалированные провода марок ПЭЛ, ПЭВ, ПЭЛР, провода с эмалево-волокнистой изоляцией марки ПЭЛ ВО, ПЭЛ БД, ПЭЛШО.
Эмалированные провода марки ПЭТВ относятся уже к класса В.
Провода со стекловолокнистой изоляцией и пропитанные нагревостойким лаком (ПСД, ПСДКТ) относятся к классу F и Н.
Примерно так же характеризуются провода марки ПЭТ—155А, эмалированные полиэфиримидным лаком и отмечены классом нагревостойкости F.
Проводниковые материалы в виде обмоточных проводов применяются для изготовления электрических машин таких, как электродвигатели, трансформаторы, всевозможные катушки и дроссели и т.д. Провода из серебра применяются в точном приборостроении, в космической отрасли промышленности, в радиотехнике.

Изоляционные материалы

Изоляционные материалы применяются главным образом для надёжного предотвращения межвитковых замыканий обмоток электрических машин, а также их электрического контакта (пробоя) с корпусом. Межвитковые замыкания вызывают перегрев электрической машины и как следствие её возможное возгорание. Электрический контакт (пробой) обмоток с корпусом, в большинстве случаев, может вызвать поражение электрическим током, если до этого не было правильно выполнено защитное заземление электрической машины. Поэтому к изоляционным материалам всегда должны быть повышенные требования. Как правило, неисправности, вызванные нарушением изоляции, устраняются либо капитальным ремонтом, либо заменой электрической машины. Стоимость изоляции современных машин довольно велика и может составлять до 30%…70% от их общей стоимости. Основные требования к изоляции: нагревостойкость, электрическая прочность, влагостойкость, теплопроводность, механическая прочность, эластичность.

Нагревостойкость является важнейшим требованием к изоляции. От неё в значительной степени зависит продолжительность работы (или жизни)  электрической машины в режиме температурных перегрузок, вызванных различными причинами. В зависимости от нагревостойкости, изоляционные материалы в электромашиностроении разделили на классы.

Нагревостойкость – это способность изоляции не менять своих электрических и механических свойств под воздействием температур. Срок службы и свойства изоляции сильно зависят от воздействия температуры, что подтверждают исследования в этой области. Например, исследования показали, что повышение температуры всего на 8 Сº в диапазоне температур 60 Сº -180 Сº для изоляции класса А, снижает срок её службы в 2 раза.

Для изготовления электрических машин в основном используются эмалевые изоляции проводов. Эмалевые изоляции бывают классов от А до Н. Такой важный параметр как нагревостойкость зависит от материала из которого изготавливают эмаль. Например, нагревостойкими эмалями считаются изготовленные из фторопласт-3,фторопласт-4 , менее нагревостойкими на основе лавсана и эпоксидных смол, ещё менее нагревостойкими из полистирола, полиамида и т.д..

В современном производстве широко используется литая изоляция. Литая изоляция, отличается большой толщиной и как разновидность нагревостойких эмалевых изоляций является довольно перспективной. Эмалевые и литые изоляции сравнительно легко заполняют пазы обмоток и повышают их нагревостойкость, а также позволяют механизировать процесс изготовления изоляции.

Классификация электротехнических материалов

Материалы, применяемые в электрических машинах, подразделяются на три категории: конструктивные, активные и изоляционные.

Конструктивные материалы

применяются для изготовления таких деталей и частей машины, главным назначением которых является восприятие и передача механических нагрузок (валы, станины, подшипниковые щиты и стояки, различные крепежные детали и так далее). В качестве конструктивных материалов в электрических машинах используется сталь, чугун, цветные металлы и их сплавы, пластмассы. К этим материалам предъявляются требования, общие в машиностроении.

Активные материалы

подразделяются на проводниковые и магнитные и предназначаются для изготовления активных частей машины (обмотки и сердечники магнитопроводов). Изоляционные материалы применяются для электрической изоляции обмоток и других токоведущих частей, а также для изоляции листов электротехнической стали друг от друга в расслоенных магнитных сердечниках. Отдельную группу составляют материалы, из которых изготовляются электрические щетки, применяемые для отвода тока с подвижных частей электрических машин.

Ниже дается краткая характеристика активных и изоляционных материалов, используемых в электрических машинах.

Проводниковые материалы

Благодаря хорошей электропроводности и относительной дешевизне в качестве проводниковых материалов в электрических машинах широко применяется электротехническая медь, а в последнее время также рафинированный алюминий. Сравнительные свойства этих материалов приведены в таблице 1. В ряде случаев обмотки электрических машин изготовляются из медных и алюминиевых сплавов, свойства которых изменяются в широких пределах в зависимости от их состава. Медные сплавы используются также для изготовления вспомогательных токоведущих частей (коллекторные пластины, контактные кольца, болты и так далее). В целях экономии цветных металлов или увеличения механической прочности такие части иногда выполняются также из стали.

Таблица 1

Физические свойства меди и алюминия

Материал Сорт Плотность, г/см3 Удельное сопротивление при 20°C, Ом×м Температурный коэффициент сопротивления при ϑ °C, 1/°C Коэффициент линейного расширения, 1/°C Удельная теплоемкость, Дж/(кг×°C) Удельная теплопроводность, Вт/(кг×°C)
Медь Электротехническая отожженная 8,9 (17,24÷17,54)×10-9 1,68×10-5 390 390
Алюминий Рафинированный 2,6-2,7 28,2×10-9 2,3×10-5 940 210

Температурный коэффициент сопротивления меди при температуре ϑ °C

(1)

Соответственно этому, если сопротивление медной обмотки при температуре ϑx равно rx, то ее сопротивление при температуре ϑг

(2)

Зависимость сопротивления меди от температуры используется для определения повышения температуры обмотки электрической машины при ее работе в горячем состоянии ϑг над температурой окружающей среды ϑо. На основании соотношения (2) для вычисления превышения температуры

Δϑ = ϑг — ϑо

можно получить формулу

(3)

где rг – сопротивление обмотки в горячем состоянии; rx – сопротивление обмотки, измеренное в холодном состоянии, когда температуры обмотки и окружающей среды одинаковы; ϑx – температура обмотки в холодном состоянии; ϑо – температура окружающей среды при работе машины, когда измеряется сопротивление rг.

Соотношения (1), (2) и (3) применимы также для алюминиевых обмоток, если в них заменить 235 на 245.

Электроизоляционные лакированные ткани

Лакоткани и стеклоткани представляют собой гибкий материал и изготовляют из х/б, стеклянной или шелковой ткани. После этого ткань пропитывают масляно-битумным или масляным лаком или другим изоляционным составом. Они выпускаются рулонами толщиной 0,1—0,3 мм и шириной от 700 до 1000 мм. Марки лакоткани, выпускаемые промышленностью ЛХС, ЛХСМ, ЛХСС, ЛХЧ, ЛШС. Марки стеклоткани ЛСБ, ЛСМ, ЛСЭ, ЛСММ, ЛСК, ЛСКР, ЛСКЛ. Лакоткань шелковую марки ЛШС выпускают также и толщиной 0,08 мм, а ЛШСС может иметь толщину 0,04 мм.

Лакоткань

У марок лакотканей и стеклотканей аббревиатура в названии расшифровывается следующим образом:
Л — лакоткань;
X — хлопчатобумажная;
С — на втором месте — стеклянная;
К — на втором месте — капроновая;
С — на третьем месте — светлая;
К — на третьем месте — кремнийорганическая;
С — на четвертом месте — специальная;
Л — на четвертом месте — липкая;
Ч — черная;
Ш — шелковая;
Б — битумно-маслянноалкидная;
М — маслостойкая;
Р — резиновая;
Э — эскапоновая.Стеклоткань имеет высокую нагревостойкостью. Марки ЛСКЛ и ЛСК — около 180°С, а марка ЛБС доходит до 130° С. Их электрическая прочность составляет 35 – 40 кВ/мм.

Стеклоткань

Лакоткань и стеклоткань используются в качестве электро и тепло изоляционных материалов. Чаще всего ими изолируют слои обмоток катушек.

Слоистые изоляционные материалы

К слоистым изоляционным материалам относятся текстолит, стеклотекстолит, и гетинакс.

Текстолит

Текстолит представляет собой слоистый изоляционный материал. Изготовлен методом прессованния при 150°С многослойной х/б ткани, пропитанную резольной смолой. По сравнению с другим изоляционным материалом, гетинаксом имеет более высокую механическую прочность, но худшие некоторые характеристики, такие, как влагостойкость и цена. Выпускается в форме цилиндров, стержней, трубок и листов. Имеет две основные марки: А — которая обладает высокой электрической прочностью, и Б — с лучшими механическими свойствами и хорошей влагостойкостью. Текстолит хорошо механически обрабатывается. Из него изготавливаются каркасы катушек, диэлектрические щиты, платы, штанги, прокладки. Благодаря хорошим износостойким свойствам из него делают шестеренки, вкладыши для подшипников.

Стеклотекстолит

Стеклотекстолит изготовляют та же, как и текстолит, только из стеклоткани, пропитанной теплостойкой смолой. Характеристики стеклотекстолита выше, чем у текстолита и гетинакса. Стеклотекстолит имеет высокую электрическую прочность (20 кВ/мм), большую механическую прочность, нагревостойкость (от 180 до 225° С) и влагостойкостью. Но имеет себестоимость выше текстолита.

Гетинакс

Гетинакс изготовляют из прессованной бумаги, пропитанной бакелитовой смолой. Современная промышленность выпускает в виде листов толщиной от 0,4 до 50 мм. Так же гетинакс выпускается в виде стержней различного диаметра. Гетинакс маркируется А, Б, В, Вс. Диэлектрическая прочность гетинакса составляет 20 – 25 кВ/мм и может работать как на воздухе, так и в масле. Гетинакс превосходно обрабатывается как ручным инструментом, так и станками. Из гетинакса могут изготовляться диэлектрические щиты, штанги, прокладки, платы, каркасы катушек и трансформаторов. К недостаткам можно отнести низкую нагревостойкость. При нагреве поверхность гетинакса обугливается и начинает проводить электрический ток.

Слюдяные изоляционные материалы

Слюдяные изоляционные материалы изготавливаются из слюды — минерала кристаллического строения. Слюду расщепляют на отдельные пластинки и склеивают с помощью лака или смолы. Промышленность выпускает несколько видов слюдяных изоляционных материалов. Это мусковит, миканит, флогопит. Мусковит обладает самыми лучшими характеристиками и применяется при изготовлении конденсаторов, прокладок электроприборов. Миканиты бывают гибкие (марки ГФС, ГМС), твердые (марки ПМГ, ПФГ), чаще используются для прокладок и формовочные (мари ФФГ и ФМГ). Миканиты применяются для изготовление каркасов и используются в качестве прокладок и для загильзовки в обмотках электрических машин. Слюдяные изоляционные материалы имеют высокую нагревостойкость порядка 130—180° С, диэлектрическую прочность в пределах 15—20 кВ/мм и отличную влагостойкость.


Из щипаной слюды, наклеенной на ткань или бумагу изготовляют микаленту. Микалента имеет ширину 12—35 мм и толщину 0,08—0,17 мм. Микалента выпускается марками ЛФЧ, ЛМЧ, ЛМС, ЛФС. В конце марки ставят римские цифры I или II. Миколента с цифрой I имеет повышенную электрическую прочность, а с цифрой II -нормальную электрическую прочность.
В настоящее время из за дефицита слюды как сырья и ее дороговизны, часто стали использовать отходы слюды. Из отходов стали изготавливать слюдяную бумагу, слюдиниты, стеклослюдиниты и другие электроизоляционные материалы.

Проводниковые материалы

Проводниковые материалы применяют  для изготовления обмоток и контактов электрических машин. Как правило, из меди или алюминия изготавливают обмотки, а из бронзы или стали контактные кольца.

Поскольку медь обладает большей (примерно в 1,6 раза) электропроводностью чем алюминий, то её используют для изготовления обмоток чаще. Обмотки, выполненные из меди, позволяют также уменьшить габариты электрических машин. Поэтому, несмотря на значительную разницу в цене (медь дороже алюминия), предпочтение отдают меди.

Когда же применяют алюминий? В тех случаях, когда обмотки электрической машины имеют относительно малую тепловую нагрузку, а также в тех случаях, когда увеличение габаритов и массы за счёт увеличения размера обмоток не являются критически важными факторами для эксплуатации машины. Поэтому, алюминий значительно чаще применяют для изготовления обмоток трансформаторов, чем для изготовления обмоток вращающихся электрических машин.

Медь, бронзу или сталь применяют для изготовления коллекторов и контактных колец. Бронзу и сталь применяют там где, кроме электропроводности, важна также механическая прочность изделия.

Электрические щетки

подразделяются на две группы: 1) угольно-графитные, графитные и электрографитированные; 2) металлографитные. Для изготовления щеток первой группы используется сажа, измельченные природный графит и антрацит с каменноугольной смолой в качестве связующего. Заготовки щеток подвергаются обжигу, режим которого определяет структурную форму графита в изделии. При высоких температурах обжига достигается перевод углерода, находящегося в саже и антраците, в форму графита, вследствие чего такой процесс обжига называется графитированием. Щетки второй группы содержат также металлы (медь, бронза, серебро). Наиболее распространены щетки первой группы.

В таблице 4 приводятся характеристики ряда марок щеток.

Таблица 4

Технические характеристики электрических щеток

Класс щеток Марка Номинальная плотность тока, А/см2 Максимальная окружная скорость, м/с Удельное нажатие, Н/см2 Переходное падение напряжения на пару щеток, В Коэффициент трения Характер коммутации при котором рекомендуется применение щеток

Угольно-графитные

УГ4 7 12 2-2,5 1,6-2,6 0,25 Несколько затрудненная

Графитные

Г8 11 25 2-3 1,5-2,3 0,25 Нормальная
Электрографитированные ЭГ4 12 40 1,5-2 1,6-2,4 0,20 Нормальная
ЭГ8 10 40 2-4 1,9-2,9 0,25 Самая затрудненная
ЭГ12 10-11 40 2-3 2,5-3,5 0,25 Затрудненная
ЭГ84 9 45 2-3 2,5-3,5 0,25 Самая затрудненная

Медно-графитные

МГ2 20 20 1,8-2,3 0,3-0,7 0,20 Самая легкая

Напряжение и электрический ток

Эффективность контактов зависит от напряжения и от электрического тока, которые контакты должны как пропускать, так и не пропускать во время своей работы. Так что конечно же следует уделить немало внимания этому фактору при подборе подходящего материла для контакта. Те контакты, которые используются при подаче постоянного тока, должны быть из такого материала, который будет в состоянии осуществить передачу с поверхности контакта, с которого идёт постоянный ток, на другой контакт.

Соответственно, на одном из этих контактов должен быть бугор, а на поверхности другого контакта должно быть отверстие (на том контакте, с которого идёт постоянный электрический ток). Направление передачи может как преобразовывать положительное в отрицательное, так и наоборот. Это зависит от полярности ионов, которые создаются материалом.

Ссылка на основную публикацию