Из какого материала делают щётки электродвигателей

Вопрос «из какого материала делают щётки электродвигателей» сводится к выбору электроугольного материала на основе углерода. Щётки электрических машин изготавливают из графита, технического углерода и кокса со связующими, а в части марок — с добавкой металлических порошков. По составу и технологии различают четыре основные группы: графитные, углеграфитные (угольно-графитные), электрографитные (электрографитированные) и металлографитные (чаще медно-графитные). Конкретный материал подбирают под условия коммутации, плотность тока и окружную скорость.

Ниже разобраны назначение щётки, четыре группы материалов и их свойства, система обозначения марок, влияние материала на коммутацию и износ, а также логика выбора. Классификация, термины и обозначения приведены по действующим стандартам на щётки электрических машин.

Назначение щётки

Щётка электрической машины — это токопроводящий элемент скользящего контакта, который непосредственно соприкасается с коллектором или контактным кольцом и обеспечивает электрическую связь между подвижной и неподвижной частями машины. Через щётку ток подводится к вращающейся обмотке или отводится от неё.

Материал щётки работает в тяжёлых условиях: непрерывное трение по вращающейся поверхности, нагрев, электрическая дуга при коммутации. Поэтому к нему предъявляют комплекс требований: достаточная электропроводность, низкий и стабильный коэффициент трения, износостойкость, способность формировать на коллекторе тонкую защитную плёнку (политуру) и не разрушать рабочую поверхность.

Щётка одновременно проводит ток и скользит по коллектору — поэтому её материал всегда компромисс между электропроводностью, трением и износом.

Из чего состоит материал

Основа всех щёток — углерод: они относятся к электроугольным изделиям. В состав входят натуральный и искусственный графит, технический углерод (сажа) и кокс, скрепляемые связующим; часть марок дополнительно содержит металлические порошки.

Графит обладает слоистой структурой, благодаря чему сам работает как твёрдая смазка скользящего контакта. Технологическая обработка (формование, обжиг, для электрографитных марок — графитация при высокой температуре) задаёт итоговые свойства материала.

Четыре группы щёток

По применяемым материалам и технологии изготовления щётки делят на четыре группы: графитные, углеграфитные, электрографитные и металлографитные. Эта классификация установлена стандартом на общие технические условия для щёток электрических машин. Каждая группа занимает свою область по электропроводности, твёрдости и допустимым режимам.

Электрографитные щётки получают графитацией — высокотемпературной обработкой углеродной заготовки, после которой материал приобретает упорядоченную графитовую структуру, повышенную электропроводность и стабильные коммутационные свойства. Металлографитные (чаще медно-графитные) содержат значительную долю металла и поэтому имеют наименьшее переходное сопротивление, но рассчитаны на относительно невысокие окружные скорости.

Обозначение марок

Марки щёток обозначают буквами группы материала и цифрами конкретной рецептуры. Буквенная часть указывает на тип материала.

Цифры после букв обозначают конкретную марку (рецептуру и режим обработки) — например, в ряду электрографитных марок различают более мягкие и более твёрдые составы. Обозначения плоскостей и элементов конструкции щёток, а также термины приведены в стандартах на щётки электрических машин; конкретные марки выпускают по техническим условиям.

Материал и коммутация

Коммутация — процесс переключения тока в секциях обмотки при прохождении их под щёткой. От материала щётки зависит, насколько спокойно (без искрения) идёт этот процесс. Ключевую роль играет переходное падение напряжения в контакте «щётка — коллектор».

Материалы с повышенным переходным падением напряжения (например, на сажевой основе) улучшают коммутацию, гася ток в переключаемых секциях, но имеют более высокое сопротивление и меньшую токовую нагрузку. Материалы с низким переходным сопротивлением (медно-графитные) пропускают большой ток, но хуже подавляют искрение, поэтому их применяют там, где коммутация облегчена — на контактных кольцах и в низковольтных машинах.

Выбор материала — это поиск баланса: улучшение коммутации обычно требует более высокого переходного сопротивления, а высокая плотность тока — наоборот, низкого. Совместить оба требования в одной марке невозможно.

Износ и ресурс

Износ щётки определяется как механическим трением, так и электрическими и тепловыми процессами в контакте. На ресурс влияют материал щётки, состояние коллектора, удельное нажатие, окружная скорость и плотность тока.

• Защитная плёнка (политура). На исправно работающем коллекторе формируется тонкая оксидно-графитовая плёнка, снижающая трение и износ. Её разрушение ускоряет износ и щётки, и коллектора.
• Нажатие. Недостаточное усиление ведёт к вибрации, искрению и подгару; избыточное — к ускоренному механическому износу. Усилие задают по рекомендациям изготовителя машины.
• Абразивность. Угольно-графитные щётки сами счищают загрязнения с коллектора, но более твёрдый материал интенсивнее изнашивает рабочую поверхность.
• Искрение. Усиленное искрение под сбегающим краем щётки указывает на нарушение коммутации или контакта и резко сокращает ресурс.

Как выбрать марку

Материал щётки подбирают под конкретную машину и режим. Базовый порядок выбора такой.

1. Определите тип токосъёма. Коллектор машины постоянного тока или контактные кольца — это влияет на требования к коммутации.
2. Оцените режим. Напряжение, плотность тока и окружная скорость задают, нужна ли высокая токовая нагрузка или приоритет у безыскровой коммутации.
3. Выберите группу материала. Электрографитные — универсальны для нагруженных машин; медно-графитные — для низковольтного кольцевого токосъёма с большим током; угольно-графитные — где нужна очистка коллектора.
4. Уточните удельное нажатие. Значение усилия на щётку назначают по документации машины.
5. Следуйте рекомендации изготовителя. Окончательную марку выбирают по руководству на конкретную электрическую машину.

Вопросы и ответы