Из какого материала делают щётки электродвигателя

Вопрос, из какого материала делают щётки электродвигателя, имеет общий ответ — это электроугольные изделия на основе графита и/или технического углерода с добавкой связующих веществ; в части марок дополнительно вводят металлические порошки (медь, серебро, реже олово, свинец, никель). Конкретная композиция определяет рабочую группу щётки: графитные, угольно-графитные, электрографитные или металлографитные.

Группы материала зафиксированы в действующем стандарте ГОСТ Р 52157-2003 «Щётки электрических машин. Общие технические условия» (п. 4.1). Каждая группа закрывает свой диапазон коммутирующих условий, плотностей тока, окружных скоростей и сложности коммутации. Ниже разбираем составы, технологию изготовления (включая графитацию), области применения, факторы выбора по току и оборотам, а также механизм износа щёточно-коллекторного узла.

Назначение щёток и требования к материалу

Щётка электрической машины — деталь скользящего токосъёма, обеспечивающая электрическую связь подвижной и неподвижной частей машины через коллектор или контактное кольцо. Термины щёточного узла стандартизованы ГОСТ 21888-82 «Щётки, щёткодержатели, коллекторы и контактные кольца электрических машин. Термины и определения».

К материалу щётки одновременно предъявляются электрические, механические и трибологические требования. Эти требования взаимно противоречивы: высокая электрическая проводимость обычно достигается ростом доли металлической или хорошо проводящей углеродной фазы, но повышение проводимости часто сопровождается ростом износа коллектора и снижением коммутирующей способности. Поэтому материал щёток подбирается под конкретные условия машины, а не «универсально».

Согласно п. 5.3.3 ГОСТ Р 52157-2003 твёрдость, удельное электрическое сопротивление, массовая доля золы, коллекторные характеристики (износ, общее падение напряжения на паре щёток, коэффициент трения), а также химический состав металлографитных щёток устанавливаются в технических условиях на щётки конкретных марок. Это значит, что одинаковая групповая принадлежность (например, ЭГ) ещё не определяет полный набор свойств — конкретная марка фиксирует параметры по ТУ.

Базовый материал щётки — углерод в различных формах: натуральный графит, искусственный графит, технический углерод (сажа), кокс — со связующими; в металлографитных дополнительно вводят медь, серебро или иные металлические порошки.

Классификация щёток по материалу

По п. 4.1 ГОСТ Р 52157-2003 щётки в зависимости от применяемых материалов подразделяются на четыре группы. Это базовая отраслевая классификация, на которую опираются маркировки конкретных марок (Г, УГ, ЭГ, МГ и производные).

Типы и размеры щёток должны соответствовать ГОСТ 12232-89, отраслевым стандартам или чертежам; конструктивные исполнения (К1, К1-1, К1-2 и др.) — по ГОСТ Р 53617-2009 «Щётки электрических машин. Конструкция. Типы и размеры». Эти документы регламентируют форму, наличие токоведущего провода, тип наконечника, способ заделки и накладки.

Графитные щётки (Г)

Исторически первая группа щёток. Сырьём служит мягкий натуральный графит со связующими (обычно органическими, формирующими углеродный остаток после термообработки). Натуральный графит имеет слоистую структуру и обеспечивает низкий коэффициент трения и хорошую полирующую способность.

Графитные щётки относятся к материалам с относительно низкой допустимой плотностью тока. На современных машинах постоянного тока со сложной коммутацией и широкими диапазонами нагрузок чаще применяются электрографитные марки; графитная группа сохраняется в нишах, где приоритетна минимизация износа коллектора при умеренных токах.

Угольно-графитные щётки (УГ)

Угольно-графитные материалы получают из смесей натурального и/или искусственного графита, технического углерода (сажи), коксов и связующих. После формования заготовку подвергают термической обработке, в результате которой связующее коксуется, формируя углеродный каркас. Степень упорядоченности углерода ниже, чем у электрографита, что отражается на электрических и трибологических свойствах.

Угольно-графитные щётки исторически применялись на малых и средних плотностях тока и на машинах с относительно невысокой окружной скоростью. Они обладают повышенным удельным электрическим сопротивлением по сравнению с электрографитом, что для отдельных конструкций машин полезно — высокое падение напряжения в щётке улучшает коммутацию в определённых режимах. По состоянию на современный парк машин эта группа применяется реже электрографитной, но сохраняется для отдельных типов оборудования и при ремонте старых машин.

Электрографитные щётки (ЭГ)

Главная группа материала щёток для современных коллекторных машин со сложной коммутацией. По определению ГОСТ Р 52157-2003 электрографитные щётки — это материалы, прошедшие высокотемпературную обработку (графитацию). В ходе графитации аморфный углерод и продукты коксования связующего перестраиваются в более упорядоченную структуру, близкую по типу к графиту.

Технология и свойства

Графитация выполняется в специальных печах при очень высоких температурах в защитной атмосфере. В результате удаляются летучие компоненты, повышается степень кристалличности углерода, снижается удельное электрическое сопротивление, существенно растёт термостойкость и стабильность характеристик. Электрографит сочетает приемлемую механическую прочность, удовлетворительную плотность допустимого тока, низкое контактное падение напряжения и хорошую коммутирующую способность.

Внутри группы ЭГ существуют марки разной коммутирующей способности, удельного сопротивления и стойкости к перегрузкам. Конкретные значения параметров каждая марка фиксирует в ТУ. По ГОСТ Р 52157-2003 контроль коллекторных характеристик (износ, общее падение напряжения на паре щёток, коэффициент трения) проводят на установках с короткозамкнутым коллектором или на машинах-представителях.

Металлографитные щётки (МГ): медь и серебро

Металлографитные материалы содержат металлический порошок наряду с графитом. Введение металла кардинально повышает электропроводность тела щётки и снижает контактное падение напряжения, что позволяет работать на повышенных плотностях тока при низких рабочих напряжениях.

Меднографитные материалы

Основа — медный порошок с графитом, в ряде марок — с добавками олова, свинца и других легирующих компонентов для регулирования трибологических свойств и стойкости к окислению. Меднографитные щётки применяют преимущественно на контактных кольцах асинхронных машин с фазным ротором, в крановых электродвигателях, в низковольтных машинах постоянного тока, а также в стартерных двигателях автотракторной техники — там, где рабочее напряжение невелико, а плотность тока в скользящем контакте значительна.

Серебро-графитные материалы

Материалы с порошком серебра вместо меди. Серебро обеспечивает ещё более низкое и стабильное переходное сопротивление, не образует тугоплавких оксидов на поверхности контакта и сохраняет проводящие свойства в широком диапазоне условий. Серебро-графитные щётки применяются в прецизионных машинах, токосъёмниках систем измерений и связи, исполнительных микромашинах и устройствах, где требуется минимально возможное и максимально стабильное падение напряжения в скользящем контакте при ограниченных токах.

По п. 5.3.3 ГОСТ Р 52157-2003 химический состав металлографитных щёток устанавливается в ТУ на щётки конкретных марок. Это означает, что соотношение металлической и графитовой составляющих, а также состав легирующих добавок не унифицируется на уровне стандарта и зависит от конкретного исполнения.

Выбор материала по плотности тока, скорости и нажатию

Режим работы щёточно-коллекторного узла описывается тремя основными эксплуатационными параметрами: плотность тока в скользящем контакте, окружная скорость коллектора (контактного кольца) и удельное давление нажатия на щётку. Сочетание этих параметров определяет рабочую температуру контакта, скорость износа и устойчивость к искрению.

Влияние ключевых параметров

1. Плотность тока. Высокая плотность тока требует материала с низким контактным падением напряжения, чтобы ограничить тепловыделение в контакте, — это область металлографитных композиций. Умеренная плотность при сложной коммутации предполагает электрографит. Низкая плотность при чистой коммутации допускает применение графитных и угольно-графитных материалов.
2. Окружная скорость. Повышенные скорости предъявляют требования к стабильности коэффициента трения, отсутствию выкрашивания и нормальной формируемости политуры. Электрографит сохраняет работоспособность на значительно более широком диапазоне скоростей, чем мягкий графит или металлографит с высокой долей металла.
3. Давление нажатия. Удельное давление пружины щёткодержателя на щётку выбирается так, чтобы обеспечить непрерывный механический контакт без чрезмерного разогрева и износа. Меньшее давление повышает риск отрыва и искрения; большее — ускоряет износ щётки и коллектора. Конкретное значение нормируется конструкцией щёткодержателя и сопровождающими ТУ на машину.
4. Коммутирующая способность. При сложной коммутации (резкопеременная нагрузка, реверс, регулирование) приоритетны материалы с высокой коммутирующей способностью — электрографитные марки тяжёлой группы. Их отличает повышенная стойкость к перегрузкам без катастрофического разрушения щётки.

Краткая ориентировка по группам

Износ и формирование политуры

Износ щёточно-коллекторного узла — комплексный процесс, в котором участвуют электрическая эрозия, механическое трение и химические процессы на поверхности коллектора. Износ изделия — одна из коллекторных характеристик, контролируемых по ГОСТ Р 52157-2003 (п. 5.3.3).

Политура и режим скольжения

В нормальном режиме на поверхности коллектора формируется тонкая плёнка — политура, состоящая преимущественно из продуктов окисления и углерода щётки. Политура снижает коэффициент трения, стабилизирует переходное сопротивление и защищает медь коллектора от прямого механического воздействия. Стабильность политуры определяется маркой щётки, скоростью, током, влажностью и температурой среды.

Факторы ускоренного износа

• Несоответствие материала щётки условиям коммутации (например, металлографит на машине со сложной коммутацией высокого напряжения).
• Заниженное или завышенное усилие нажатия щёткодержателя.
• Шероховатость или биение коллектора сверх допустимых значений.
• Загрязнение контактной поверхности маслом, парами или абразивной пылью.
• Перегрузки и режимы с длительным искрением, приводящие к деградации политуры.
• Эксплуатация в средах с пониженной влажностью без специальных пропиток щёток (натуральный графит без воды теряет смазывающие свойства).

Электрографитные марки в среднем обеспечивают сбалансированное сочетание износа щётки и щадящего воздействия на коллектор; металлографитные — низкое переходное сопротивление при потенциально более высоком износе как самой щётки, так и коллектора; графитные и угольно-графитные — мягкое воздействие на коллектор при ограниченном допустимом токе.

Частые вопросы