Электрощётка

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

Обычно применяется для передачи электрического тока на вращающиеся узлы. 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 названия

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 изготовление щёток

Состав компонентов

Конкретный состав материала щётки зависит от сферы применения. Обычно используется графитный или углеродный порошок. Для увеличения электропроводности и механической прочности в графитовый порошок добавляют при изготовлении мелкий медный порошок в виде дендритных мелких кристаллов, полученный электролитическим методом. Медь редко добавляют в материал щёток предназначенных для работы в устройствах, работающих на переменном токе.

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 ( MoS 2 {displaystyle {ce {MoS2}}} ) или дисульфид вольфрама ( WS 2 {displaystyle {ce {WS2}}} ). Конкретный состав смеси зависит от области применения и условий работы изделий.

Прессование смеси

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. После прессования заготовка щётки ещё очень хрупкая, и на профессиональном жаргоне называется «сырая щётка» (англ. green brush).

Обжиг сырых щёток

«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 операции

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.

Эксплуатация

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 разработки

Щётки из жидкого металла

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.

Щётки из металлического волокна

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