Природа щеточного контакта в машине постоянного тока

опубликовано: .

     СОДЕРЖАНИЕ:

  1. Определение коммутации.
  2. Электролиз коллектора.
  3. Вольт-амперные характеристики щеток.

Определение коммутации

Коммутацией называется процесс переключения секций обмотки из одной параллельной ветви в другую и изменения тока в них на обратное.

Во время коммутации секции замыкаются накоротко щетками, через которые ток из якоря передается во внешнюю цепь или из внешней цепи в якорь. Явления в щеточном контакте, то есть между щетками и коллекторными пластинами, оказывает большое влияние на коммутацию и исправную работу машины.

Передача тока от щетки к коллектору и обратно может осуществляться через: 1) непосредственный механический контакт между щеткой и коллектором, 2) мельчайшие частицы медной и графитной пыли и 3) ионизированные воздушные щели между щеткой и коллектором. Соответственно говоря о зонах: 1) непосредственного контакта, 2) пылевидного контакта и 3) ионной проводимости.

Непосредственная коммутация

Ввиду неровности микрорельефа непосредственный механический контакт, или соприкосновение щетки с коллекторными пластинами, происходит только на части контактной поверхности щетки, и притом только в отдельных точках. Плотность тока в этих точках достигает нескольких тысяч ампер на квадратный миллиметр. Точечные контакты непостоянны ввиду износа и разрушения, а также перемещения коллектора, причем время существования каждого точечного контакта в отдельности весьма невелико.

Коммутация через электропроводную пыль

Вследствие износа щеток и коллектора в контактном слое всегда имеется множество мелких пылинок. Поэтому контакт и передача тока частично осуществляется через эти пылинки. Плотность тока при этом также велика, а продолжительность каждого контакта из-за движения коллектора и сгорания пылинок невелика.

Ионная коммутация

Точки непосредственного и пылевидного контакта вследствие больших плотностей тока накаляются до красного и белого каления. При красном калении медь и щетки, поляризованные анодно, испускают ионы. При белом калении происходит термическая эмиссия электронов из катодно поляризованных щеток и пластин. Эмиттирующие электроны в свою очередь ионизируют воздух в контактном слое. В результате этого создается ионная проводимость тока. В зоне ионной проводимости под щеткой возникают также слабые электрические искровые и дуговые разряды. Такие разряды появляются и на краях щеток при замыкании секций накоротко и их размыкании.
Рассмотренные разнородные зоны проводимости невелики по размерам, перемежаются друг с другом и перемещаются по контактной поверхности щетки. Ионная проводимость преобладает при больших плотностях тока под щеткой (jщ > 5 А/см2).

Искровые и дуговые разряды оказывают интенсивное термическое действие на материалы щетки коллектора. Катод термически разрушается, и электродное вещество переносится с катода на анод. В результате этого происходит электрическая эрозия, следствием которой являются перенос материала и износ электродов. Высокие температуры возникают лишь в отдельных точках, и поэтому щетки и коллекторные пластины в целом не нагреваются до высокой температуры.

Электролиз коллектора

В воздухе всегда есть влага, и все предметы покрыты тончайшей пленкой влаги, которая имеет определенную степень кислотности, так как в воздухе всегда содержатся различные окислы. Поэтому при прохождении тока через слой щеточного контакта возникает явление электролиза. В результате электролиза на коллекторе образуется блестящая пленка окислов меди, имеющая различную окраску (розовая, коричневая, фиолетовая, сине-стальная) и называемая политурой. Политура увеличивает переходное сопротивление щеточного контакта, ограничивает тем самым значение тока короткого замыкания секции и улучшает коммутацию.

Наличие хорошей политуры на коллекторе является признаком хорошей коммутации. Зеркало щетки при хорошей коммутации имеет блестящую поверхность.

Сильное искрение и дуговые разряды разрушают политуру и зеркальную поверхность щеток, контактные поверхности становятся матовыми, и появляются следы нагара. Переходное сопротивление щеточного контакта при этом уменьшается, и условия коммутации ухудшаются. Для создания политуры в этом случае применяются специальные сорта щеток.

Вольт-амперные характеристики щеток

Вследствие сложной природы щеточного контакта его переходное сопротивление не является постоянным, а зависит от значения тока. На рисунке 1 сплошными линиями показаны две вольт-амперные характеристики щеток, представляющие собой зависимость падения напряжения в контактном слое щетки ΔUщ от средней плотности тока под щеткой  jщ.

Коммутация щеточного контакта

Рисунок 1. Вольт-амперные характеристики щеток

Там же штриховыми линиями изображены кривые удельного переходного сопротивления.

в функции jщ.

На начально, круто поднимающемся, участке кривых ΔUщ = f ( jщ) преобладает контактная проводимость, а на пологом участке – ионная проводимость.

Кривые 1 на рисунке 1 соответствуют случаю, когда при малых  jщ сопротивление ρщ велико и начальная часть вольт-амперной характеристики круто поднимается. Такие щетки обеспечивают лучшие условия коммутации, чем щетки, соответствующие кривым 2 на рисунке 1.

Источник: Вольдек А.И., "Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений" – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.

5 1 1 1 1 1 Рейтинг 5.00 (1 Голос)