Borstar och borsthållare för elektriska likströmsmaskiner: syfte, material, typer och anordning

I elmotorer och generatorer är det ofta nödvändigt att upprätta en elektrisk förbindelse mellan enhetens stationära och roterande delar.

När det gäller en stator (dvs. stationär) huvudlindning av en elektrisk maskin är det lätt att anordna grenar från den för att ansluta ett externt stationärt elektriskt system, men i fallet med en rotor (dvs. roterande) huvudlindning blir det nödvändigt att anordna en elektrisk glidkontakt, eftersom annars rotorlindningen inte är tillgänglig.

Den elektriska glidkontakten kan implementeras på två sätt: antingen som ringglidkontakt eller som kollektorglidkontakt. I båda fallen kräver driften av en elektrisk maskin speciella enheter - borstar.

I de första elektriska maskinerna var borstarna ett paket sammansatt av kopparplåtar eller tunna trådar, från vilket de fick sitt namn.

Borstarna i moderna maskiner är kuber pressade av kol-, grafit- eller kopparpulver och lever därför inte upp till deras namn, som dock stannade bakom dem.

Koppar-, järn- och bronsborstar, som gjorde jobbet mycket bra i de första DC-maskinerna i slutet av 1800-talet, visade sig inte vara särskilt bra material vad gäller friktion. De slits snabbt ut och i nya maskinkonstruktioner ersätts de av kol och grafit.

För närvarande för DC-maskiner används nästan uteslutande kolborstar med en inblandning av grafit, bärande, beroende på procentandelen grafit och hur borstarna tillverkas, namnen på kolgrafit, grafit eller elektrograf. Endast för lågspänningsmaskiner, upp till 30 V, används metall-kolborstar, som ger ett lägre spänningsfall i kontakt (övergångs)skiktet på samlaren.

Kolborstar är gjorda av ren grafit, retortkol och kimrök i olika proportioner. Kol är ett självsmörjande material som inte skadar ytan det skaver på och som inte slits ut snabbt.

Grafitborstar är gjorda av ren naturlig grafit. Grafiten krossas till ett fint pulver som sedan pressas under mycket högt tryck till stavar av önskad storlek. Kol och grafit är utmärkta ledare av elektricitet.

Elektrografitborstar De är i huvudsak kolborstar men som utsätts för höga temperaturer i en elektrisk ugn och därmed omvandlas till grafit. Dessa borstar har mycket goda slipegenskaper.

Kolborstar gjord av kol och koppar krossad till ett fint pulver, ibland med tillsats av en annan krossad metall (oftast tenn).

Tillverkningen av dessa borstar sker på så sätt att borsten har bästa möjliga ledningsförmåga i den axiella riktningen, i vilken maskinens arbetsström passerar, och dålig ledningsförmåga (högt elektriskt motstånd) i tvärriktningen, i vilket de extra strömmarna för de inkluderade sektionerna stängs under kommutering.

Elektriska maskinborstar är standardiserade. De kännetecknas av hårdhet, transient spänningsfall i kontakten och tillåten strömtäthet.

Denna energiöverföringsteknik, som är mer än hundra år gammal, används fortfarande i stor utsträckning idag. Kolborstar finns fortfarande i många elmotorer. Börjar med små motorer i leksaker, elektriska köksmaskiner, elektriska fönster, rakapparater, tvättmaskiner, hårtorkar, dammsugare eller elverktyg (elektriska borrar, vinkelslipar, överfräsar, cirkelsågar, etc.),

Borstar används även i stora likströmsmaskiner i elektriska lokomotiv, ubåtar och kraftverksgeneratorer samt i vindkraftverk. Följaktligen är de geometriska och elektriska egenskaperna hos kolborstar olika.

Antalet zoner (som bildar den cylindriska ytan på uppsamlaren) för monteringen av borstar på uppsamlaren är vanligtvis lika med antalet poler på maskinen. Antalet borstar i varje zon beror på strömvärdet och strömtätheten under borsten som är tillåten för en viss typ av borste, men mindre än två borstar per zon kan endast hittas i mycket små maskiner, eftersom med en borste pr. zon är det svårt att säkerställa tillförlitligheten hos borstkontakten.

Borstar som stannar i samma zon kallas en zonborstsats, och uppsättningen av alla zonuppsättningar i en given maskin kallas en komplett borstsats.

Borstarnas ändyta på den sida som är motsatt kontakten med uppsamlaren är vanligtvis kopparpläterad, ibland förtennad. Vid en liten ström som dras av borsten, tillhandahålls tillräckligt tillfredsställande förhållanden för strömavtappning av borstens kontaktyta med borsthållaren och tryckfjädern.

De stora borstarna är försedda med kapsyler av kopparplåt, tätt fastsatta därpå, och med vajrar fästa vid dem, gjorda av mjuka flexibla kablar av lämpliga sektioner, med spetsar för fastsättning under en skruv till en borsthållare eller till en del avsedd för dränering borstström. Repborstlocket kallas en borstarm.

Borstarna hålls i ett fast läge i förhållande till uppsamlaren borsthållare, vars design är mycket varierande.

Om den elektriska maskinen är konstruerad för båda rotationsriktningarna används radiella borsthållare, som säkerställer borstens placering längs kollektorns radie. På maskiner med en specifik rotationsriktning används ofta borsthållare med en viss lutning av borsten mot radien.

Borsthållare för DC-maskiner med låg och medelstor effekt

Stor borsthållare för DC-maskin

Enkelzons borsthållare fästs på runda eller fyrkantiga borstfingrar eller till borstklämmor… Borstfingrar eller klämmor från olika borstområden är förstärkta borststöd eller borstslipersfrån vilket de måste isoleras på ett tillförlitligt sätt.

I sin tur är de jämna sliprarna fästa antingen på lagren eller på ändsköldarna eller på oket, eller slutligen oberoende av maskinens basplatta (för långa uppsamlare).

Viktiga villkor som borststödet eller borstkorshuvudet måste uppfylla är den absoluta frånvaron av vibrationer, tillgänglighet för kontroll och justering av borstarna, enkel borttagning av de enskilda borsthållarna för reparationer och möjligheten att samtidigt rotera hela borstsystemet för exakt montering i korrekt kommuteringsläge samtidigt som full koncentricitet för borsthållare och uppsamlare bibehålls.

Borstar, borsthållare, fingrar (eller klämmor) och en travers (eller stöd) utgör den så kallade strömavtagaren i en DC-maskin. Den inkluderar även anslutningar mellan zonborstsatser med samma polaritet.

För att dränera strömmen är borstfingrarna och klämmorna i zonerna med samma namn (det vill säga med samma polaritet, positiva eller negativa) elektriskt anslutna till varandra med en isolerad tråd av motsvarande sektion.

På så sätt erhålls två hela eller partiella uppsamlingsringar, som sedan förbinds med flexibla kablar med lämpligt tvärsnitt till maskinens yttre anslutningar. De senare är fixerade på en speciell klämbräda antingen på oket eller på maskinens huvudplatta. Plintkortet, täckt med ett skyddskåpa, bildar en plintlåda.

Korrekt applicering och val av borstar, i kombination med korrekt underhåll, resulterar i ökad maskinprestanda och minskade stilleståndskostnader.

Eftersom friktionen orsakad av att rotera enheten orsakar nötande slitage, måste borstarna bytas ut med jämna mellanrum.Av den anledningen, borstlösa motorer.