Скользящий контакт электрических машин - Электрический скользящий контакт

ГЛАВА ПЕРВАЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СКОЛЬЗЯЩИЙ КОНТАКТ. КОНТАКТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИХ СВОЙСТВА

Основное назначение электрического скользящего контакта состоит в том, чтобы обеспечивать возможность прохождения тока между взаимоперемещающимися частями электрических машин, приборов и аппаратов. В современной технике электрические скользящие контакты конструктивно выполняются в виде узлов «электрощетка — коллектор», «электрощетка — контактное кольцо», «троллейный провод — лыжа пантографа» и других подобных устройств. В процессе работы этих устройств между составляющими их конструктивными элементами кроме передачи тока происходит еще ряд других взаимодействий. Среди них главнейшими являются трение, взаимное изнашивание, нагревание и химические реакции. В наиболее полной мере перечисленные взаимодействия проявляются в контакте типа «электрощетка—коллектор», в котором электрощетки двух разных полярностей размещены на коллекторе по одному следу (дорожке). По указанной причине этому типу контакта в последующем изложении и будет уделено основное внимание. Наряду с этим в отдельных местах изложения речь будет идти также и о контакте типа «электрощетка — контактное кольцо». Принципиальной особенностью подобного контакта является размещение электрощеток разной полярности на разных следах.
Анализ различных этапов развития скользящего контакта типа «электрощетка — коллектор» показывает, что за всю свою почти 140-летнюю историю он подвергался постоянным изменениям [Л. 1-1—1-4]. Изменения касались как конструктивного оформления элементов контакта, так и материалов, из которых эти элементы изготавливались. Оба вида изменений всегда оказывали влияние на характеристики совместной работы цементов скользящего контакта, однако наиболее полным и существенным это влияние было тогда, когда изменялся материал электрощеток. Если на первых электрических машинах 1832—1833 гг. скользящий контакт осуществлялся с помощью ртутных токосъемных устройств, то в 1834—1895 гг. в качестве материала для элемента скользящего контакта, названного впоследствии электрощеткой, применялась компактная (литая) медь или ее сплавы. Начиная с 1895 г. электрощетки начали изготавливать методами порошковой металлургии, прессуя их из порошков бронзы. Подобные электрощетки не обеспечивали удовлетворительную работу узла токосъема и в процессе их совершенствования с 1900 г. начали использовать композиции, состоящие из диспергированных медных и углеродистых порошков. Описанные здесь так называемые металлсодержащие «цветные» электрощеточные материалы не могли удовлетворить потребности стремительно развивавшейся электротехнической промышленности, и вскоре начался выпуск электрощеток, материал которых состоял из смеси натурального графита и некоторых других углеродистых веществ («черные» материалы). В зависимости от соотношения перечисленных компонентов состава были получены материалы двух классов: графитный и угольно-графитный. В 1927 г. угольно-графитные материалы начали подвергать процессу электрографитации, в результате чего появился новый класс электрощеточных материалов — электрографитированный.
Перечисленные четыре класса электрощеточных материалов сохраняются в ассортименте продукции, изготавливаемой всеми электрощеточными предприятиями мира [Л. 1-5]. Вместе с компактной (литой) медью, используемой при изготовлении коллекторных пластин, они составляют основу всех скользящих контактов в современном электромашиностроении [Л. 1-6]. И это обстоятельство является не случайным, так как объясняется особенностями природы веществ, используемых для изготовления контактных материалов. На рис. 1-1 изображены кристаллические решетки и структурные схемы меди, графита кокса и сажи. 

Рис. 1-1. Элементарные кристаллические решетки и структурные схемы веществ, используемых для изготовления контактных материалов.
а — меди; б — графита; в —  кокса; г — сажи; размеры в нанометрах (нм).

 

Медь кристаллизуется в решетку гранецентрированной кубической системы, в узлах которой расположены атомы, содержащие по 29 электронов; 28 из них находятся на трех внутренних орбитах; на четвертой, внешней, находится только 1 электрон. Расположение атомов в кристалле столь плотно, что орбиты внешних электронов перекрываются. Это позволяет электронам свободно перемещаться по кристаллической решетке меди, не испытывая какого-либо существенного влияния со стороны отдельных находящихся в ее узлах атомов. Происходит обобществление свободных электронов, направленное движение которых и создает электрический ток.
Принципиально по-другому образован кристалл графита. Представляя собою особую аллотропную форму углерода, графит кристаллизуется в решетку гексагональной системы таким образом, что образующие его атомы размещаются в углах правильных шестиугольников. Эти шестиугольники располагаются в одной плоскости, образуя характерную сетку-слой. Параллельно одной такой сетке располагается другая, несколько сдвинутая по отношению к первой сетка. Третья сетка-слой является проекцией первой; четвертая — второй и т. д. Атом углерода содержит шесть электронов, два из которых обращаются на внутренней орбите, а четыре — по внешней. При указанных на рис. 1-1,6 расстояниях между атомами в слое и между слоями в кристалле, характер связей между различными атомами оказывается различным. В пределах плоской сетки, т. е. вдоль плоскостей, каждый из атомов имеет трех ближайших соседей. Расстояние между ними таково, что орбиты их внешних электронов соприкасаются, а находящиеся на них атомы с противоположными спинами объединяются. Образовавшиеся таким образом ковалентные связи между атомами обладают энергией порядка 3,5 эВ. Между слоями, там, где расстояние между атомами увеличено, природа сил взаимодействия изменяется. В этом случае между атомами устанавливаются связи, определяемые силами Ван-дер-Ваальса, энергия которых составляет всего только 0,19 эВ на один атом. Описанная особенность кристаллической решетки графита обусловливает характер его электропроводности. В плоскости слоя, где действуют ковалентные связи, электроны прочно закреплены за теми атомами, связь между которыми они осуществляют. Свободных электронов здесь нет. Следовательно, сопротивление в этой плоскости при Т=0 К теоретически бесконечно велико и проводимость практически отсутствует. При нагревании атомы начинают колебаться и создаются условия, при которых некоторые из связывающих их электронов покидают свои места, т. е. происходит нарушение некоторых межатомных связей. Освободившиеся при этом электроны ведут себя подобно свободным электронам металла, и кристалл графита из изолятора превращается в проводник.
Кристаллы и тела, электропроводность которых изменяется с температурой по только что описанной схеме, известны под названием полупроводников. Следовательно, графит является полупроводником и законы, управляющие этой труппой материалов, распространяются также и на графит. Как и всякий полупроводник, графит с идеальной бездефектной кристаллической решеткой обладает собственной электронной и дырочной проводимостью. Однако получение собственных полупроводников является затруднительным по той причине, что их очень трудно освободить от примесей. Между тем включение примесей даже в столь малых концентрациях как 10-7—10-8 полного числа атомов уже оказывает значительное влияние на полупроводниковые свойства. По указанной причине в технических приложениях приходится иметь дело не с собственными, а с примесными полупроводниками, свойства которых зависят от характера и количества содержащихся в них добавок.  В случае, если примесью является вещество с валентностью большей, чем валентность углерода (донор), атом примеси займет узел решетки вместо основного атома, израсходовав при этом на установление ковалентных связей только 4 своих электрона¹. Прочие электроны атома примеси, будучи связаны со своим ядром сравнительно слабыми силами притяжения, могут легко от него отделяться и принимать участие в образовании электрон, ной проводимости (полупроводник n-типа).
Возможна и такая ситуация, когда валентность примеси будет меньшей, чем у углерода (акцептор). В этом случае примесный атом будет взаимодействовать с веществом основного материала таким образом, что в системе атомов углерода образуются «дырки» и вся проводимость станет дырочной (полупроводник р-типа) [Л. 1-7, 1-8]. Таким образом, используемые для образования скользящего контакта углеграфиты с физической точки зрения оказываются полупроводниками примесного типа, могущими содержать как доноры, так и акцепторы. Отнесение их к п- или p-типу определяется тем, какой сорт носителей заряда в данной ситуации преобладает. Большое влияние на характер проводимости угле- графитов оказывает температура их термической обработки То. При низкотемпературном нагреве (до 900 °C) проводимость осуществляется за счет перемещения «дырок», т. е. является р-проводимостью. С повышением То от 900 до 1 200 °C происходит первое заметное повышение электропроводности за счет электронов проводимости и углеграфит приобретает η-проводимость. Дальнейшее повышение То примерно 2 000 °C снова приводит к появлению р-проводимости и только после того, как температура термообработки превысит 2 500 °C, в углеграфите окончательно устанавливается η-проводимость [Л. 1-9— 1-11].

Помимо графита и меди при изготовлении электрощеточных материалов используются еще кокс и сажа. В отличие от объемной упорядоченности кристаллических решеток первых двух названных веществ углеродистое вещество кокса и сажи обладает только плоской упорядоченностью. Это означает, что слагающие их шестичленные атомные ячейки образуют слои или сетки, расположенные в плоскости. Схемы образуемых при этом структур для сажи и кокса несколько различаются между собой (рис. 1-1, в и г), но для каждой из них характерно отсутствие трехмерной упорядоченности. В дальнейшем будет показано, как подобное обстоятельство связано с такой важной характеристикой рассматриваемого контакта, как коммутационная способность. Здесь отметим, что медь, графит, кокс и сажа составляют основу всех промышленных материалов, используемых при изготовлении элементов скользящего контакта в электромашиностроении. Применительно к коллекторным пластинам подобным материалом является электролитическая медь, в которую иногда вводят легирующие добавки кадмия, серебра, магния, хрома, циркония и теллура. Некоторые сведения о меди, используемой при изготовлении коллекторных пластин в электромашиностроительной промышленности ряда стран, приведены в табл. 1-1. Ассортимент материалов, используемых при изготовлении контактных колец, является более обширным. Наряду с медью и ее сплавами с цинком, свинцом и алюминием применяются также черные металлы и их сплавы. Последние используются главным образом в условиях, когда работающие кольца испытывают значительные механические напряжения. При всем этом интервалы изменения свойств литых контактных материалов являются весьма ограниченными. Между тем режимы эксплуатации скользящего контакта электрических машин требуют, чтобы свойства контактных материалов и характеристики совместной работы контактных элементов изменялись в широких пределах. Подобное требование удовлетворяется за счет выбора материалов, из которых изготавливаются электрощетки. Эти материалы представляют собой многокомпонентные композиции, состоящие из порошков графита, сажи, меди и кокса². 

¹ Справедливо для веществ, состоящих из атомов, близких между собой по размерам.

² Технологические процессы изготовления электрощеточных материалов, так же как и упоминаемые далее расчеты по определению статистических параметров распределения численных значений их технических характеристик, подробно описаны автором в [Л. 1-4 и 1-18].

Таблица 1-1
Характеристики меди, используемой для изготовления коллекторных пластин в машиностроении ряда стран¹

** Здесь указаны значения твердости по Виккерсу.

¹ Подробные сведения о технических характеристиках коллекторных материалов, так же как и о материалах контактных колец, можно найти в работе автора [Л. 1-6].

Варьируя соотношение компонент и используя различные схемы технологических процессов переработки, предприятия соответствующих отраслей промышленности в различных странах выпускают десятки марок электрощеточных материалов, классифицируемых в соответствии с показателями табл. 1-2. Каждая конкретная марка материала данного класса отличается определенным соотношением входящих в нее компонент и кривой распределения численных значений относящихся к ней технических характеристик. Упомянутая кривая с достаточной для практики точностью описывается уравнением кривой нормального распределения. Это уравнение имеет следующий вид:

здесь параметр расположения распределения X представляет собой среднее наиболее вероятное (номинальное) значение характеристики, а параметр рассеяния σ — меру рассеяния отдельных частных значений характеристики х от ее среднего X.
Сколь велики возможности изменения свойств контактных материалов за счет изменения их состава и технологии, можно установить, рассмотрев графики на рис. 1-2, где на оси абсцисс отложены компоненты состава. Средняя линия соответствует материалу, состоящему полностью из графита (100%). По мере перемещения от средней линии влево в составе материала происходит постепенное замещение графита медью; при перемещении вправо графит постепенно замещается сажей. На оси абсцисс произведена разметка ряда подклассов материалов, устанавливаемых в соответствии с табл. 1-2. Кривые изменения свойств электрощеточных материалов IV класса являются продолжением линий, описывающих соответствующие свойства материалов I класса. Это объясняет исторически наблюдавшуюся последовательность появления различных классов электрощеточных материалов. Сначала были созданы материалы I класса, затем материалы II, III и, наконец, IV класса. Последние и составили логическое завершение изменения свойств контактных материалов, необходимых для обеспечения работы электрических скользящих контактов.

Кратность изменения численных значений характеристик, представленных на рис. 1-2, является различной¹.

¹ Описание метода построения графиков на рис. 1-2 с указанием значений различных характеристик ряда марок электрощеточных материалов произведено автором в работах [Л. 1-4, 1-6, 1-19].

Групповая классификация электрощеточных материалов
Таблица 1-2

Продолжение табл. 1-2

Так, для материалов, описываемых основными (сплошными) линиями графиков, значения характеристик γ и Е изменяются в 2—3 раза, а характеристики р — почти в 1 000 раз. Рассматриваемая кратность изменений может быть еще более увеличена за счет введения в электрощеточные материалы пропитывающих веществ или искусственных смол.

Помимо свойств собственно контактных материалов необходимо учитывать еще и свойства контактной пленки (политуры), покрывающей поверхности скольжения коллекторов и контактных колец. Последняя в случае работы электрографитированной электрощетки на медном коллекторе состоит из закиси меди Сu2О (65,8%), углеродистого материала электрощетки С (22,1%) и некоторого количества (12,7%) примесей SiO2, А12О3, Fe2O3 и СаО. Закись меди располагается слоем 210-10-10 м (ангстрем) непосредственно на металле коллектора. Над ним находится более толстый слой, равный примерно 330·10-10 м (ангстрем) материала электрощетки. Примеси вносятся в политуру из материала электроугольных изделий и окружающей среды [Л. 1-12, 1-13]. В [Л. 1-14, 1-15] отмечалось, что в зависимости от условий образования и состояния окружающей среды толщина политуры может изменяться в пределах 50—1 000·10-10 м. В [Л. 1-15] отмечалось также, что под анодно-поляризованной электрощеткой толщина той части политуры, которая слагается из закиси меди, является несколько меньшей, чем под электрощеткой противоположной полярности.
Прилегающий к меди слой закиси Сu2О является полупроводником, обладающим дырочной проводимостью, т. е. полупроводником p-типа. На границе соприкосновения полупроводника p-типа с медью коллектора, имеющей электронную проводимость, образуется запорный слой, оказывающий неодинаковое сопротивление току, протекающему в различных направлениях. При протекании тока из меди в слой закиси сопротивление оказывается значительно более высоким, чем при протекании тока в обратном направлении. Описываемая особенность запорного слоя определяет возможность использования его в выпрямляющих устройствах (купроксные выпрямители) [Л. 1-16, 1-17]. Эта особенность окажет свое влияние на рассматриваемые в дальнейшем полярные различия некоторых характеристик скользящего контакта.