Основной элемент токосъемного устройства — щетка устанавливается в щеткодержателе и соприкасается с коллектором или контактными кольцами, являясь неподвижной частью скользящего контакта. С помощью щеток осуществляется электрическая связь между вращающимися обмотками ротора и неподвижными токопроводящими частями машины.
Щеткодержатели закрепляют на щеточных пальцах или бракетах. В электрических машинах постоянного тока пальцы (или бракеты) устанавливают на кольцевой поворотной траверсе, которая служит для одновременного перемещения всех щеток по окружности коллектора при установке их в нейтральное положение.
Щетки изготовляют прессованием из смеси токопроводящих порошков и связующих веществ. Главными требованиями, предъявляемыми к ним, являются малое электросопротивление и способность хорошо пришлифовываться к коллектору или кольцам во время работы. Основным сырьем для щеток служат графит, кокс и сажа. В состав вещества щеток некоторых марок для увеличения электропроводности добавляется порошок меди. Добавление свинца и олова делает щетки более мягкими и менее склонными к вибрациям и распылению.
В зависимости от материалов и способа изготовления различают следующие марки щеток: угольно-графитные (Г20, Г21, Г22), графитные (ГЗ, 611М, 611ОМ), электрографитированные (ЭГ2А, ЭГ2АФ, ЭГ4, ЭГ8, ЭГ14 и др.), металлографитные (Ml, М3, М6, М20, МГ, МГ2 и др.).
Щетка имеет один или два медных гибких токопроводящих провода, к концам которых припаяны кабельные наконечники для присоединения к щеткодержателю или бракету. В микромашинах токоотвод иногда осуществляется через пружину, которая прижимает щетку к коллектору.
Выбор марки щетки для конкретных условий определяется многими факторами: мощностью и напряжением машины, характером нагрузки (спокойная или толчкообразная), наличием механических сотрясений, частотой вращения и т. д. Во многих случаях марку щетки подбирают опытным путем, чтобы обеспечить хорошую без искрения работу скользящего щеточного контакта. Поэтому заменять марку щетки при ремонте можно только тогда, когда это рекомендовано заводом-изготовителем машины.
Нормальная работа скользящего контакта обеспечивается только при определенном усилии прижатия щетки, которое рассчитывается по площади ее контакта и давлению, рекомендованному стандартом (ГОСТ 2332—75).
При плотном контакте не происходит искрения под щеткой, которое может привести к обгоранию поверхности коллектора или контактных колец. Однако следует иметь в виду, что завышенное нажатие щеток повышает их износ, а также потери трения, износ и нагрев коллектора и контактных колец.
Щетка электрической машины устанавливается в окне щеткодержателя. Обойма 1 (рис. 1. а) охватывает и направляет ее. Контакт щетки с коллектором или контактным кольцом обеспечивает нажимное устройство, состоящее из пружины 6 и рычажка 4.
В быстроходных крупных машинах постоянного тока кроме основной устанавливается амортизирующая пружина 3, которую изолируют от щетки фарфоровым изолятором 2. Щеткодержатель к бракету или плоскому пальцу крепится болтами за коробочку 7 через продольный паз 8, который позволяет перемещать щеткодержатель по направлению к коллектору. Для крепления на круглом пальце щеткодержатели изготовляют с хомутиками.
По мере износа щетки длина пружины 6 уменьшается. Это приводит к уменьшению ее усилия. В современных конструкциях точку приложения усилия от пружины к рычажку 4 располагают таким образом, что по мере износа щетки увеличивается плечо / силы относительно осн 5, благодаря чему давление на щетку не изменяется.
Рис. 1. Радиальный (а) и реактивный (б) щеткодержатели
Щеткодержатель, показанный на рис. 1, а, называется радиальным. Ось щетки, располагающейся в нем, совпадает с продолжением радиуса коллектора. Такие щеткодержатели обычно применяют в реверсивных машинах *.
*Реверсивными называют машины, работающие при двух направлениях вращения.
В нереверсивных машинах применяют также и наклонные щеткодержатели, у которых ось щетки образует некоторый угол с продолжением радиуса коллектора: реактивные (рис. 1. б) с осью щетки, наклоненной в направлении вращения, и волочащиеся. В наклонных щеткодержателях щетка 10 благодаря скосу верхней грани, который определяет направление усилия Р от нажимного устройства, постоянно прижимается к стенке 9 обоймы. Этим обеспечивается ее неизменное (торцовое) положение в щеткодержателе и надежный контакт с коллектором. В радиальном щеткодержателе под действием силы трения о коллектор щетка перекашивается в пределах зазора, занимая диагональное положение, упираясь в нижнюю кромку одной из стенок обоймы и в верхнюю кромку противоположной стенки. Значительный перекос щетки затрудняет ее перемещение в обойме и ухудшает контакт.
Момент, вызывающий перекос щетки, зависит от силы трения и расстояния нижней кромки обоймы от поверхности коллектора. Большой момент сильнее прижимает щетку к стенке, затрудняя ее перемещение, и ухудшает контакт с коллектором. Поэтому удалять на значительное расстояние щеткодержатель от коллектора нельзя. Минимальное расстояние диктуется электрической прочностью промежутка и зависит от напряжения и размеров машины.
Перекос щетки может возникнуть и от неправильного направления усилия от нажимного устройства в результате искажения формы пружин или рычажков, передающих усилие на щетку.
Для контактных колец машин переменного тока применяют щеткодержатели зажимного типа (рис. 2). Щетка 8 зажимается в корпусе 5 щеткодержателя винтом 7 и прижимается к кольцу пружиной 10. Щеткодержатели зажимного типа выполняют обычно сдвоенными — к одному пальцу 1 квадратного сечения с помощью скобы 4 и хомута 3 крепятся два корпуса 5, устанавливаемые па осях 9.
Рис. 2. Щеткодержатель для контактных колец
Токоотвод от щеток осуществляется гибким проводом 6, внешняя цепь присоединяется кабельным наконечником 2. В этой конструкции нажатие при износе щетки практически остается неизменным, так как с уменьшением длины пружины возрастает плечо —длина перпендикуляра, опущенного из центра оси вращения 9 на ось пружины.
В малых машинах применяют щеткодержатели, в которых пружина давит непосредственно на щетку без промежуточного рычага. Второй конец пружины упирается в колпачок, навинчиваемый на щеткодержатель.
Пальцы щеткодержателей выполняют в виде круглых стержней или призматическими (прямоугольного сечения). Круглые (цилиндрические) пальцы изготовляют из стали или латуни, вставляют одним концом в отверстие (ушко) траверсы и закрепляют гайкой плн винтом. В машинах постоянного тока палец является токопроводящей деталью, поэтому его оставляют голым. От траверсы пальцы изолируют миканитовыми втулками и шайбами или опрессовкой конца стержня пластмассой.
Рис. 3. Траверса малой машины
Призматические пальцы изготовляют из стальной полосы, один конец котором опрессовывают пластмассой, или из полосы гетинакса 1 (рис. 3) пли текстолита. Призматические пальцы дешевле в производстве, чем цилиндрические. Кроме того, они упрощают конструкцию щеткодержателя, так как на них не нужно устанавливать хомутов. Щеткодержатели к ним крепятся винтами через отверстия.
Щеточная траверса в малых машинах обычно имеет форму звезды с числом лучен, равным числу полюсов. В траверсе предусматривают прорезь, которая позволяет ее стянуть винтом 3 для закрепления на посадочном месте. Надежная фиксация от проворота осуществляется стопорным винтом 4. Пальцы к траверсе крепят винтами 2 со стопорными шайбами.
В асинхронных двигателях применяют щеткодержатели зажимного тина и с направляющим гнездом под щетку. Щеткодержатели с зажимом щетки используют в двигателях небольшой мощности, когда по допускаемой плотности тока достаточно одной щетки на кольцо. Для надежности обычно ставят две щетки, применяя сдвоенный щеткодержатель. Щеткодержатель с направляющей обоймой занимает мало места по окружности кольца, что позволяет в средних и крупных машинах разместить нужное число щеток.
