Βούρτσες και βάσεις βούρτσας ηλεκτρικών μηχανών συνεχούς ρεύματος: σκοπός, υλικό, τύποι και συσκευή

Σε ηλεκτρικούς κινητήρες και γεννήτριες, είναι συχνά απαραίτητο να δημιουργηθεί μια ηλεκτρική σύνδεση μεταξύ των σταθερών και περιστρεφόμενων μερών της συσκευής.

Στην περίπτωση μιας κύριας περιέλιξης στάτορα (δηλαδή στατικής) μιας ηλεκτρικής μηχανής, είναι εύκολο να τακτοποιήσετε κλαδιά από αυτήν για να συνδέσετε ένα εξωτερικό σταθερό ηλεκτρικό σύστημα, αλλά στην περίπτωση μιας κύριας περιέλιξης ρότορα (δηλαδή περιστρεφόμενης), γίνεται απαραίτητο για τη διευθέτηση μιας συρόμενης ηλεκτρικής επαφής, γιατί διαφορετικά η περιέλιξη του ρότορα δεν είναι διαθέσιμη.

Η ηλεκτρική συρόμενη επαφή μπορεί να εφαρμοστεί με δύο τρόπους: είτε ως συρόμενη επαφή δακτυλίου είτε ως συρόμενη επαφή συλλέκτη. Και στις δύο περιπτώσεις, η λειτουργία ενός ηλεκτρικού μηχανήματος απαιτεί ειδικές συσκευές - βούρτσες.

Στις πρώτες ηλεκτρικές μηχανές, οι βούρτσες ήταν μια συσκευασία συναρμολογημένη από χάλκινες πλάκες ή λεπτά σύρματα, από τα οποία πήραν και το όνομά τους.

Οι βούρτσες των σύγχρονων μηχανών είναι κύβοι συμπιεσμένοι από σκόνες άνθρακα, γραφίτη ή χαλκού και ως εκ τούτου δεν ανταποκρίνονται στο όνομά τους, το οποίο όμως έμεινε πίσω τους.

Οι βούρτσες από χαλκό, σίδηρο και μπρούτζο, που έκαναν πολύ καλά τη δουλειά τους στις πρώτες μηχανές συνεχούς ρεύματος στα τέλη του 19ου αιώνα, αποδείχτηκαν ότι δεν ήταν πολύ καλά υλικά όσον αφορά την τριβή. Φθείρονται γρήγορα και σε νέα σχέδια μηχανών αντικαθίστανται από άνθρακα και γραφίτη.

Επί του παρόντος για μηχανές συνεχούς ρεύματος χρησιμοποιείται σχεδόν αποκλειστικά βούρτσες άνθρακα με πρόσμιξη γραφίτη, φέροντας, ανάλογα με το ποσοστό γραφίτη και τον τρόπο κατασκευής των πινέλων, τα ονόματα άνθρακα-γραφίτη, γραφίτη ή ηλεκτρογράφο. Μόνο για μηχανές χαμηλής τάσης, έως 30 V, χρησιμοποιούνται βούρτσες μετάλλου-άνθρακα, οι οποίες δίνουν χαμηλότερη πτώση τάσης στο στρώμα επαφής (μετάβασης) στον συλλέκτη.

Βούρτσες άνθρακα είναι κατασκευασμένα από καθαρό γραφίτη, άνθρακα και αιθάλη σε διάφορες αναλογίες. Ο άνθρακας είναι ένα αυτολιπαινόμενο υλικό που δεν καταστρέφει την επιφάνεια που τρίβεται και δεν φθείρεται γρήγορα.

Βούρτσες γραφίτη είναι κατασκευασμένα από καθαρό φυσικό γραφίτη. Ο γραφίτης συνθλίβεται σε λεπτή σκόνη, η οποία στη συνέχεια πιέζεται υπό πολύ υψηλή πίεση σε ράβδους του επιθυμητού μεγέθους. Ο άνθρακας και ο γραφίτης είναι εξαιρετικοί αγωγοί του ηλεκτρισμού.

Βούρτσες ηλεκτρογραφίτη Ουσιαστικά είναι βούρτσες άνθρακα αλλά εκτίθενται σε υψηλές θερμοκρασίες σε ηλεκτρικό φούρνο και έτσι μετατρέπονται σε γραφίτη. Αυτές οι βούρτσες έχουν πολύ καλές ιδιότητες λείανσης.

Βούρτσες άνθρακα κατασκευασμένο από άνθρακα και χαλκό θρυμματισμένο σε λεπτή σκόνη, μερικές φορές με την προσθήκη άλλου θρυμματισμένου μετάλλου (συχνά κασσίτερο).

Η παραγωγή αυτών των βουρτσών γίνεται με τέτοιο τρόπο ώστε η βούρτσα να έχει την καλύτερη δυνατή αγωγιμότητα στην αξονική κατεύθυνση, στην οποία περνά το ρεύμα εργασίας της μηχανής, και κακή αγωγιμότητα (υψηλή ηλεκτρική αντίσταση) στην εγκάρσια κατεύθυνση, στην οποία τα πρόσθετα ρεύματα των περιλαμβανόμενων τμημάτων κλείνουν κατά τη διάρκεια της εναλλαγής.

Οι ηλεκτρικές βούρτσες μηχανών είναι τυποποιημένες. Χαρακτηρίζονται από σκληρότητα, παροδική πτώση τάσης στην επαφή και επιτρεπόμενη πυκνότητα ρεύματος.

Αυτή η τεχνολογία μετάδοσης ενέργειας, η οποία είναι πάνω από εκατό χρόνια, εξακολουθεί να χρησιμοποιείται ευρέως σήμερα. Οι βούρτσες άνθρακα μπορούν ακόμα να βρεθούν σε πολλούς ηλεκτρικούς κινητήρες. Ξεκινώντας με μικρούς κινητήρες σε παιχνίδια, ηλεκτρικές συσκευές κουζίνας, ηλεκτρικά παράθυρα, ξυριστικές μηχανές, πλυντήρια ρούχων, πιστολάκια μαλλιών, ηλεκτρικές σκούπες ή ηλεκτρικά εργαλεία (ηλεκτρικά τρυπάνια, γωνιακοί μύλοι, δρομολογητές, κυκλικά πριόνια κ.λπ.),

Οι βούρτσες χρησιμοποιούνται επίσης σε μεγάλες μηχανές συνεχούς ρεύματος σε ηλεκτρικές ατμομηχανές, υποβρύχια και γεννήτριες σταθμών παραγωγής ενέργειας, καθώς και σε ανεμογεννήτριες. Κατά συνέπεια, τα γεωμετρικά και ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των βουρτσών άνθρακα είναι διαφορετικά.

Ο αριθμός των ζωνών (που σχηματίζουν την κυλινδρική επιφάνεια του συλλέκτη) της συναρμολόγησης των βουρτσών στον συλλέκτη είναι συνήθως ίσος με τον αριθμό των πόλων της μηχανής. Ο αριθμός των βουρτσών σε κάθε ζώνη εξαρτάται από την τιμή του ρεύματος και την πυκνότητα ρεύματος κάτω από τη βούρτσα που επιτρέπεται για έναν δεδομένο τύπο βούρτσας, αλλά λιγότερες από δύο βούρτσες ανά ζώνη μπορούν να βρεθούν μόνο σε πολύ μικρές μηχανές, αφού με μία βούρτσα ανά ζώνη είναι δύσκολο να διασφαλιστεί η αξιοπιστία της επαφής της βούρτσας.

Οι βούρτσες που παραμένουν στην ίδια ζώνη ονομάζονται σετ βουρτσών ζώνης και το σύνολο όλων των σετ ζωνών μιας δεδομένης μηχανής ονομάζεται πλήρες σετ βουρτσών.

Η ακραία επιφάνεια των βουρτσών στην αντίθετη πλευρά από την επαφή με τον συλλέκτη είναι συνήθως επιχαλκωμένη, μερικές φορές επικασσιτερωμένη. Σε ένα μικρό ρεύμα που τραβιέται από τη βούρτσα, η επιφάνεια επαφής της βούρτσας με τη βάση της βούρτσας και το ελατήριο συμπίεσης παρέχει επαρκώς ικανοποιητικές συνθήκες για την αποστράγγιση του ρεύματος.

Οι μεγάλες βούρτσες είναι εφοδιασμένες με καπάκια από φύλλο χαλκού, σφιχτά προσαρμοσμένα σε αυτά, και με σύρματα προσαρτημένα σε αυτά, κατασκευασμένα από μαλακά εύκαμπτα καλώδια κατάλληλων τμημάτων, με μύτες για στερέωση κάτω από μια βίδα σε μια βάση βούρτσας ή σε ένα μέρος που προορίζεται για αποστράγγιση ρεύμα βούρτσας. Το καπάκι της βούρτσας σχοινιού ονομάζεται βραχίονας βούρτσας.

Οι βούρτσες συγκρατούνται σε σταθερή θέση σε σχέση με τον συλλέκτη θήκες για βούρτσες, του οποίου ο σχεδιασμός είναι πολύ διαφορετικός.

Εάν η ηλεκτρική μηχανή έχει σχεδιαστεί και για τις δύο κατευθύνσεις περιστροφής, τότε χρησιμοποιούνται ακτινικές βάσεις βούρτσας, οι οποίες διασφαλίζουν τη θέση της βούρτσας κατά μήκος της ακτίνας του συλλέκτη. Σε μηχανές με μια συγκεκριμένη κατεύθυνση περιστροφής, χρησιμοποιούνται συχνά βάσεις βούρτσας με κάποια κλίση της βούρτσας στην ακτίνα.

Θήκη βούρτσας για μηχανές DC χαμηλής και μέσης ισχύος

Μεγάλη βάση βούρτσας για μηχανή DC

Οι βάσεις βούρτσας μονής ζώνης συνδέονται σε στρογγυλά ή τετράγωνα δάχτυλα βούρτσας ή σε σφιγκτήρες βούρτσας… Τα δάχτυλα βούρτσας ή οι σφιγκτήρες από διαφορετικές περιοχές βούρτσας ενισχύονται στηρίγματα βουρτσών ή στρωτήρες βούρτσαςαπό την οποία πρέπει να απομονώνονται αξιόπιστα.

Με τη σειρά τους, οι ομοιόμορφοι στρωτήρες προσαρμόζονται είτε στα ρουλεμάν, είτε στις ακραίες ασπίδες, είτε στο ζυγό, είτε, τέλος, ανεξάρτητα στην πλάκα βάσης της μηχανής (για μακριούς συλλέκτες).

Σημαντικές προϋποθέσεις που πρέπει να πληροί το στήριγμα της βούρτσας ή το σταυροδρόμι της βούρτσας είναι η απόλυτη απουσία κραδασμών, η προσβασιμότητα για έλεγχο και ρύθμιση των βουρτσών, η εύκολη αφαίρεση των μεμονωμένων στηριγμάτων βούρτσας για επισκευές και η δυνατότητα ταυτόχρονης περιστροφής ολόκληρου του συστήματος βούρτσας για ακριβή τοποθέτηση στο σωστή θέση εναλλαγής διατηρώντας παράλληλα την πλήρη ομοκεντρικότητα των στηριγμάτων βούρτσας και του συλλέκτη.

Βούρτσες, υποδοχές βούρτσας, δάχτυλα (ή σφιγκτήρες) και μια τραβέρσα (ή στήριγμα) συνθέτουν τον λεγόμενο συλλέκτη ρεύματος μιας μηχανής DC. Περιλαμβάνει επίσης συνδέσεις μεταξύ σετ βουρτσών ζώνης ίδιας πολικότητας.

Για την αποστράγγιση του ρεύματος, τα δάχτυλα βούρτσας και οι σφιγκτήρες των ζωνών με το ίδιο όνομα (δηλαδή της ίδιας πολικότητας, θετικής ή αρνητικής) συνδέονται ηλεκτρικά μεταξύ τους με ένα μονωμένο καλώδιο του αντίστοιχου τμήματος.

Με αυτόν τον τρόπο λαμβάνονται δύο πλήρεις ή μερικοί δακτύλιοι συλλογής, οι οποίοι στη συνέχεια συνδέονται με εύκαμπτα καλώδια κατάλληλης διατομής στους εξωτερικούς ακροδέκτες του μηχανήματος. Τα τελευταία στερεώνονται σε ειδική σανίδα σύσφιξης είτε στο ζυγό είτε στην κύρια πλάκα της μηχανής. Η πλακέτα ακροδεκτών, καλυμμένη με προστατευτικό κάλυμμα, σχηματίζει ένα κουτί ακροδεκτών.

Η σωστή εφαρμογή και επιλογή της βούρτσας, σε συνδυασμό με τη σωστή συντήρηση, έχει ως αποτέλεσμα αυξημένη απόδοση του μηχανήματος και μειωμένο κόστος διακοπής λειτουργίας.

Επειδή η τριβή που προκαλείται από την περιστροφή της συσκευής προκαλεί λειαντική φθορά, οι βούρτσες πρέπει να αντικαθίστανται περιοδικά.Για αυτόν τον λόγο, κινητήρες χωρίς ψήκτρες.