книги из ГПНТБ / Лившиц, П. С. Скользящий контакт электрических машин (свойства, характеристики, эксплуатация)

п . с . Л и в ш и ц

СКОЛЬЗЯЩИЙ КОНТАКТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

(СВОЙСТВА, ХАРАКТЕРИСТИКИ, ЭКСПЛУАТАЦИЯ)

« Э Н Е Р Г И Я »

МОСКВА 1974

различных факторов, влияющих на работу электричес­ кого скользящего контакта. Если одни из них изучены настолько полно, что поддаются вполне строгому количественному учету, то закономерности, определяющие влияние других, описаны только в самом общем виде.. Как всегда бывает в последней ситуации, отсутствие основополагающей руководящей идеи приводит к необхо­ димости рассмотрения большого числа частных случаев. Именно в подобном положении находится изучение влия­ ния на характеристики скользящего контакта состояния окружающей среды, материала контактных элементов, вводимых в эти материалы легирующих добавок и про­ питывающих веществ, температуры, давлений и ряда других показателей. Изучению влияния этих показате­ лей на характеристики электрического скользящего кон­ такта посвящено значительное количество исследований, опубликованных в самых различных изданиях. Особен­ ность этих публикаций состоит в том, что они касаются отдельных частных вопросов проблемы и не объединены каким-либо руководящим принципом. Методическая осо­ бенность предлагаемой вниманию читателей книги сос­ тоит в том, что в ней предпринята попытка связать ха­ рактеристики скользящего контакта с составом матери­ алов, из которых изготовлены образующие его элементы, и рассмотреть изменения этих характеристик в зависи­ мости от влияния факторов, определяемых как собствен­

ром многочисленные источники информации следует рас­ сматривать как составные части коллективного экспери­ мента, конечной целью которого является создание об­ щей теории работы скользящего контакта электрических машин. Автор отдает себе отчет в том, что в настоящем труде конечной цели полностью достичь еще не удалось. Тем не менее определенные результаты на пути к дости­

Книга рассчитана на четыре категории читателей. Первую из них, наиболее многочисленную, составят ин­ женерно-технические работники и квалифицированный персонал, занятые ремонтом, наладкой и эксплуатацией электрических машин в самых различных отраслях

4

народного хозяйства. Вторую категорию составят специа­ листы, проектирующие <и изготавливающие электричес­ кие машины; третью— работники электроугольной про­ мышленности, разрабатывающие и выпускающие элек­ трощетки; четвертую категорию составят специалисты, проявляющие интерес к узкоспециальным вопросам тео­

мало полезных сведений, использование которых позво­ лит повысить надежность работы электрооборудования, эксплуатируемого в самых различных отраслях народ­ ного хозяйства.

В заключение несколько слов о принятой в настоящей книге системе единиц измерений. Для устранения суще­ ствующего в различных странах многообразия этих еди­

тему единиц (Systeme international), сокращенно обозна­ ченную литерами СИ (SI). К настоящему времени мно­ гие страны ввели единицы системы СИ в качестве обя­ зательных и число таких стран непрерывно возрастает. Внедряется эта система и в СССР. Впервые ее узако­ нил в нашей стране ГОСТ 9867-61. После ряда усовер­ шенствований и дополнений Комитет стандартов, мер и измерительных приборов при Совете Министров СССР

в 1970 г. опубликовал окончательную редакцию проекта государственного стандарта «Единицы физических ве­ личин», предписания которой в настоящей книге и ис­ пользованы. Для преодоления затруднений, возникаю­ щих у читателя при восприятии цифровых данных, на­ ряду с единицами Международной системы в скобках указаны единицы измерения в системах, применявшихся ранее. Кроме того, в приложении I приведены перевод­ ные коэффициенты для перевода старых единиц измере­ ний в единицы СИ. Принятые в книге округления при соответствующих перерасчетах дают ошибку, не превос­ ходящую 2%'; для рассматриваемых задач подобная ошибка вполне допустима. В книге применены также кратные и дольные единицы, образованные с помощью десятичных приставок, например, «гПа» — гектопаскаль (100 паскалей); «сН» — сантиньютон (0,01 ньютона) и др.

5

В В Е Д Е Н ИЕ

Развитию электромашиностроения всегда уделялось особое внимание, и в настоящее время оно является од­ ной из передовых и наиболее организованных отраслей промышленности всякой индустриально развитой страны. Подобное положение достигнуто в результате работ вы­ дающихся ученых, экспериментаторов, изобретателей и организаторов производства, чьими творческими усилия­ ми осуществлялись становление и прогрессирующее раз­ витие различных отраслей деятельности, связанных с разработкой теории, конструкций и совершенствова­ нием производства электрических машин. У истоков

возможность превращения электрической энергии в ме­ ханическую (1821 г.), открывший явление электромагнит­ ной индукции (1831 г.) и построивший первый магнито­ электрический генератор (1831 г.), член Петербургской академии наук Б. С. Якоби, впервые создавший электро­ двигатель с непосредственным вращением якоря (1834 г.), коллектор для выпрямления тока, речной бот с электри­ ческим приводом-(1838 г.) и открывший появление об­ ратной э. д. с. при вращении якоря; член Петербургской академии наук, ректор Петербургского университета Э. X. Ленц, которым обобщен и сформулирован закон магнитной индукции (закон Ленца), доказан принцип обратимости электрических машин (1838 г.), опублико­ вана первая в мире работа по исследованию магнито­ электрической машины, установлено и правильно объяс­ нено явление реакции якоря. Работы пионеров электро­ техники и электромашиностроения успешно были продолжены во второй половине XIX в. В 1860 г. А. Пачинотти создает электродвигатель с кольцевым якорем;

6

Г. Уайльда 1863 г. строит электрическую машину с неза< висим ым возбуждением, а еще через 4 года появляется первая электрическая машина с самовозбуждением. В 1870 г. 3. Грамм применяет кольцевой якорь при соо­

открывает принцип вращающегося магнитного поля, М. О. Доливо-Добровольский изобретает систему трех­ фазного тока, а Н. Тесла получает патент на электро­ двигатель многофазного тока и строит двухфазный асинхронный электродвигатель. Через год, в 1889 г.,

М.О. Доливо-Добровольский изобретает трехфазный

ции электрических машин, -которую в настоящее время называют классической и в основе которой лежит пред­ ставление о постоянстве удельного переходного сопро­

шиностроения приобрели принципиально новый харак­ тер. На смену ученым-одиночкам пришли мощные хо­ зяйственные и научно-исследовательские организации, объединившие целые коллективы исследователей и орга­ низаторов промышленности. В нашей стране талантливы­ ми руководителями научных школ, разрабатывавших теоретические вопросы электромашиностроения, и вы­

М.А. Шателен и К. А. Круг, профессора Д. В. Ефремов,

П.Л. Калантаров, В. Т. Касьянов, С. И. Курбатов,

Л. М. Пиотровский, В. А. Толвинский и многие другие.

Врезультате к настоящему времени созданы теория ра­ боты и методы расчета электрических машин самых различных 'Мощностей и назначений. В основе разрабо­ танных методов лежат точные количественные соотноше­ ния, позволяющие рассчитывать магнитные и электри­ ческие цепи машин, их пусковые, регулировочные, рабо­ чие, тепловые и прочие характеристики. Эта отлично систематизированная и достаточно строгая схема расче-

7

электрического скользящего контакта. Физико-химичес­ кие процессы, происходящие в зоне этого контакта, под­ вергающиеся влиянию окружающей среды, оказались настолько сложными, что до сих пор не удалось создать достаточно стройную теорию, позволяющую производить количественную оценку происходящих в скользящем кон­ такте явлений. Вследствие указанного обстоятельства в практике эксплуатации возникают случаи, когда эле­ менты скользящего контакта рассчитанной по оптимальному варианту, хорошо построенной и правильно отрегули­ рованной электрической машины начинает плохо рабо­ тать только потому, что в составе окружающей ее атмо­ сферы на 1 млн. частей воздуха приходится 10 частей кремнийсодержащих веществ.

Приведенный пример, характеризующий влияние внеш­ ней среды на работу скользящего контакта электрических машин, является далеко не единственным. Период за­ рождения высотной авиации дал немало других приме­ ров ^нарушения работоспособности скользящего контакта электрооборудования высотных летательных аппаратов, причем эти нарушения были столь значительными, что делали невозможной эксплуатацию названных аппаратов в условиях высоты.

Описанные примеры заимствованы из практики эксплуатации электрических.машин в течение последних двух-трех десятилетий. Много других примеров воздей­ ствия на электрический скользящий контакт различных факторов можно найти на протяжении почти всего пе­ риода его развития. Так, уже в 1834 г. Б. С. Якоб и, со­ здавая свой электродвигатель с вращающимся якорем, особое внимание уделил разработке коммутирующего устройства, явившегося прообразом современного кол­ лектора и электрощеток. Предложения, имевшие целью

(1890 г.), К. Кох (1892 г.) и Л. Будро (1895 г.). Все перечисленные авторы задачу повышения работоспособ­ ности электрического скользящего контакта решали пу­ тем совершенствования конструкции образующих его элементов. Материал коллекторов и электрощеток оста-

8

вался все время неизменным: при изготовлении первых, применялась медь, а при изготовлении вторых — медь или ее сплавы. Основным наблюдавшимся в то время не­ достатком подобной контактной пары являлся интенсив­ ный износ. Для устранения этого недостатка Л. Будро,

рошков, сделал в 1895 г. заявку на электрощетки, спрес­ сованные из бронзового порошка. Подобный способ из­ готовления электрощеток в первоначальном варианте оказался малоэффективным, однако идея изготовления электрощеточных материалов методами порошковой ме­ таллургии и угольной керамики оказалась весьма пло­ дотворной. Весь последующий период совершенствова­ ния характеристик скользящего контакта электрических машин связан с использованием электрощеточных мате­ риалов, изготовленных этими методами. В период 1900— 1927 гг., решая задачу повышения коммутирующих свойств и снижения износа элементов электрических скользящих контактов, промышленность последовательно создает все известные в настоящее время классы рас­ сматриваемых материалов: металлографитный (1900 г.), угольно-графитный, графитный и электрографитираванный (патент фирмы Шунк и Эбе, 1927 г.). Решающую роль в создании этих материалов сыграли предприятия, на которых в то время изготавливались угольно-графит­

для элемен-гов электрических скользящих контактов осу­ ществлялось изучение показателей, характеризующих их совместную работу. Помимо уже упоминавшихся харак­ теристик износа и коммутационной характеристики изу­

рассмотрению физических процессов в контакте, меха­ ническому взаимодействию его элементов, переходному падению напряжения в нем и другим вопросам.

9