โลหะผสมทองแดงนำไฟฟ้าในมอเตอร์ไฟฟ้า: วงแหวนสะสม สับเปลี่ยนไฟฟ้า และลวดเชื่อม

ในกรณีที่มีการใช้โลหะผสมทองแดงนำไฟฟ้าในเครื่องจักรไฟฟ้า

มอเตอร์ไฟฟ้าและเครื่องกำเนิดไฟฟ้าใช้ทองแดงในสามบทบาทที่แตกต่างกัน ลวดพันจะจ่ายกระแสไฟฟ้าหลักและโดยปกติจะเป็นทองแดงพิทช์เหนียวด้วยไฟฟ้าจนถึงระดับตัวนำ วงแหวนสะสมของเครื่องจักรโรเตอร์-และสับเปลี่ยนของเครื่อง DC จะส่งกระแสไฟฟ้าผ่านหน้าสัมผัสแบบเลื่อน และที่จับอิเล็กโทรด แขนอิเล็กโทรด และกระแส-วงแหวนแบกของอุปกรณ์เชื่อมจะนำกระแสหนักภายใต้แรงกดดันเข้าสู่งาน สองกลุ่มหลังเป็นสาเหตุที่ทำให้โลหะผสมทองแดงนำไฟฟ้ามีอยู่ เนื่องจากส่วนประกอบที่รวมการนำไฟฟ้าสูงเข้ากับความแข็งแรงสูง ความต้านทานการสึกหรอ และความต้านทานต่อการอ่อนตัวที่อุณหภูมิไม่สามารถทำจากทองแดงอบอ่อนบริสุทธิ์ได้

ความขัดแย้งทางวิศวกรรมเป็นพื้นฐาน สิ่งใดก็ตามที่เพิ่มความแข็งแกร่งของทองแดง - งานเย็นหรือโลหะผสม - จะทำให้ค่าการนำไฟฟ้าของมันลดลง และส่วนประกอบที่สัมผัสใด ๆ ที่มีความร้อนสูงเกินไปจะอ่อนตัวลง สึกหรออย่างรวดเร็ว และสูญเสียความเสถียรของมิติ ดังนั้นการเลือกโลหะผสมทองแดงที่นำไฟฟ้าจึงเป็นความสมดุลระหว่างการนำไฟฟ้า ความแข็งแรงที่อุณหภูมิ ความต้านทานการสึกหรอ และพฤติกรรมการสัมผัส ซึ่งได้รับการแก้ไขแตกต่างกันไปสำหรับเครื่องจักรแต่ละประเภท

ข้อกำหนดสำหรับวงแหวนสะสมและเซ็กเมนต์สับเปลี่ยน

วงแหวนคอลเลคเตอร์และส่วนสับเปลี่ยนจะส่งกระแสไฟฟ้าผ่านแปรงถ่าน และต้องคงรูปร่างและพื้นผิวไว้ตลอดอายุการใช้งานของเครื่อง ชุดคุณสมบัติที่ผู้ออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนและมอเตอร์ทำงานคือ:

ค่าการนำไฟฟ้าอย่างน้อยประมาณ 49 MS/m ซึ่งสอดคล้องกับ IACS ประมาณ 85 % ดังนั้นการสูญเสียการสัมผัสและความร้อนจึงอยู่ในระดับต่ำ

ความต้านทานแรงดึงอย่างน้อยประมาณ 294 MPa โดยมีความยืดมากกว่า 2 % เพื่อให้ส่วนหรือวงแหวนไม่แตกร้าวในระหว่างการกด รีด หรือหดตัว

มีความแข็งอย่างน้อยประมาณ 90 HV และทนทานต่อการสึกหรอได้ดี เนื่องจากวัสดุจะต้องทนทานต่อการเสียดสีของแปรงอย่างต่อเนื่อง

ลักษณะการสัมผัสที่เชื่อถือได้พร้อมความต้านทานการสัมผัสต่ำและเสถียร

อุณหภูมิอ่อนตัวลงเหนืออุณหภูมิการทำงานจริงของส่วนประกอบ วัดที่พื้นผิวสัมผัสภายใต้โหลดไฟฟ้าปกติ

จุดสุดท้ายตัดสินใจเลือกวัสดุบ่อยกว่าสิ่งอื่นใด โดยทั่วไปแล้วทองแดงบริสุทธิ์งานเย็นจะถูกใช้ที่อุณหภูมิประมาณ 80 องศาเท่านั้น เนื่องจากตั้งแต่ประมาณ 150 องศาขึ้นไป โครงสร้างงานเย็นจะตกผลึกอีกครั้ง และส่วนประกอบจะสูญเสียความแข็งและความแข็งแรงที่การออกแบบต้องอาศัยไปเรื่อยๆ ในกรณีที่อุณหภูมิในการทำงานสูงขึ้น ต้องใช้โลหะผสมที่มีเฟสที่สองที่เสถียรหรือการเติมเงิน

ครอบครัวโลหะผสมและขีดจำกัดอุณหภูมิ

สำหรับส่วนเครื่องสับเปลี่ยนกระแสไฟฟ้า ลำดับการปฏิบัติจึงตรงไปตรงมา: ทองแดงงานเย็นสำหรับเครื่องจักรที่โหลดเบาซึ่งมีอุณหภูมิพื้นผิวต่ำ เงิน แรร์เอิร์ธ หรือทองแดงที่มีแบริ่งแคดเมียมสำหรับเครื่องสับเปลี่ยนกระแสไฟฟ้าสูงถึงประมาณ 250 องศา ทองแดงเซอร์โคเนียมสำหรับเครื่องจักรที่มีอุณหภูมิสูงถึงประมาณ 350 องศา และทองแดงโครเมียม-เซอร์โคเนียมสำหรับเครื่องจักรกำลังสูงที่ทำงานในย่านความถี่ 350 ถึง 500 องศา วงแหวนสะสมเป็นไปตามตรรกะเดียวกันโดยเน้นที่ความต้านทานการสึกหรอเพิ่มเติม เนื่องจากหน้าสัมผัสแบบเลื่อนจะขจัดวัสดุอย่างต่อเนื่อง

เปรียบเทียบเงิน เซอร์โคเนียม และโครเมียม-ทองแดงเซอร์โคเนียม

ทองแดงที่มีเงิน-ทำงานโดยการเพิ่มอุณหภูมิการตกผลึกใหม่: การเติมเงินเล็กน้อยจะไม่ก่อให้เกิดเฟสที่สองแบบหยาบ ดังนั้นสภาพนำไฟฟ้าจึงใกล้เคียงกับทองแดงบริสุทธิ์มาก ในขณะที่วัสดุยังคงความแข็งแกร่งขณะทำงานเย็นจนถึงอุณหภูมิที่สูงขึ้นอย่างเห็นได้ชัด เป็นตัวเลือกโดยธรรมชาติเมื่อต้องการการนำไฟฟ้าสูงสุดและความเสถียรทางความร้อนปานกลาง เช่น ตัวสับเปลี่ยนขนาดใหญ่ วงแหวนรองรับกระแสไฟฟ้า และการเชื่อมต่อบัสบาร์กระแสสูงที่ทำงานขณะอุ่น

ทองแดงเซอร์โคเนียมและโครเมียม-ทองแดงเซอร์โคเนียมทำงานโดยการทำให้แข็งตัวด้วยการตกตะกอน การบำบัดด้วยสารละลายที่มีการควบคุมและการเสื่อมสภาพจะตกตะกอนอนุภาคละเอียดที่ตรึงโครงสร้างและรักษาความแข็งแรงไว้ที่อุณหภูมิซึ่งทองแดงในงานเย็นได้อ่อนตัวลงแล้ว ทองแดงโครเมียม-เซอร์โคเนียมกักเก็บ IACS ได้ประมาณ 80 % โดยมีความแข็งและความร้อนแรงซึ่งทำให้เหมาะสำหรับอิเล็กโทรดการเชื่อมแบบต้านทานและสำหรับสับเปลี่ยนที่มีภาระหนักที่สุด ในขณะที่ค่าการนำไฟฟ้ายังคงสูงพอที่จะรักษาความร้อนแบบต้านทานให้อยู่ภายในขีดจำกัดที่ยอมรับได้

แคดเมียม-ทองแดงที่มีแบริ่งจะอยู่ในช่องที่หดตัว การผสมผสานระหว่างความแข็งแรงและการนำไฟฟ้านั้นดีเยี่ยม แต่แคดเมียมถูกจำกัดภายใต้กฎเกณฑ์สารอันตรายในตลาดส่งออกที่สำคัญหลายแห่ง ดังนั้นผู้ซื้อจำนวนมากจึงระบุเกรดเงินหรือเซอร์โคเนียมแทน เมื่อแบบเก่าเรียกร้องให้ใช้ทองแดงแคดเมียม การแทนที่ควรได้รับการยืนยันโดยคำนึงถึงข้อกำหนดด้านการนำไฟฟ้า ความแข็งแรง และอุณหภูมิอ่อนตัว แทนที่จะใช้ชื่อเกรดเพียงอย่างเดียว และควรบันทึกการเปลี่ยนทดแทนไว้ในไฟล์ทางเทคนิค

ลวดเชื่อม แขนอิเล็กโทรด และวงแหวนสะสม

อิเล็กโทรดเชื่อมแบบต้านทานจะนำกระแสการเชื่อมและส่งแรงเชื่อม ดังนั้นวัสดุจึงต้องเป็นไปตามข้อกำหนดสี่ประการในคราวเดียว ได้แก่ ค่าการนำไฟฟ้าและค่าการนำความร้อนสูงกว่าชิ้นงานที่กำลังเชื่อม มีความแข็งสูงโดยเฉพาะที่อุณหภูมิสูง ไม่มีปฏิกิริยาผสมหรือเกาะติดกับชิ้นงาน และต้านทานการเกิดออกซิเดชันที่ดีเพื่อไม่ให้ผิวหนังเป็นฉนวนออกไซด์ในการให้บริการ

การเลือกเป็นไปตามวัสดุที่กำลังเชื่อม อะลูมิเนียม โลหะผสมแมกนีเซียม และโลหะผสมทองแดงถูกเชื่อมด้วยอิเล็กโทรดที่ทำจากทองแดงเงิน ทองแดงเซอร์โคเนียม หรือทองแดงเสริมการกระจายตัว โดยที่การกระจายตัวของอลูมินาจะให้ความแข็งแรงที่ร้อนสูงมาก เหล็กเหนียว โลหะผสมนิกเกิล และเหล็กโลหะผสมต่ำเชื่อมด้วยทองแดงเซอร์โคเนียม ทองแดงโครเมียม และทองแดงโครเมียม-เซอร์โคเนียม สแตนเลสและโลหะผสมทนความร้อนต้องใช้ทองแดงเบริลเลียมและทองแดงโครเมียม-เซอร์โคเนียมที่มีค่าการนำไฟฟ้าสูง ซึ่งทนทานต่ออุณหภูมิของอิเล็กโทรดที่สูงขึ้น ในกรณีที่การปนเปื้อนของทองแดงในชิ้นงานเป็นสิ่งที่ยอมรับไม่ได้ เช่น ในงานแพลตตินัมเนื้อละเอียด ทองหรือเส้นใย จะใช้อิเล็กโทรดโลหะทนไฟและทองแดง-คอมโพสิตทังสเตนแทน โดยยอมรับค่าการนำไฟฟ้าที่ต่ำกว่าเพื่อแลกกับการสัมผัสที่ไม่-ปนเปื้อน

ส่วนรองรับอิเล็กโทรด แขนอิเล็กโทรด และวงแหวนตัวสะสมกระแสมีหน้าที่แตกต่างกันเล็กน้อย พวกมันจะต้องรวมค่าการนำไฟฟ้าสูงเข้ากับความแข็งเชิงกลภายใต้ภาระการดัดงอ ดังนั้นพวกมันจึงมักจะทำจากทองแดงโครเมียมหรือทองแดงโครเมียม-เซอร์โคเนียมในสภาวะชุบแข็งด้วยการตกตะกอน ตัดเฉือนแล้วจึงบ่ม โดยมีการจัดเรียงช่องระบายความร้อนเพื่อรักษาตัวจับอิเล็กโทรดให้ต่ำกว่าช่วงการอ่อนตัวของมัน การสูญเสียความแข็งในตัวจับยึดอิเล็กโทรดจะแสดงขึ้นเนื่องจากการวางแนวอิเล็กโทรดไม่ตรงและนักเชื่อมเชื่อมไม่สอดคล้องกันเป็นเวลานานก่อนที่ชิ้นส่วนจะล้มเหลวในเชิงกลไก

ตัวนำ สายหน้าสัมผัส และการเชื่อมต่อแบบยืดหยุ่น

ตรรกะของคุณสมบัติเดียวกันนี้ใช้กับตัวนำเหนือศีรษะและตัวนำสัมผัส โดยที่อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นสูงสุดที่อนุญาตจะต้องไม่เกินอุณหภูมิอ่อนตัวของวัสดุที่เลือก ทองแดงเงิน ทองแดงหายาก ทองแดงแคดเมียม และทองแดงแคดเมียม-ใช้สำหรับสายเคเบิล ตัวนำไฟฟ้าเหนือศีรษะ สายสื่อสาร และสายหน้าสัมผัส ที่เลือกตามหน้าที่ทางกลของแต่ละการใช้งาน ได้แก่ ความยืดหยุ่นที่ดีและการเชื่อมต่อง่ายสำหรับสายเคเบิลแบบยืดหยุ่น ความต้านทานการสั่นสะเทือนและความล้าสำหรับตัวนำเหนือศีรษะ และความต้านทานการสึกหรอสำหรับสายหน้าสัมผัสที่ทำงานภายใต้เครื่องคัดลอกหรือรองเท้าสะสม ในกรณีที่จำเป็นต้องมีการนำไฟฟ้าร่วมกันและความต้านทานแรงดึงที่สูงมาก ตัวนำคอมโพสิต เช่น เหล็กหุ้มทองแดง- จะถูกนำมาใช้แทนโลหะผสมทองแดงที่เป็นของแข็ง

ในเครื่องใช้ไฟฟ้า อุปกรณ์สื่อสาร และส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ สวิตช์ถอยหลัง สปริง และขั้วต่อจำเป็นต้องมีความแข็งแรงสูง มีขีดจำกัดความยืดหยุ่นสูง และทนทานต่อการสึกหรอ การกัดกร่อน และความล้า ทองแดงเบริลเลียม ทองแดงไทเทเนียม และดีบุกฟอสเฟอร์บรอนซ์ครอบคลุมตำแหน่งเหล่านี้ส่วนใหญ่ และทางเลือกระหว่างตำแหน่งเหล่านี้ขึ้นอยู่กับค่าการนำไฟฟ้าที่ต้องการ แรงสปริง และระดับความต้านทานการสัมผัสที่อนุญาต ในทางตรงกันข้าม บัสบาร์และการเชื่อมต่อกระแสไฟฟ้าแรงนั้นทำจากทองแดงที่มีความนำไฟฟ้าสูงในสภาวะแบน ดึงหรืออัดขึ้นรูป ผ่านการทดสอบความต้านทานและมาพร้อมกับการวิเคราะห์ทางเคมีที่ได้รับการรับรอง

คำถามที่พบบ่อย

ถาม: เหตุใดจึงไม่สามารถใช้ทองแดงบริสุทธิ์กับมอเตอร์สับเปลี่ยนได้
เนื่องจากพื้นผิวสัมผัสของตัวสับเปลี่ยนทำงานร้อนพอที่จะตกผลึกทองแดงงานเย็นอีกครั้ง เมื่อสิ่งนั้นเกิดขึ้น ความแข็งและความต้านทานต่อการสึกหรอลดลง ขอบของชิ้นส่วนจะสึกหรอก่อนเวลาอันควรและพื้นที่สัมผัสจะเปลี่ยนไป ดังนั้นจึงใช้โลหะผสมที่มีอุณหภูมิอ่อนตัวสูงกว่า เช่น ทองแดงเงิน ทองแดงเซอร์โคเนียม หรือทองแดงโครเมียม-เซอร์โคเนียมแทน

ถาม: วัสดุวงแหวนคอลเลคเตอร์ต้องใช้ค่าการนำไฟฟ้าและความแข็งแรงเท่าใด
ค่าการยอมรับโดยทั่วไปคือค่าการนำไฟฟ้าอย่างน้อยประมาณ 49 MS/m เทียบเท่ากับ IACS ประมาณ 85 % ความต้านแรงดึงอย่างน้อยประมาณ 294 MPa โดยมีการยืดตัวมากกว่า 2 % และความแข็งอย่างน้อยประมาณ 90 HV พร้อมด้วยอุณหภูมิอ่อนตัวที่สูงกว่าอุณหภูมิในการทำงานของส่วนประกอบ

ถาม: โลหะผสมทองแดงชนิดใดที่ใช้สำหรับอิเล็กโทรดเชื่อมต้านทาน?
ทองแดงโครเมียมและทองแดงโครเมียม-เซอร์โคเนียมที่มี IACS ประมาณ 80 % และมีความแข็งร้อนสูง ครอบคลุมการเชื่อมเหล็กและสแตนเลสส่วนใหญ่ การเชื่อมอลูมิเนียมและแมกนีเซียมใช้ทองแดงเงิน ทองแดงเซอร์โคเนียม หรือทองแดงเสริมการกระจายตัว ในขณะที่งานที่ไม่-ไม่มีการปนเปื้อนจะใช้โลหะทนไฟหรืออิเล็กโทรดทังสเตน-ทองแดง

ถาม: เหตุใดจึงเปลี่ยนทองแดงแคดเมียม?
แคดเมียมถูกจำกัดภายใต้กฎระเบียบเกี่ยวกับสารอันตรายในตลาดหลักๆ หลายแห่ง ดังนั้นทองแดงที่มีแคดเมียม-จึงกลายเป็นเรื่องยากที่จะใส่ในผลิตภัณฑ์ส่งออก ทองแดงแบริ่งเงินและแบริ่งเซอร์โคเนียมมีค่าการนำไฟฟ้าที่เทียบเคียงได้กับการยอมรับตามกฎระเบียบที่ดีกว่า และการแทนที่ควรได้รับการตรวจสอบเทียบกับอุณหภูมิอ่อนตัวที่ต้องการ

ถาม: อุณหภูมิอ่อนตัวหมายถึงอะไรสำหรับตัวนำทองแดง
เป็นอุณหภูมิที่โลหะผสมทองแดงชุบแข็งที่ทำงานด้วยความเย็นหรือการตกตะกอนเริ่มสูญเสียความแข็งแรงอย่างถาวรเนื่องจากการตกผลึกซ้ำหรือการบ่มมากขึ้น- อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นที่อนุญาตของบัสบาร์ ลวดสัมผัส หรือตัวสับเปลี่ยนจะต้องอยู่ต่ำกว่าค่านั้น ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมการเลือกโลหะผสมจึงเป็นไปตามอุณหภูมิในการทำงานที่วัดได้ มากกว่าราคาเกรด

ถาม: มีการตรวจสอบการนำไฟฟ้าของส่วนประกอบโลหะผสมทองแดงที่ส่งมาอย่างไร
โดยการวัดค่าความต้านทานด้วยวิธีทดสอบที่เป็นที่ยอมรับ เช่น ASTM B193 ซึ่งโดยปกติจะรวมกับการวิเคราะห์ทางเคมีและการทดสอบความแข็ง ค่าการนำไฟฟ้าแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ของมาตรฐานทองแดงอบอ่อนสากล จึงสามารถเปรียบเทียบค่าที่วัดได้โดยตรงกับขีดจำกัดการยอมรับในข้อมูลจำเพาะในการซื้อ