Ledende kobberlegeringer i elektriske motorer: samleringer, kommutatorer og sveiseelektroder

Hvor ledende kobberlegeringer brukes i elektriske maskiner

Elektriske motorer og generatorer bruker kobber i tre forskjellige roller. Vikletråden bærer hovedstrømmen og er normalt elektrolytisk tøff kobber til en lederklasse; kollektorringene til viklede-rotormaskiner og kommutatorene til likestrømsmaskiner fører strøm gjennom en glidekontakt; og elektrodeholderne, elektrodearmene og-strømførende ringene til sveiseutstyr leder kraftig strøm under trykk inn i arbeidet. De to sistnevnte gruppene er grunnen til at ledende kobberlegeringer eksisterer, fordi en komponent som kombinerer høy ledningsevne med høy styrke, slitestyrke og motstand mot mykning ved temperatur, ikke kan lages av rent glødet kobber.

Ingeniørkonflikten er grunnleggende. Alt som øker styrken til kobber - kaldt arbeid eller legering - reduserer ledningsevnen, og enhver kontaktkomponent som overopphetes vil myke, slites raskt og miste dimensjonsstabiliteten. Valg av ledende kobberlegeringer er derfor en balanse mellom ledningsevne, styrke ved temperatur, slitestyrke og kontaktoppførsel, løst forskjellig for hver type maskin.

Krav til samleringer og kommutatorsegmenter

Samlerringer og kommutatorsegmenter fører strøm gjennom kullbørster og må holde formen og overflatefinishen gjennom hele maskinens levetid. Egenskapssettet som varmeveksler- og motordesignere jobber med er:

Elektrisk ledningsevne på minst ca. 49 MS/m, som tilsvarer ca. 85 % IACS, slik at kontakttap og oppvarming holder seg lave.

Strekkfasthet på minst ca. 294 MPa, med forlengelse over 2 %, slik at segmentet eller ringen ikke sprekker ved pressing, valsing eller krympemontering.

Hardhet på minst ca. 90 HV med god slitestyrke, siden materialet skal overleve kontinuerlig børstefriksjon.

Pålitelig kontaktoppførsel med lav og stabil kontaktmotstand.

En mykningstemperatur over den faktiske arbeidstemperaturen til komponenten, målt ved kontaktflaten under normal elektrisk belastning.

Det siste punktet avgjør materialvalg oftere enn noe annet. Kaldbearbeidet rent kobber påføres vanligvis bare opp til temperaturer i størrelsesorden 80 grader, fordi fra ca. 150 grader oppover rekrystalliserer den kaldbearbeidede strukturen og komponenten mister gradvis hardheten og styrken som designet er avhengig av. Der arbeidstemperaturen er høyere, må det brukes en legering med stabil andrefase eller sølvtilsetning.

Legeringsfamilier og deres temperaturgrenser

For kommutatorsegmenter er den praktiske sekvensen derfor grei: kaldbearbeidet kobber for lett belastede maskiner med lav overflatetemperatur, sølv, sjeldne jordartsmetaller eller kadmiumholdig kobber for kommutatorer opp til ca. 250 grader, zirkonium kobber for maskiner opp til ca. 350 grader og krom-zirkonium kobber til 50 graders kobberbånd med høy effekt 50 grader. Samlerringer følger samme logikk med ekstra vekt på slitestyrke, fordi glidekontakten fjerner materiale kontinuerlig.

Sølv, zirkonium og krom-Zirkoniumkobber sammenlignet

Sølv-holdig kobber virker ved å heve rekrystalliseringstemperaturen: den lille sølvtilsetningen danner ikke en grov andre fase, så ledningsevnen holder seg veldig nær den for rent kobber mens materialet beholder sin kaldbearbeidede styrke til en markant høyere temperatur. Det er det naturlige valget uansett hvor maksimal ledningsevne og moderat termisk stabilitet er nødvendig, for eksempel store kommutatorer, strømførende ringer og høystrøms samleskinneforbindelser som fungerer varmt.

Zirkoniumkobber og krom-zirkoniumkobber virker ved nedbørsherding. En kontrollert løsningsbehandling og aldring utfeller fine partikler som fester strukturen og beholder styrken ved temperaturer der kaldbearbeidet kobber allerede har myknet. Krom-zirkoniumkobber har omtrent 80 % IACS med en hardhet og varmestyrke som gjør den egnet for motstandssveiseelektroder og for de mest belastede kommutatorene, mens ledningsevnen forblir høy nok til å holde motstandsoppvarming innenfor akseptable grenser.

Kadmium-holdig kobber opptar en krympende nisje. Kombinasjonen av styrke og ledningsevne er utmerket, men kadmium er begrenset i henhold til regler for farlige stoffer i en rekke viktige eksportmarkeder, så mange kjøpere spesifiserer nå sølv- eller zirkoniumkvaliteter i stedet. Når en eldre tegning krever kadmiumkobber, bør substitusjonen bekreftes mot kravene til konduktivitet, styrke og mykningstemperatur i stedet for med karakternavn alene, og erstatningen bør dokumenteres i den tekniske filen.

Sveiseelektroder, elektrodearmer og samleringer

Motstandssveiseelektroder leder sveisestrømmen og overfører sveisekraften, så materialet må tilfredsstille fire krav på en gang: ledningsevne og varmeledningsevne høyere enn arbeidsstykket som sveises, høy hardhet spesielt ved høy temperatur, ingen legeringsreaksjon eller klebing med arbeidsstykket, og god oksidasjonsmotstand slik at det ikke dannes isolerende oksidhud under bruk.

Valget følger materialet som sveises. Aluminium, magnesiumlegeringer og kobberlegeringer er sveiset med elektroder laget av sølvkobber, zirkoniumkobber eller dispersjonsforsterket kobber, hvor en aluminadispersjon gir meget høy varmestyrke. Blødt stål, nikkellegeringer og lavlegerte stål er sveiset med zirkonium kobber, krom kobber og krom-zirkonium kobber elektroder. Rustfritt stål og varmebestandige legeringer krever berylliumkobber og krom-zirkoniumkobber med høy ledningsevne, som motstår de høyere elektrodetemperaturene som er involvert. Der kobberforurensning av arbeidsstykket er uakseptabelt, for eksempel i fint platina-, gull- eller filamentarbeid, brukes i stedet ildfaste metallelektroder og kobber-wolframkompositter, som aksepterer deres lavere ledningsevne i bytte mot en ikke-forurensende kontakt.

Elektrodestøtter, elektrodearmer og strømførende samleringer har en litt annen funksjon. De må kombinere høy ledningsevne med mekanisk stivhet under en bøyningsbelastning, så de er vanligvis laget av kromkobber eller krom-zirkoniumkobber i nedbørsherdet tilstand, maskinert og deretter eldet, med kjølepassasjer arrangert for å holde elektrodeholderen under mykningsområdet. Tap av hardhet i en elektrodeholder viser seg som feiljustering av elektrodene og inkonsekvente sveiseklumper lenge før delen svikter mekanisk.

Ledere, kontaktledninger og fleksible koblinger

Den samme egenskapslogikken gjelder for overhead- og kontaktledere, hvor maksimalt tillatt temperaturøkning aldri må overstige mykningstemperaturen til det valgte materialet. Sølvkobber, kobber av sjeldne jordarter, kadmiumkobber og krom-kadmiumkobber brukes til kabler, luftledere, kommunikasjonslinjer og kontaktledninger, valgt i henhold til den mekaniske plikten til hver applikasjon: god fleksibilitet og enkel sammenføyning for fleksible kabler, vibrasjons- og utmattelsesmotstand for overliggende ledere, og slitasjemotstand for en kontakt- eller buksegraf. Der det er behov for en kombinasjon av ledningsevne og svært høy strekkfasthet, brukes komposittledere som kobber-belagt stål i stedet for en solid kobberlegering.

I apparater, kommunikasjonsutstyr og elektroniske enheter krever reverseringsbrytere, fjærer og koblinger høy styrke, høy elastisk grense og motstand mot slitasje, korrosjon og tretthet. Beryllium kobber, titan kobber og tinn fosfor bronse dekker de fleste av disse posisjonene, og valget mellom dem gjøres på nødvendig ledningsevne, fjærkraft og tillatt nivå av kontaktmotstand. Samleskinner og sterkstrømforbindelser er derimot laget av kobber med høy ledningsevne i flat, trukket eller ekstrudert tilstand, testet for resistivitet og levert med en sertifisert kjemisk analyse.

FAQ

Spørsmål: Hvorfor kan ikke rent kobber brukes til motorkommutatorer?
Fordi kommutatorens kontaktflate blir varm nok til å rekrystallisere kaldbearbeidet kobber. Når det skjer, faller hardheten og slitestyrken, slites segmentkanten for tidlig og kontaktområdet endres, så en legering med høyere mykningstemperatur som sølvkobber, zirkoniumkobber eller krom-zirkoniumkobber brukes i stedet.

Spørsmål: Hvilken ledningsevne og styrke kreves for kollektorringmateriale?
Typiske akseptverdier er en ledningsevne på minst ca. 49 MS/m, tilsvarende ca. 85 % IACS, en strekkfasthet på minst ca. 294 MPa med mer enn 2 % forlengelse, og en hardhet på minst ca. 90 HV, sammen med en mykningstemperatur over komponentens arbeidstemperatur.

Spørsmål: Hvilken kobberlegering brukes til motstandssveiseelektroder?
Kromkobber og krom-zirkoniumkobber, med omtrent 80 % IACS og høy varmhardhet, dekker det meste av sveising av stål og rustfritt stål. Aluminium- og magnesiumsveising bruker sølvkobber, zirkoniumkobber eller dispersjonsforsterket kobber, mens ikke-forurensende bruk bruker ildfast metall eller kobber-wolframelektroder.

Spørsmål: Hvorfor erstattes kadmiumkobber?
Kadmium er begrenset i henhold til forskrifter for farlige stoffer i flere store markeder, så kadmium-holdig kobber har blitt vanskelig å plassere i eksportprodukter. Sølvlager og zirkoniumlager gir sammenlignbar ledningsevne med bedre regulatorisk aksept, og erstatningen bør valideres mot den nødvendige mykningstemperaturen.

Spørsmål: Hva betyr mykningstemperaturen for en kobberleder?
Det er temperaturen der en kaldbearbeidet eller nedbørsherdet kobberlegering begynner å miste sin styrke permanent gjennom rekrystallisering eller over-aldring. Den tillatte temperaturøkningen til en samleskinne, kontaktledning eller kommutator må holde seg under denne verdien, og det er grunnen til at legeringsvalget følger den målte arbeidstemperaturen i stedet for karakterprisen.

Spørsmål: Hvordan verifiseres ledningsevnen på en levert kobberlegeringskomponent?
Ved resistivitetsmåling til en anerkjent testmetode som ASTM B193, normalt kombinert med en kjemisk analyse og en hardhetstest. Elektrisk ledningsevne uttrykkes som en prosentandel av den internasjonale glødede kobberstandarden, slik at en målt verdi kan sammenlignes direkte med akseptgrensen i kjøpsspesifikasjonen.