電気モーターの導電性銅合金: 集電リング、整流子、溶接電極

電気機械で導電性銅合金が使用される場所

電気モーターと発電機は 3 つの異なる役割で銅を消費します。巻線は主電流を流し、通常は導体グレードに達する電解タフピッチ銅です。巻線-回転子機のコレクタリングと直流機の整流子は、滑り接触を通じて電流を流します。電極ホルダー、電極アーム、溶接装置の通電リングは、圧力下でワーク内に大電流を流します。-後者の 2 つのグループは、導電性銅合金が存在する理由です。高導電性と高強度、耐摩耗性、および温度での軟化に対する耐性を兼ね備えた部品は、純粋な焼きなまし銅からは作ることができないからです。

エンジニアリング上の対立は根本的なものです。銅 - の冷間加工や合金化 - の強度を高めるものはすべて導電性を低下させ、過熱した接触コンポーネントは軟化して急速に摩耗し、寸法安定性を失います。したがって、導電性銅合金の選択は、導電率、温度での強度、耐摩耗性、接触挙動のバランスであり、機械の種類ごとに異なります。

コレクタリングと整流子セグメントの要件

コレクタ リングと整流子セグメントはカーボン ブラシを介して電流を流し、機械の耐用年数全体にわたってその形状と表面仕上げを維持する必要があります。熱交換器とモーターの設計者が取り組むプロパティ セットは次のとおりです。

少なくとも約 49 MS/m の導電率。これはおよそ 85 % IACS に相当し、接触損失と発熱が低く抑えられます。

少なくとも約 294 MPa の引張強度と 2 % を超える伸びにより、プレス、圧延、または焼き嵌め中にセグメントまたはリングに亀裂が生じません。

材料は継続的なブラシの摩擦に耐えなければならないため、少なくとも約 90 HV の硬度と優れた耐摩耗性を備えています。

低く安定した接触抵抗による信頼性の高い接触動作。

通常の電気負荷下で接触面で測定される、コンポーネントの実際の動作温度を超える軟化温度。

最後のポイントは、他のどのポイントよりも材料の選択を決定することがよくあります。冷間加工された純銅は通常、80 度程度の温度までしか適用されません。これは、約 150 度を超えると冷間加工された構造が再結晶化し、コンポーネントの設計に必要な硬度と強度が徐々に失われるためです。使用温度が高い場合は、安定した第 2 相または銀を添加した合金を使用する必要があります。

合金族とその温度限界

したがって、整流子セグメントの実際の順序は簡単です。表面温度が低い軽負荷の機械には冷間加工された銅、約 250 度までの整流子には銀、レアアース、またはカドミウムを含む銅、約 350 度までの機械にはジルコニウム銅、そして 350 ～ 500 度の範囲で動作する高出力機械にはクロム-ジルコニウム銅が使用されます。コレクタ リングは、摺動接触によって材料が継続的に除去されるため、耐摩耗性をさらに重視して同じロジックに従います。

銀、ジルコニウム、クロム-ジルコニウム銅の比較

銅を含む銀-は、再結晶温度を上げることで機能します。銀を少量添加すると粗大な第 2 相が形成されないため、導電率は純銅の導電率に非常に近く維持され、一方、材料は著しく高い温度まで冷間加工強度を維持します。大型の整流子、通電リング、高温で動作する大電流バスバー接続など、最大の導電率と適度な熱安定性の両方が必要な場合には、当然の選択となります。

ジルコニウム銅とクロム-ジルコニウム銅は析出硬化によって機能します。制御された溶体化処理と時効により、微細粒子が析出し、冷間加工された銅がすでに軟化している温度で構造を固定し、強度を維持します。クロム-ジルコニウム銅は、約 80% の IACS を保持し、抵抗溶接電極や最も負荷の高い整流子に適した硬度と熱間強度を備えていますが、その導電性は抵抗発熱を許容範囲内に保つのに十分な高さを維持します。

銅を含むカドミウム-は縮小するニッチを占めています。強度と導電性の組み合わせは優れていますが、カドミウムは多くの重要な輸出市場において有害物質規則に基づいて制限されているため、多くの購入者は現在、代わりに銀またはジルコニウムのグレードを指定しています。レガシー図面でカドミウム銅が必要な場合は、グレード名だけではなく、導電率、強度、軟化温度の要件に照らして代替を確認し、代替を技術ファイルに文書化する必要があります。

溶接電極、電極アーム、集電リング

抵抗溶接電極は溶接電流を流し、溶接力を伝達するため、溶接されるワークよりも高い導電性と熱伝導性、特に高温での高い硬度、合金化反応やワークとの固着がないこと、使用中に絶縁酸化皮膜が形成されない良好な耐酸化性の4つの要件を同時に満たす必要があります。

選択は溶接される材料に従います。アルミニウム、マグネシウム合金、および銅合金は、銀銅、ジルコニウム銅、または分散強化銅で作られた電極を使用して溶接されます。アルミナ分散により非常に高い熱間強度が得られます。軟鋼、ニッケル合金、低合金鋼は、ジルコニウム銅、クロム銅、クロム-ジルコニウム銅の電極を使用して溶接されます。ステンレス鋼と耐熱合金には、より高い電極温度に耐える高導電性ベリリウム銅とクロム-ジルコニウム銅が必要です。ワークピースの銅汚染が許容できない場合、たとえば、微細なプラチナ、金、またはフィラメントの加工では、高融点金属電極および銅-タングステン複合材料が代わりに使用され、汚染のない接触と引き換えに導電性が低くなります。-

電極サポート、電極アーム、および電流を運ぶコレクタリングの役割はわずかに異なります。曲げ荷重下での高い導電性と機械的剛性を組み合わせる必要があるため、通常は析出硬化状態のクロム銅またはクロム-ジルコニウム銅から作られ、機械加工され、その後時効処理され、電極ホルダーを軟化範囲以下に保つように配置された冷却通路が付いています。電極ホルダーの硬度の低下は、部品が機械的に破損するずっと前に、電極の位置ずれや溶接ナゲットの不一致として現れます。

導体、トロリワイヤおよびフレキシブル接続

同じ特性ロジックが架空導体と接触導体にも適用され、最大許容温度上昇は選択した材料の軟化温度を決して超えてはなりません。銀銅、希土類銅、カドミウム銅、クロム-銅は、ケーブル、架空導体、通信線、トロリ線に使用され、各用途の機械的義務に応じて選択されます。フレキシブルケーブルの場合は優れた柔軟性と接合の容易さ、架空導線の耐振動性と疲労耐性、パンタグラフや集電シューの下を通るトロリ線の耐摩耗性などです。導電性と非常に高い引張強度の組み合わせが必要な場合は、固体銅合金の代わりに銅-クラッド鋼などの複合導体が使用されます。

家電製品、通信機器、電子アセンブリでは、反転スイッチ、スプリング、およびコネクタに、高強度、高い弾性限界、および摩耗、腐食、疲労に対する耐性が必要です。ベリリウム銅、チタン銅、錫リン青銅はこれらの位置のほとんどをカバーしており、必要な導電率、バネ力、および許容レベルの接触抵抗に基づいて選択されます。対照的に、バスバーと大電流接続は、平坦、引き抜き、または押し出しの状態で高導電率の銅から作られ、抵抗率がテストされ、認定された化学分析が行われて供給されます。

よくある質問

Q: モーター整流子に純銅を使用できないのはなぜですか?
整流子の接触面は冷間加工された銅を再結晶させるのに十分なほど高温になるためです。一度そうなると硬度と耐摩耗性が低下し、セグメントのエッジが早期に摩耗して接触面積が変化するため、代わりに銀銅、ジルコニウム銅、クロム-ジルコニウム銅などの軟化点が高い合金が使用されます。

Q: コレクタリングの材質にはどのような導電性と強度が必要ですか?
一般的な許容値は、約 85 % IACS に相当する少なくとも約 49 MS/m の導電率、2 % を超える伸びを伴う少なくとも約 294 MPa の引張強度、少なくとも約 90 HV の硬度、およびコンポーネントの使用温度を超える軟化温度です。

Q: 抵抗溶接電極に使用される銅合金はどれですか?
約 80% の IACS と高い熱間硬度を備えたクロム銅とクロム-ジルコニウム銅は、鋼とステンレス鋼の溶接の大部分をカバーします。アルミニウムとマグネシウムの溶接には銀銅、ジルコニウム銅、または分散強化銅が使用され、-非汚染作業には高融点金属または銅-電極が使用されます。

Q: なぜカドミウム銅が置き換えられるのですか?
カドミウムはいくつかの主要市場で有害物質規制により制限されているため、銅を含むカドミウムを輸出製品に入れることが困難になっています。{0}銀含有銅およびジルコニウム含有銅は、同等の導電性を提供し、規制により良好に受け入れられるため、必要な軟化温度に対して代替品を検証する必要があります。

Q: 銅導体の軟化温度は何を意味しますか?
これは、冷間加工または析出硬化銅合金が再結晶または過時効によって永久に強度を失い始める温度です。{0}}バスバー、トロリ線、または整流子の許容温度上昇はその値未満に抑える必要があります。そのため、合金の選択はグレードの価格ではなく測定された動作温度に従います。

Q: 納品された銅合金コンポーネントの導電性はどのように検証されますか?
ASTM B193 などの認められた試験方法による抵抗率測定により、通常は化学分析や硬度試験と組み合わせられます。電気伝導率は国際的な焼きなまし銅規格のパーセンテージとして表されるため、測定値を購入仕様書の許容限界と直接比較できます。