Жидкометаллический скользящий контактный узел асинхронного электродвигателя с фазным ротором и проблемы его эксплуатации
Authors: Егоров А.В. , Смикулис Ю.Е. , Степанова К.С. 
Published: February 2025

Введение. Повышение надежности электрических двигателей, имеющих твердые скользящие контакты для запитывания обмоток ротора, связано с заменой сухого трения в контактах на полужидкостное или жидкостное трение. Цель работы – описание конструкции разработанного и изготовленного жидкометаллического скользящего контактного узла асинхронного электродвигателя с фазным ротором и выявление первичных проблем его эксплуатации. Материалы и методы исследования. В качестве базового выбран асинхронный электродвигатель с фазным ротором группы компаний «Элком» серии 5 МТН112-6у1 мощностью 5 кВт, щеточный узел которого был заменен жидкометаллическим скользящим галлиевым узлом, что позволило реализовать режим жидкостного трения в электрическом контакте взамен сухого трения в щеточном узле базового двигателя. В качестве жидкого контактного материала также были использованы интерметаллиды на основе галлия, имеющие более низкую по сравнению с галлием температуру плавления, в частности сплавы95% Ga + 5% Zn; 92% Ga + 8% Sn; 82% Ga + 12% Sn + 6% Zn; 76% Ga + 24% In; 67% Ga + 29% In + 4% Zn; 67% Ga + 20,5% In + 12,5% Sn; 61% Ga + 25% In + 13% Sn + 1% Zn.Жидкометаллический скользящий контактный узел, выполненный в габарит электродвигателя МТН112-6у1, имеет размеры 205×170×165, конструктивно состоит из наружного фторопластового корпуса, имеющего внутренние цилиндрические пазы, в которые установлены электрические контакты в форме полых тонкостенных медных цилиндров, к которым подведено питающее напряжение (питание фазного ротора), а также скрепляемого с валом электродвигателя внутреннего фторопластового вала с насаженными на него медными контактными кольцами, каждое из которых через полость фторопластового вала имеет соединение с соответствующей обмоткой ротора. Пространство с внутренней стороны каждого тонкостенного медного цилиндра частично заполнено галлием (или его интерметаллидами) для обеспечения электрического контакта с каждым контактным кольцом. Перед заливкой жидкого металла внутренняя полость жидкометаллического скользящего контактного узла прогревалась до температуры около 60 °С. Результаты исследования. Зафиксирована устойчивая работа электродвигателя на галлии и интерметаллидах. После выключения электродвигателя и разбора жидкометаллического скользящего контактного узла наблюдалось значительное разбрызгивание галлия и интерметаллидов по внутренним полостям и отсутствие их стекания в нижнее исходное положение. Выводы.Для обеспечения длительной надежной работы необходима оптимизация конструкции жидкометаллического скользящего контактного узла и снижение смачиваемости внутренней поверхности контактного узла.

Introduction. Increasing the reliability of electric motors that have solid sliding contacts for powering the rotor windings is associated with the replacement of dry friction in the contacts with semi-fluid or liquid friction. The aim of research is to describe the design of the developed and manufactured liquid metal sliding contact assembly of an asynchronous electric motor with a wound rotor and to identify the primary problems of its operation. Materials and methods. An asynchronous electric motor with a wound rotor of the Elkom group of companies, series 5 MTN112-6у1 with a power of 5 kW, was chosen as the base electric motor, the brush assembly of which was replaced with a liquid metal sliding gallium assembly, which made it possible to implement a liquid friction mode in the electrical contact instead of dry friction in the brush assembly of the base engine. Gallium-based intermetallic compounds, which have a lower melting point compared to gallium, were also used as liquid contact materials, in particular, the alloys 95% Ga + 5% Zn; 92% Ga + 8% Sn; 82% Ga + 12% Sn + 6% Zn; 76% Ga + 24% In; 67% Ga + 29% In + 4% Zn; 67% Ga + 20.5% In + 12.5% Sn; 61% Ga + 25% In + 13% Sn + 1% Zn. The liquid-metal sliding contact assembly was made to fit the MTN112-6u1 electric motor and has dimensions 205x170x165, structurally consists of an outer fluoroplastic housing having internal cylindrical grooves into which electrical contacts are installed in the form of hollow thin-walled copper cylinders, to which the supply voltage is supplied (power supply to the phase rotor), as well as an internal fluoroplastic shaft fastened to the electric motor shaft, with copper slip rings mounted on it, each of which, through the cavity of the fluoroplastic shaft, has a connection to the corresponding rotor winding. The space on the inside of each thin-walled copper cylinder is partially filled with gallium (or its intermetallic compounds) to provide electrical contact with each slip ring. Before pouring liquid metal, the internal cavity of the liquid metal sliding contact assembly was heated to a temperature of about 60 °C. Research outcomes. Stable operation of the electric motor using gallium and intermetallic compounds was recorded. After turning off the electric motor and disassembling the liquid metal sliding contact assembly, significant splashing of gallium and intermetallic compounds was observed in the internal cavities and the absence of their flowing down to the lower initial position. Conclusions. In order to ensure long-term reliable operation, it is necessary to optimize the design of the liquid metal sliding contact assembly and reduce the wettability of the inner surface of the contact assembly.