Slovensko
Poruchy komutátorových motorov elektrických náradí
Ložiská, stator, rotor a uhlíkové kefy. Štyri kľúčové súčiastky a k tomu niekoľko skutočných fotiek - aby bolo jasné, čo všetko musí náradie strpieť.
Dáta o poruchách jednotlivých typov elektrických náradí s komutátorovým motorom sa značne líšia. Iné sú pri uhlových brúskach, iné pri kladivách a iné pri skrutkovačoch, ale keď všetky tieto poruchy „nahádžeme“ do jedného vreca, môžeme konštatovať, že polovica pripadá na motor a druhá polovica sú „iné“ poruchy (obr. 1). Medzi takéto patria „nemotorové“ mechanické poruchy (prevodovka, skľučovadlo, kryt náradia a pod.). Najviac porúch pri opravách, kde sa menil náhradný diel, pripadá na rotor a uhlíkové kefy.
Takmer v každom elektrickom náradí napájanom striedavým zdrojom energie nájdeme dnes komutátorové motory a teda aj uhlíkové kefy. Tieto motory sú osvedčené, rokmi vyladené a budú si ešte dlho držať svoju pozíciu. V týchto druhoch náradí sa s uhlíkovými kefami stretnú pravdepodobne ešte aj naši vnuci.
Obr. 1. Štatistika: Percentá počtu menených náhradných dielov náradí s komutátorovým motorom
Výnimkou budú tie náradia, kde sú vysoké nároky na malé rozmery, veľký výkon, schopnosť pracovať v prašnom prostredí a schopnosť odolávať značnému preťaženiu. Typickým príkladom sú (najmä) sieťové uhlové brúsky v strojárskych prevádzkach. Tu si nájdu uplatnenie bezuhlíkové (bezkefové) motory PMSM, avšak tak prudký vzostup týchto motorov, ako to bolo s motormi BLDC v náradiach napájaných z akumulátora, sa neočakáva. V niektorom z ďalších článkov si povieme prečo.
Ložiská
Na poruchách motora sa ložiská podieľajú minimálnou mierou. Podľa našich záznamov pripadá 1,3 ložiska na jedno zo 100 opravovaných náradí. V náradiach sú ložiská samomazné, nepotrebujú údržbu a keď sú kvalitné, majú veľmi dlhú životnosť. Doporučuje sa ich výmena vždy pri výmene rotora.
Neklamným znakom, že s ložiskami niečo nie je v poriadku, je odlišný zvuk motora, do ktorého sa môže prenášať „zvuk trenia“ telesa rotora po jeho obvode s plechmi statora. Aj keď sú poruchy spôsobené ložiskami rotora zriedkavé, občas môžu poškodiť teleso rotora alebo statora.
Obr. 2. Vľavo rotor pre striedavé a vpravo pre jednosmerné napájanie - oba s ložiskami (1)
Obr. 3. Rotor poškodený vôľou v ložiskách (1)
Stator
Jedným z podstatných rozdielov medzi komutátorovými motormi pre striedavé a jednosmerné napájanie je v statore.
Stator pre striedavé napájanie je zostrojený z navzájom odizolovaných statorových plechov a vinutia, stator jednosmerného motora je permanentný magnet (obr. 4). Z pohľadu porúch motora je konštatovanie jednoduché – na statore jednosmerného motora sa nemá čo „pokaziť“, avšak ani stator striedavého motora nemá výrazný podiel na poruchách motora. Percento síce je o nejakú desatinu vyššie ako u ložísk, nepresahuje však 2%. Aby som bol presnejší, nejedná sa o chyby výroby, vymenené statory mali zhorené vinutie následkom preťaženia (obr. 5).
Obr. 4. Statory rozdielnej konštrukcie
Obr. 5. Zhorené vinutie statora
Týmto poruchám sa vieme vyhnúť prácou pri menovitých otáčkach tak, aby sme náradie nepreťažovali alebo preťažovali iba krátko. Výrazne pomôže občasné vyfúkanie od usadených nečistôt pre lepšie prúdenie chladiaceho vzduchu.
Rotor s komutátorom
V tejto kapitole bude reč o ryhách a drážkach (obr. 6). Ryhami nazývame poškodenie povrchu lamiel komutátora v smere jeho otáčania. Izolačné drážky sú priečne drážky medzi dvoma lamelami komutátora.
Keď zanedbáme poruchy ložísk a statora, smelo môžeme tvrdiť, že dve súčiastky – rotor a uhlíkové kefy – tvoria polovicu počtu „súčiastok“, ktoré sa pri opravách náradí vymieňajú (obr. 1). Keďže uhlíkové kefy považujeme u náradí za bežný spotrebný materiál (tak ako pneumatiky u motorového vozidla), sú práve rotory nielen najčastejšou, ale najmä najnákladnejšou súčasťou opráv.
Zaslúžia si preto náležitú pozornosť.
Napríklad farba povrchu komutátora je takmer vždy ovplyvňovaná aktuálnym zaťažením, teplotou, vlhkosťou, tlakom pružiny na uhlíkovú kefu a znečistením, preto sa môže časom meniť. Znamená to, že jej výpovedná hodnota pomerne úzko súvisí s činnosťou motora v niekoľkých posledných hodinách. Veľa nám prezrádzajú aj ďalšie signály, ako je lesk, ryhy a opálené lamely komutátora.
Obr. 6. Ryhy (1) po obvode komutátora a izolačné drážky (2) medzi lamelami
Obr. 7. Ideálny stav komutátora
Motor sa k nám takto prihovára, preto skúsme porozumieť jeho reči. Pozrime sa najprv podrobnejšie, čo nám hovorí farba komutátora.
Dobre zabehnutý komutátor nemá po obvode absolútne žiadne ryhy. Je mierne lesklý, tmavočervenej až medenohnedej farby – pripomína staromeď alebo patinu. Izolačné drážky medzi lamelami sú čisté, bez stôp uhlíkového prachu. Skrátka, komutátor (obr. 7) je v super kondícii.
Komutátor (obr. 8 vľavo) má príliš svetlú farbu – ťahá do „zlatista“. Ak však nemá žiadne ryhy po obvode, svetlý film sa považuje za prijateľný, najmä keď je rovnomerný. Možnými príčinami je práca v suchom prostredí alebo (aj) pri nízkych teplotách. Niekedy je príčinou nízka rýchlosť otáčania, čo je pri náradí veľmi zriedkavý jav – rotor sa totiž otáča (väčšinou) konštantnou rýchlosťou a potrebné výstupné otáčky sa dosahujú prevodmi. A málokto pracuje napríklad so skrutkovačom s dlhodobo zníženými otáčkami prostredníctvom plynulej regulácie otáčok.
Obr. 8. Príliš svetlý a tmavý komutátor
Možnými príčinami príliš tmavej farby komutátora je práca motora vo vlhkom prostredí, naviac je pravdepodobné, že je často preťažovaný (obr. 8 vpravo). Farba je príliš hnedá, čo naznačuje zrejme aj prácu v znečistenom prostredí, následkom čoho je zvýšené trenie. No a následkom zvýšeného trenia je vyššia teplota. Trenie a práca so zvýšenou teplotou s určitosťou vplývajú na predčasné opotrebenie komutátora.
Toľko k farbe. Teraz sa pozrime na mechanické nepravidelnosti na povrchu komutátora.
Obr. 9. Ryhy na povrchu komutátora
Jemné ryhy na povrchu komutátora (obr. 9) sú obvykle spôsobené nízkym alebo nerovnomerným tlakom pružín na uhlíkové kefy, znečisteným chladiacim vzduchom (prácou vo vysoko prašnom prostredí) a prácou vo vlhkom prostredí. S vlhkosťou vzduchu asi ťažko niečo urobíme, ale môžeme skontrolovať tlak pružín uhlíkových kief a častejšie čistiť motorovú časť náradia.
Častým javom na komutátore je vypaľovanie okrajov lamiel (obr. 10). Najpravdepodobnejšou príčinou je nesprávny rádius uhlíkových kief, prípadne žiadny rádius alebo (aj) nesprávna uhlíková kefa. Následkom týchto príčin je časté iskrenie. Iskry sú zjavne viditeľné, žltej až sýto žltej farby a je ich veľa. V takomto prípade je potrebné čo najskôr dať do poriadku komutátor rotora – aspoň prečistiť izolačné drážky lamiel a skontrolovať, či máme vhodné uhlíkové kefy a či je presne zabrúsený ich rádius.
Obr. 10. Vypaľovanie okrajov lamiel
Obr. 11. Hlboká brázda komutátora
Brázda v lamelách po obvode komutátora je spôsobená nevhodnými, veľmi tvrdými uhlíkovými kefami alebo (aj) prílišným prítlakom pružiny uhlíkovej kefy (obr. 11). Táto porucha je veľmi častá - často sa totiž používajú neoriginálne uhlíkové kefy a keď k tomu pridáme ešte prácu v znečistenom prostredí, keď čiastočky prachu v nasávanom vzduchu doslova „pomáhajú“ s brúsením, koniec rotora sa nezadržateľne blíži. Takémuto rotoru už nepomôže ani presústruženie lamiel – boli by príliš nízke a nedostatočná by bola aj izolačná vrstva medzi nimi.
Ako posledný (obr. 12) je pohľad na komutátor, ktorý skončil svoju životnú púť. Prílišné opotrebenie lamiel a tým aj izolačných drážok spôsobili natiahnutie oblúka a zhorelo všetko, čo bolo v ceste. Tento rotor urobil kus dobrej práce, je však už neopraviteľný a musí sa vymeniť.
V prípade, že sa včas zachytia poruchy komutátora, dajú sa opraviť sústružením. Rozhodnutie o takejto oprave je čisto z ekonomického uhla pohľadu. Malé komutátorové motory nie sú až tak drahé, aby sa takáto oprava oplatila.
Obr. 12. Totálne zničený komutátor
Tak či onak, oprava komutátora je už len náprava poškodenia, nie odstránenie jej príčiny. Dôležité je preto najprv nájsť tú pravú príčinu – a tou sú buď nevhodné uhlíkové kefy a (alebo) ich príliš veľký prítlak, prípadne (veľmi zriedkavo) zlomenie uhlíkovej kefy. Je v zásade jedno, či sa rozhodneme pre výmenu alebo opravu komutátora – príčinu musíme identifikovať.
A ešte krátko k hĺbke sústruženia. Na túto tému neexistuje jednoznačná odpoveď a záleží na konkrétnej situácii. V podstate však ide o to, že na komutátore musí zostať dostatok materiálu – meď na lamelách a izolačný materiál medzi lamelami. To je dôležité aj preto, aby pri odstredivej sile, ktorá vznikne pri vysokých otáčkach rotora nedošlo k uvoľneniu lamiel. Motory elektrických náradí sú vysokootáčkové, odstredivá sila je teda značná.
Uhlíkové kefy
Uhlíkové kefy ako spotrebný materiál sú v praxi veľmi podceňované – veď ich výmena nie je žiadny problém. Tak to potom aj vyzerá. Niektorý z ďalších článkov budeme preto venovať tejto téme.
Kľúčové slová: komutátorový motor, uhlíky, rotor, stator, poruchy motora
Zdroje:
Interné technické a školiace materiály spoločnosti HERMAN
Ing. Herman Nagypál
Vyštudoval som vojenskú školu, odbor letecká elektrotechnika. S náradím a nástrojmi som sa naučil pracovať už v detstve s otcom na stavbe rodinného domu. Každý náš nový produkt testujem aj osobne - vlastnými rukami vo svojej dobre vybavenej dielni. Vo voľnom čase sa rád preháňam na motorke po rumunských horských priesmykoch. Okrem toho študujem trendy v odbore a rád si vyskúšam aj konkurenčné produkty. Nad niektorými sa pousmejem, nad niektorými sa čudujem (že sa niekto dal nachytať a kúpil to) a niektoré sú fakt dobré. Skoro ako naše 😊.
Ďakujeme za Vašu recenziu
Nedpovedali ste správne na otázky z článku
Jáger Viktor –
Kedves Herman úr! Szépen ír a kommutátorokról, érdekes és sok infó van benne, de had hívjam két lényeges dologra fel a figyelmét, mert talán a forgórész meghibásodások két leggyakoribb okozója. Menetzárlat esetén a kommutátor szegmensek színe a kerület mentén nem lesz egyenletes, hol világosabb, hol sötétebb a lamellák színe, attól függően, hogy a zárlatos tekercselem hol helyezkedik el, és hogy van elkötve a kommutátoron. Ezért nem tanácsos a gép szikrázása, vagy csak egy sima karbantartása esetén a kommutátor felületének tisztítása. Arra egész egyszerűen nincs szükség a gép élettartamán belül, feltéve ha a felület egyenletes, és kifogástalan a lamellák mika felé eső éle, kialakítása. A másik fontos jelenség, amiről csak érintőlegesen tesz említést, az, ha a mika egy ponton mélyre ég, vagy a mika szélessége a kerület mentén láthatóan egy ponton egyenletlen, szélesebb mint máshol. Ez akkor alakul ki, ha a forgórészen szakadás van, vagy a kommutátor és a forgórész tekercselés érintkezése megsérül, pl. kilazul a préselés a zászlós kialakítású csatlakozásnál. Ezen akár egy jól irányzott és méretezett ütés is segíthet. A tekercs szakadása pedig mindig mechanikai sérülés miatt van, esetleg szerelési hiba. Ezt is elsősorban a mélyre égett mika jelzi, és esetlegesen az, ha a gép egy ponton nem indul meg, csak ha kicsit meglökik, megpörgetik. Csökkentett feszültség esetén pedig ahol a gép megállítható, ott nem ad morgó búgó hangot, csak áll, hisz nincs zárt áramkör a motoron belül a szakadás miatt. Hozzá kell tenni, hogy ez kettős szakadásra igaz csak, egyszeres szakadásnál nem, ott mindig megindul a gép. Remélem segíthettem. Köszönöm, hogy végig olvasott, keressen rám bátran, Jáger Viktor
Vážený pán Herman! O komutátoroch píše pekne, je to zaujímavé a má veľa informácií, ale dovoľte mi upozorniť na dve dôležité veci, pretože sú to azda dve najčastejšie príčiny porúch rotora. V prípade skratu závitu nebude farba segmentov komutátora po obvode jednotná, farba lamiel bude svetlejšia alebo tmavšia v závislosti od toho, kde sa nachádza skratovaný prvok vinutia a ako je pripojený ku komutátoru. . Preto v prípade jednoduchej údržby nie je vhodné stroj iskriť alebo čistiť povrch komutátora. Počas životnosti stroja to jednoducho nie je potrebné, za predpokladu, že povrch je rovný a dizajn hrany lamiel smerom k sľude je bezchybný. Ďalším dôležitým javom, ktorý spomína len tangenciálne, je, ak sa sľuda v jednom bode rozhorí hlboko, alebo je šírka sľudy po obvode v jednom bode viditeľne nerovnomerná, širšia ako inde. K tomu dochádza pri zlome rotora alebo pri poškodení kontaktu medzi komutátorom a vinutím rotora, napr. výlisok sa uvoľní v spojení s dizajnom vlajky. K tomu môže pomôcť aj dobre mierený a odmeraný úder. A zlomenie cievky je vždy spôsobené mechanickým poškodením, prípadne chybou inštalácie. Tomu nasvedčuje aj to, že sľuda je hlboko spálená a prípadne ak sa stroj v jednom bode nerozbehne, iba ak sa naň trochu zatlačí, roztočí sa. A v prípade zníženého napätia, kde sa dá stroj zastaviť, nevydá hučiaci zvuk, len sa zastaví, pretože vo vnútri motora nie je uzavretý obvod kvôli prerušeniu. Treba dodať, že to platí len pre dvojité prietrže, nie však pre jednotlivé prietrže, kde sa stroj vždy spustí. Dúfam, že som mohol pomôcť. Ďakujem, že ste dočítali až do konca, kľudne ma kontaktujte, Viktor Jáger
Preložiť text Zobraziť originálOdpoveď:
Tisztelt Jáger úr ! Az építő jellegű hozzászólásából látom, hogy jól ismeri a témát és annak problematikáját. Annál jobban örülünk az Ön pozitív értékelésének, és ez motivál a további munkánkhoz. Az észrevételeit az Ön engedélyével beépítjük a következő hasonló témájú cikkünkbe. Tisztelettel Nagypál Herman
Jakub Borsík –
Hlboká brázda komutátora je úplne bežná pri lacných značkách
Ordasi Zoltàn –
Nagyon tanulsàgos.
Veľmi poučné.
Preložiť text Zobraziť originálMichal Petrik –
Veľmi užitočný článok, ktorý mi prehĺbil moje vedomosti a verím, že aj predĺži životnosť môjho náradia. Ďakujem