Uhlíkové kefy III. - Čo sa deje na klznom kontakte

Komutátor, klzný kontakt a uhlíková kefa sú pojmy, ktoré sa objavili v našich článkoch už niekoľkokrát. Dnes ich na obr. 1 vidíme znova – to preto, aby sme si vedeli lepšie predstaviť, o čom bude reč. Medzi komutátorom (1) a uhlíkovou kefou (3) je trecia (kontaktná) plocha nazývaná klzný kontakt (2).

Na tomto kontakte prebiehajú zmeny smeru prúdu cievky. Proces sa nazýva komutácia a musí byť presne vyladený - precíznosť tohto „vyladenia“ je nutnou podmienkou bezchybnej činnosti komutátorového motora.

Nie, my nemusíme nič ladiť, to už urobil výrobca motora namiesto nás. My sa budeme zaoberať tým, čo sa deje na klznom kontakte uhlíkovej kefy.

Obr. 1. Komutátor (1), klzný kontakt (2) a uhlíková kefa (3)

Ale nepredbiehajme. Najprv si rozoberme prípad, s ktorým sa môžeme denne stretnúť a rýchlo sa zorientujme v prúdových pomeroch konkrétneho náradia – napríklad uhlovej brúsky 230 mm napájanej zo siete s menovitým príkonom 2000 W. Z týchto údajov ľahko vypočítame maximálny prúd, ktorý je schopná brúska spracovať: I = P/U = 2000 W / 230 V = 8,7 A

Obr. 2. Uhlíková kefa UB 23001

Typickým predstaviteľom tejto kategórie elektrického ručného náradia je brúska HERMAN WX-23001, pričom originálna uhlografitová kefa určená pre tento konkrétny stroj má odporúčanú hustotu prúdu ¹) 18 A/cm².

Kefa má šírku t = 6,9 mm, hĺbku a = 16,8 mm a výšku r = 19,7 mm (obr.2). Kontaktná plocha je 1,16 cm² (t x a = 6,9 mm x 16,8 mm = 1,16 cm²).

Znamená to, že doporučené zaťaženie kefy je 20,88 A (18 A/cm² x 1,16 cm² = 20,88 A).

Odporúčaná hustota prúdu je jedným z najdôležitejších kľúčových parametrov. Kefy v tomto konkrétnom prípade znesú viac ako dvojnásobné zaťaženie (alebo preťaženie, ak chcete): 20,88 A oproti 8,7 A. Je to vždy dobrý pocit – jazdiť rýchlosťou 100 km/h na pneumatikách konštruovaných pre viac ako 200 km/h. Až sa to zdá zbytočne „prepísknuté“.

Prezradím Vám hneď teraz, že predimenzovanie tohto parametra má svoj význam. V článku Uhlíkové kefy II. sme vysvetlili, že uhlíkovej kefe škodí nielen preťaženie, ale aj „podťaženie“. Kefami v elektrickom ručnom náradí preteká iná veľkosť prúdu pri štarte, iná pri voľnobežných otáčkach, iná pri zaťažení – a ešte aj zaťaženie môže byť rôzne. Optimálny stav je skôr výnimkou ako pravidlom. Okrem týchto nepriaznivých okolností tu je však ešte jedna, oveľa vážnejšia. O chvíľu sa k nej dostaneme.

Rádius uhlíkovej kefy

Všetky rady o tom, že je potrebné rádius uhlíkovej kefy čo najpresnejšie prispôsobiť rádiusu komutátora sú užitočné a pravdivé (obr. 3). Styčné plochy musia byť „kompatibilné“, t.j. styčná plocha uhlíkovej kefy sa musí dotýkať komutátora po celej svojej ploche.

Neprispôsobený tvar kontaktnej plochy uhlíkovej kefy - napríklad rovná plocha bez rádiusu – by znamenala, že sa dotýka komutátora v prvých chvíľach iba úsečkou, ktorej dĺžka je daná hĺbkou uhlíkovej kefy a. Mnohí užívatelia nad takouto kefou mávnu rukou – veď ona si na svoje miesto „sadne sama“. Možno predtým, ako si sadne kefa, kľakne rotor – najmä keď po výmene kief brúsku okamžite zaťažíme.

Že prečo? Jednoducho preto, že tých 20 A nebude tiecť plochou 1,16 cm², ale úsečkou. A akú plochu má úsečka – pamätáte si? Matematicky žiadnu. Je to iba množina bodov, podstatne menšia ako požadovaná plocha.

Za predpokladu, že máme správnu kefu so správnym rádiusom a všetko sa nám zdá byť jasné, možno máme pocit, že chápeme, čo sa deje na klznom kontakte.

Obr. 3. Správny (A) a nesprávny (B) rádius uhlíkovej kefy

Musím Vás sklamať – nie je to tak. Ešte nie sme v cieli.

Obr. 4. Klzný kontakt: film (1), kontaktné body (2), tlak (3), uhlíková kefa (4), bezkontaktná plocha (5), komutátor (6)

Styčná plocha medzi kefou a komutátorom totiž nikdy nie je dokonale hladká – a to sa týka oboch kontaktných komponentov, nech sú akokoľvek perfektne opracované. Pravda, povrch komutátora môže byť oveľa lepšie opracovaný ako zrnitá keramická hmota uhlíkovej kefy, ale dokonale hladká plocha to určite nie je.

Ak teda plochy nie sú dokonale hladké, je logické, že kefa aj komutátor sa navzájom dotýkajú v niekoľkých bodoch a tieto body nesú celé prúdové zaťaženie.

Na klznom kontakte znázornenom na obr. 4 sa nachádzajú kontaktné body a aj bezkontaktné plochy.

Kontaktné body, prostredníctvom ktorých sa oba komponenty dotýkajú, nemajú ani pri správne pracujúcej uhlíkovej kefe pevnú polohu – vznikajú a zanikajú v čase.

A tak to aj má byť – hneď z niekoľkých dôvodov:

• mikroskopicky zrnitý materiál kontaktnej plochy kefy sa oxidáciou, zmenou teploty a aj mechanicky opotrebováva. To má vplyv na odpor „aktívnych“ vlákien vo vnútri telesa kefy a prúd si prirodzene hľadá „cestu najmenšieho odporu“. Tým mení svoje cesty od prívodného lanka ku kontaktnej ploche
• kontaktné body sa vysokou koncentráciou pretekajúceho prúdu zohrievajú oveľa viac ako tie nekontaktné vedľa nich a tým likvidujú sami seba – dávajú tak možnosť vzniku nových kontaktných bodov na inom mieste. Je to presne ako v našom živote: starý a opotrebený odchádza, aby prišiel mladý a čerstvý...
• otáčajúci sa komutátor privádza pod kefu stále inú povrchovú štruktúru, keďže aj jeho povrch je nerovný a taktiež sa mení v čase

Prúd vychádzajúci z miesta upevnenia prívodného lanka prechádza viac či menej spletitými cestami naprieč kefou až do jej dotykovej plochy s komutátorom. Môžeme si to predstaviť aj ako oblohu posiatu bleskami za tmavej letnej noci.

Blesky vznikajú a zanikajú na miestach, kde ich vopred nečakáme a hľadajú v atmosfére „cestu najmenšieho odporu“ – asi tak, ako sme sa to snažili nakresliť na obr. 5. Blesky sú rôznej intenzity, šíria sa z jedného miesta (z prívodného lanka) a končia na rôznych miestach kontaktnej plochy uhlíkovej kefy.

V každom okamihu je teda počet kontaktných bodov a aj ich kvalita na kefách iná.

Obr. 5. „Blesky“ prúdu v uhlíkovej kefe

Kefy preťažené nadmerným prúdom pália prívodné medené lanko, pri nedostatočnom prúde hrkocú, lámu sa a ryhujú komutátor. K takýmto stavom dochádza aj pri správne fungujúcom klznom kontakte a to najmä vo fáze, keď je motor studený – čo je pri práci s elektrickým ručným náradím bežným javom. Je preukázané, že prúdová nerovnomernosť takýchto hraničných prípadov často presahuje pomer 1 : 3!

Záver

Som presvedčený, že teraz už inak vnímame viac ako dvojnásobnú rezervu, o ktorej sme hovorili na začiatku tohto článku. Takáto rezerva by mala byť vytvorená nielen pri uhlových brúskach, ale pri každom elektrickom náradí s komutátorovým motorom. Nerovnomernosť rozdelenia prúdu sa totiž môže ešte znásobiť, a to nielen nesprávnym alebo nerovnomerným nastavením prítlačných pružín, ale aj prácou v nepriaznivom prostredí, bez každodennej údržby a aj mnohými ďalšími nepriaznivými okolnosťami pri ich používaní, o ktorých všetci vieme, ale napriek tomu ich podceňujeme.

O dôležitých zásadách, ktoré je nutné pri výmene uhlíkových kief dodržať, si povieme v niektorom z ďalších článkov. Vysvetlenie dejov na klznom kontakte by nás však malo presvedčiť o prvej a najpodstatnejšej zásade – používajme vždy originálne uhlíkové kefy s predpripraveným rádiusom! Aby sme však mohli definitívne uzavrieť problematiku klzného kontaktu, čaká nás ešte jedna téma – tou je film ²) ako nutná a neoddeliteľná súčasť klzného kontaktu. A prezradím Vám – je to akčný a dynamický film!

Poznámky:
¹) hustota prúdu uhlíkovej kefy nie je bežne dostupný parameter a výrobcovia si tieto údaje viac alebo menej chránia.
²) film sa vo väčšine jazykov (mimo SK a CZ) volá patina. Termín „film“ bol používaný v norme ČSN 35 0820.

Kľúčové slová: uhlíky, klzný kontakt, komutátorové motory, univerzálne motory, opravy elektrických náradí

Zdroje:
Interné technické a školiace materiály spoločnosti HERMAN
Ing. Luboš Kotnauer: Uhlíkové kartáče – černá magie kouzel zbavená (Časopis Elektrotechnik 1982)
Mersen carbon brush technical guide: http://www.tekhar.com/Programma/Mersen/5-carbon-brush-technical-guide-mersen.pdf

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 😊.