Uhlíkové kefy IV. - „Akčný film“ na povrchu komutátora

V článku o klznom kontakte sme pre lepšiu predstavu o prúdoch v uhlíkovej kefe hovorili ako o „oblohe posiatej bleskami za tmavej letnej noci“ a vysvetlili sme si, že „blesky“ prúdu rôznej intenzity sa nepredvídateľne šíria z jedného miesta (prívodného lanka) a končia na rôznych miestach kontaktnej plochy uhlíkovej kefy.

Obr. 1. Hexagonálna štruktúra grafitu

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

Tieto tvrdenia sú podporené aj súčasnými znalosťami o uhlíkovej kefe. Ide v podstate o keramický výrobok obsahujúci grafitové zrná, ktoré majú hexagonálnu štruktúru (obr. 1).

V grafite sú atómy uhlíka usporiadané do rovinných hexagonálnych sietí so slabou vzájomnou väzbou. Tým je vysvetlené „odlupovanie“ grafitu v tenkých vrstvách, vďaka čomu však môžeme obyčajnou ceruzkou písať.

Podstatné pre nás je, že priestorové usporiadanie častíc, z ktorých je vyrobená uhlíková kefa, je značne chaotické.

Tým je daná rôzna vodivosť v rôznych bodoch a prúd pretekajúci kefou nemôže byť ani pri najlepšej vôli rovnomerne distribuovaný v celom jej priereze.

Pre lepšiu predstavu sme pripravili animáciu, kde je vidieť vznikajúce a zanikajúce kontaktné body na styčnej ploche uhlíkovej kefy a komutátora.

Animácia: Vznikajúce a zanikajúce kontaktné body na styčnej ploche uhlíkovej kefy a komutátora

Keďže problematika prúdových pomerov na uhlíkovej kefe je nám už známa, priblížme si situáciu z iného pohľadu – z pohľadu obvodovej rýchlosti komutátora, po ktorom kefa kĺže.

Obr. 2. Rotor s komutátorom WX-23001: lamely (1), komutátor (2), uhlíková kefa (3)

Vyberieme si nám už známu kefu pre uhlovú brúsku WX-23001. Rotor s komutátorom a uhlíkovými kefami tejto brúsky je na obr. 2.

Na prvý pohľad je zrejmé, že sa jedná o pomerne veľký rotor – niet sa čomu diviť, veď brúska má príkon 2000 W, čo je takmer tri konské sily. Uhlové brúsky pre kotúče 230mm patria medzi „najsilnejšie“ elektrické ručné náradia.

Meraním sa dá zistiť, že rotor sa otáča rýchlosťou 28.000 ot./min., priemer komutátora je 36,85 mm a má 32 lamiel.

Poznámka:
K priemeru komutátora je nutné dodať, že sa jedná o priemer nového komutátora. Opotrebovaním sa môže zmenšiť o niekoľko desatín milimetra a tejto nepatrnej zmene sa postupne ľahko prispôsobí aj zakrivenie dotykovej plochy uhlíkových kief.

Z vyššie uvedených niekoľkých údajov vieme napríklad vypočítať, že rotor (a teda aj komutátor) sa za jednu sekundu otočí 466 krát, obvodová rýchlosť komutátora je 54 m/s (takmer 195 km/h), pričom keď sa pri jednej otáčke stretne uhlíková kefa s 32 lamelami, za sekundu ich stretne až 14.912 krát (466 x 32).

Aj tieto čísla by v nás mali vyvolať ešte väčší rešpekt a úctu k týmto dôležitým komponentom komutátorových motorov...

V technických parametroch originálnych kief určených pre túto brúsku je pre obvodovú rýchlosť ¹) stanovený údaj: max. 55 m/s. Z vypočítaných hodnôt vidíme, že obvodová rýchlosť 54 m/s je tesne pod maximálnou konštrukčnou hranicou uhlíkovej kefy a nie je tu prakticky žiadna rezerva, pričom pri prúdovej hustote bola viac ako dvojnásobná.

Prečo niekde je a niekde nie je rezerva?

Vysvetlenie je jednoduché. Medzi bežne dostupnými parametrami uhlových brúsok nájdeme „voľnobežné otáčky“. Pri tomto parametri máme na mysli výstupné otáčky pracovného hriadeľa. Sú to otáčky bez zaťaženia, v našom prípade je udávaných 6.500 ot./min. Je logické, že zaťažením uhlovej brúsky – napríklad pri rezaní alebo brúsení – voľnobežné otáčky klesnú alebo v lepšom prípade si ich uhlová brúska udrží. Nikdy však nestúpnu.

Rotor sa otáča 28.000 ot./min., hriadeľ uhlovej brúsky 6.500 ot./min. Medzi nimi je prevodovka s prevodovým pomerom 4,3 : 1 (t.j. prevod „do pomala“). Keď zaťažením klesnú výstupné otáčky hriadeľa napríklad na 6.450 ot./min., otáčky rotora taktiež klesnú, a to z 28.000 na 27.735 (6.450 x 4,3).

Klesnú – nebudú nikdy vyššie. Preto vytváranie rezervy tam, kde nie je potrebná, je zbytočné.

Veľké prúdy tečúce uhlíkovou kefou, vznik a zánik kontaktných bodov v rýchlom slede za sebou, stretnutie kief s lamelami niekoľko tisíckrát za sekundu, vysoké obvodové rýchlosti a trenie dvoch odlišných materiálov, do toho vlhkosť, teplota a ďalšie vplyvy – to všetko vplýva na kontaktnú plochu medzi komutátorom a uhlíkovými kefami a logicky sa tam musí „niečo“ diať...

To „niečo“ je veľmi dôležité: vytvára sa film - veľmi dynamický a „akčný“ film!

Čo je film (patina) komutátora?

Kefa sa kĺže po komutátore a vzhľadom na to, že ani jeden z povrchov nie je dokonale hladký, zanecháva za sebou stopy. Tieto stopy viditeľne zafarbujú povrch komutátora - v skutočnosti však ide o veľmi tenký, avšak veľmi dôležitý povlak – nazývame ho film¹). Často sa v odbornej literatúre stretneme s názvom patina, ktorá je definovaná ako jemná vrstva na povrchu kovov vzniknutá oxidáciou – čo je taktiež v poriadku. A udomácnil sa aj pojem „patinová farba“ – považuje sa za ňu farba nazývaná „staromeď“ – vznikne postupnou oxidáciou medených povrchov.

Kvalitný film je veľmi tenký povlak charakteristickej patinovej farby bez farebných škvŕn po celom povrchu komutátora. Je nevyhnutný pre efektívnu a spoľahlivú prácu uhlíkovej kefy.

Obr. 3. Príliš svetlá (A), príliš tmavá (B) a ideálna (patinová) farba (C) komutátora

Napríklad podľa farby komutátora (obr. 3) môžeme konštatovať: všetky tri majú rovnomerné sfarbenie, čo je veľmi dobré znamenie. Drobné, síce viditeľné, ale prstami nepostrehnuteľné škrabance nie sú nebezpečné – veď už vieme, z čoho môžu vzniknúť. Príliš svetlá farba (A) však svedčí pravdepodobne o práci v príliš suchom prostredí, príliš tmavá farba (B) zase o príliš vlhkom prostredí.

Film sa vytvára už pri izbovej teplote a bežnom ovzduší. Základom sú kysličníky medi, najmä oxid meďný Cu₂O a oxid meďnatý CuO. Kyslík a voda je v ovzduší a dodatočné teplo, ktoré tento proces urýchľuje, si kefa musí vyrobiť sama. Má na to v podstate dve možnosti: mechanickými stratami pri trení o komutátor a elektrickými stratami pri prechode prúdu klzným kontaktom.

Súčasťou tejto vrstvy – najmä na jej povrchu - sú grafitové zrná. Práve ich množstvo spolu s čiastočkami vody, kyslíka a plynov z ovzdušia dávajú filmu charakteristickú farbu. Vytvorená vrstva je veľmi tenká a za maximum sa považuje 5 μm (5 tisícin milimetra).

Film je nevyhnutnou súčasťou klzného kontaktu a najmä spoľahlivou ochranou komutátora pred nadmerným opotrebovaním. Je totiž oveľa tvrdší ako medené lamely komutátora a má lepšie klzné vlastnosti.

Jeho elektrický odpor je však výrazne väčší ako odpor medených lamiel komutátora a aj jeho hodnota je premenlivá. Závisí totiž v značnej miere od hrúbky filmu – čím je vrstva hrubšia, tým je aj odpor väčší. Prechodový úbytok napätia medzi kefou a medenými lamelami sa môže pohybovať v rozsahu 0,1 až takmer 3 V.

Dynamický a „akčný“ film? Prečo?

Keď za akčný film považujeme film plný napätia, osobných alebo skupinových súbojov o niečo, čo si chce jedna alebo druhá strana podmaniť alebo privlastniť (obr. 4), potom aj film vytváraný na komutátore sa tejto definícii dosť podobá.

Premenlivá hrúbka tohto filmu je totiž výsledkom vzájomného súboja dvoch protikladných procesov. Prebrať „velenie“ sa neustále snaží na jednej strane proces oxidácie povrchu komutátora (nárast hrúbky filmu) a na strane druhej proces odierania filmu spôsobený kĺzajúcimi sa kefami (pokles hrúbky filmu).

Nárast alebo pokles hrúbky filmu teda záleží od toho, ktorý proces v danej chvíli prevláda. Je jasné, že oba musia byť vo vzájomnej rovnováhe. Keď je abrazívny účinok kief malý, film je stále hrubší a tmavší, až jeho vodivosť klesne natoľko, že nestačí k prevedeniu prúdu z kefy do komutátora.

Obr. 4. Kto zvíťazí?

No a keď je abrazívny účinok kief veľký, nevytvorí sa prakticky žiadny film – akýkoľvek náznak filmu bude ihneď zlikvidovaný a dochádza k nadmernému opotrebeniu komutátora.

V tejto súvislosti sa nám prirodzene vynára otázka, ako dlho trvá vytvorenie toho „správneho“ filmu. Nikto nám nedá presnú odpoveď... Keď však už táto otázka zaznela, správna odpoveď by mohla byť: rádovo hodiny až dni. Záleží to nielen od materiálu kefy, ale aj od celého súboru okolností, o ktorých sme si podrobnejšie povedali v článku Uhlíkové kefy II.

Keď sa film vytvoril, treba ho udržať. Ani jedna z týchto dvoch úloh však nie je v prípade motorov elektrických ručných náradí jednoduchá, a to najmä kvôli premenlivým a nestabilným pracovným podmienkam, častým štartom a v praxi pri práci neuskutočniteľnou trvale rovnomernou záťažou.

Profesionálne elektrické náradia sú väčšinou konštrukčne na takéto extrémy – aspoň technicky – celkom dobre pripravené. Stačí dodržať neustále opakované zásady: náradie nepreťažovať, vykonávať pravidelnú údržbu zameranú najmä na čistenie vetracích štrbín, dopriať náradiu prestávku, keď cítime, že sa nadmerne zahrieva a pod.

Poznámka:
¹) Maximálna obvodová rýchlosť uhlíkovej kefy nie je bežne dostupný parameter a výrobcovia si tieto údaje viac alebo menej chránia.

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
Helwig Carbon: The Helwig Commutator Condition Guide: https://www.helwigcarbon.com/wp-content/uploads/2018/07/comm-condition-guide-broch-ta4-hi-res-web.pdf
https://unibook.upjs.sk/img/cms/2022/atomova-struktura-latok-1-zaklady-krystalografie.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 😊.