Uhlíkové kartáče III. - Co se děje na kluzném kontaktu

Komutátor, kluzný kontakt a uhlíkový kartáč jsou pojmy, které se objevily v našich článcích již několikrát. Dnes je na obr.1 vidíme znovu – to proto, abychom si uměli lépe představit, o čem bude řeč. Mezi komutátorem (1) a uhlíkovým kartáčem (3) je třecí (kontaktní) plocha zvaná kluzný kontakt (2).

Na tomto kontaktu probíhají změny směru proudu cívky. Proces se nazývá komutace a musí být přesně vyladěný - preciznost tohoto „vyladění“ je nutnou podmínkou bezvadné činnosti komutátorového motoru.

Ne, my nemusíme nic ladit, to už udělal výrobce motoru namísto nás. My se budeme zabývat tím, co se děje na kluzném kontaktu uhlíkového kartáče.

Obr. 1. Komutátor (1), kluzný kontakt (2) a uhlíkový kartáč (3)

Ale nepředbíhejme. Nejprve si rozeberme případ, se kterým se můžeme denně setkat a rychle se zorientujme v proudových poměrech konkrétního nářadí – například úhlové brusky 230 mm napájené ze sítě o jmenovitém příkonu 2000 W. Z těchto údajů snadno vypočítáme maximální proud, který je schopna bruska zpracovat: I = P/U = 2000 W / 230 V = 8,7 A

Obr. 2. Uhlíkový kartáč UB 23001

Typickým představitelem této kategorie elektrického ručního nářadí je bruska HERMAN WX-23001, přičemž originální úhlografitový kartáč určený pro tento konkrétní stroj má doporučenou hustotu proudu ¹) 18 A/cm².

Kartáč má šířku t = 6,9 mm, hloubku a = 16,8 mm a výšku r = 19,7 mm (obr.2). Kontaktní plocha je 1,16 cm² (t x a = 6,9 mm x 16,8 mm = 1,16 cm²).

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

Doporučená hustota proudu je jedním z nejdůležitějších klíčových parametrů. Kartáče v tomto konkrétním případě snesou více než dvojnásobné zatížení (nebo přetížení, chcete-li): 20,88 A oproti 8,7 A. Je to vždy dobrý pocit – jezdit rychlostí 100 km/h na pneumatikách konstruovaných pro více než 200 km/h. Až se to zdá zbytečně „přepísklé“.

Prozradím Vám hned teď, že předimenzování tohoto parametru má svůj význam. V článku Uhlíkové kartáče II. jsme vysvětlili, že uhlíkovému kartáči škodí nejen přetížení, ale také „podtížení“. Kartáči v elektrickém ručním nářadí protéká jiná velikost proudu při startu, jiná při volnoběžných otáčkách, jiná při zatížení – a ještě i zatížení může být různé. Optimální stav je spíše výjimkou než pravidlem. Kromě těchto nepříznivých okolností je zde však ještě jedna, mnohem vážnější. Za chvíli se k ní dostaneme.

Rádius uhlíkového kartáče

Všechny rady o tom, že je třeba rádius uhlíkového kartáče co nejpřesněji přizpůsobit rádiusu komutátoru jsou užitečné a pravdivé (obr. 3). Styčné plochy musí být „kompatibilní“, tj. styčná plocha uhlíkového kartáče se musí dotýkat komutátora po celé své ploše.

Nepřizpůsobený tvar kontaktní plochy uhlíkového kartáče – například rovná plocha bez rádiusu – by znamenala, že se dotýká komutátoru v prvních chvílích pouze úsečkou, jejíž délka je dána hloubkou uhlíkového kartáče a. Mnozí uživatelé nad takovým kartáčem mávnou rukou – vždyť on si na své místo „sedne sám“. Možná předtím, než si sedne kartáč, klekne rotor – zvláště když po výměně kartáčů brusku okamžitě zatížíme.

Že proč? Jednoduše proto, že těch 20A nebude téct plochou 1,16 cm², ale úsečkou. A jakou plochu má úsečka - pamatujete si? Matematicky žádnou. Je to jen množina bodů, podstatně menší než požadovaná plocha.

Za předpokladu, že máme správný kartáč se správným rádiusem a vše se nám zdá být jasné, možná máme pocit, že chápeme, co se děje na kluzném kontaktu.

Obr. 3. Správný (A) a nesprávný (B) rádius uhlíkového kartáče

Musím Vás zklamat – není tomu tak. Ještě nejsme v cíli.

Obr. 4. Kluzný kontakt: film (1), kontaktní body (2), tlak (3), uhlíkový kartáč (4), bezkontaktní plocha (5), komutátor (6)

Styčná plocha mezi kartáčem a komutátorem totiž nikdy není dokonale hladká – a to se týká obou kontaktních komponentů, ať jsou jakkoli perfektně opracované. Pravda, povrch komutátoru může být mnohem lépe opracován než zrnitá keramická hmota uhlíkového kartáče, ale dokonale hladká plocha to určitě není.

Pokud tedy plochy nejsou dokonale hladké, je logické, že kartáč i komutátor se navzájem dotýkají v několika bodech a tyto body nesou celé proudové zatížení.

Na kluzném kontaktu znázorněném na obr. 4 se nacházejí kontaktní body a také bezkontaktní plochy.

Kontaktní body, jejichž prostřednictvím se oba komponenty dotýkají, nemají ani při správně pracujícím uhlíkovém kartáči pevnou polohu – vznikají a zanikají v čase.

A tak to také má být – hned z několika důvodů:

• mikroskopicky zrnitý materiál kontaktní plochy kartáče se oxidací, změnou teploty a také mechanicky opotřebovává. To má vliv na odpor „aktivních“ vláken uvnitř tělesa kartáče a proud si přirozeně hledá „cestu nejmenšího odporu“. Tím mění své cesty od přívodního lanka ke kontaktní ploše
• kontaktní body se vysokou koncentrací protékajícího proudu zahřívají mnohem více než ty nekontaktní vedle nich a tím likvidují sami sebe – dávají tak možnost vzniku nových kontaktních bodů na jiném místě. Je to přesně jako v našem životě: starý a opotřebený odchází, aby přišel mladý a čerstvý...
• otáčející se komutátor přivádí pod kartáč stále jinou povrchovou strukturu, jelikož i jeho povrch je nerovný a také se mění v čase

Proud vycházející z místa upevnění přívodního lanka prochází více či méně spletitými cestami napříč kartáčem až do jeho dotykové plochy s komutátorem. Můžeme si to představit i jako oblohu posetou blesky za tmavé letní noci.

Blesky vznikají a zanikají na místech, kde je předem nečekáme a hledají v atmosféře „cestu nejmenšího odporu“ – asi tak, jak jsme se to snažili nakreslit na obr. 5. Blesky jsou různé intenzity, šíří se z jednoho místa (z přívodního lanka) a končí na různých místech kontaktní plochy uhlíkového kartáče.

V každém okamžiku je tedy počet kontaktních bodů a také jejich kvalita na kartáčích jiná.

Obr. 5. „Blesky“ proudu v uhlíkovém kartáči

Kartáče přetížené nadměrným proudem pálí přívodní měděné lanko, při nedostatečném proudu chrastí, lámou se a rýhují komutátor. K takovým stavům dochází i při správně fungujícím kluzném kontaktu a to zejména ve fázi, kdy je motor studený – což je při práci s elektrickým ručním nářadím běžným jevem. Je prokázáno, že proudová nerovnoměrnost takových hraničních případů často přesahuje poměr 1 : 3!

Závěr

Jsem přesvědčen, že teď už jinak vnímáme více než dvojnásobnou rezervu, o které jsme hovořili na začátku tohoto článku. Taková rezerva by měla být vytvořena nejen u úhlových brusek, ale u každého elektrického nářadí s komutátorovým motorem. Nerovnoměrnost rozdělení proudu se totiž může ještě znásobit, a to nejen nesprávným nebo nerovnoměrným nastavením přítlačných pružin, ale také prací v nepříznivém prostředí, bez každodenní údržby a také mnoha dalšími nepříznivými okolnostmi při jejich používání, o kterých všichni víme, ale přesto je podceňujeme.

O důležitých zásadách, které je nutno při výměně uhlíkových kartáčů dodržet, si povíme v některém z dalších článků. Vysvětlení dějů na kluzném kontaktu by nás však mělo přesvědčit o první a nejpodstatnější zásadě – používejme vždy originální uhlíkové kartáče s předpřipraveným rádiusem! Abychom však mohli definitivně uzavřít problematiku kluzného kontaktu, čeká nás ještě jedno téma – to je film ²) jako nutná a nedílná součást kluzného kontaktu. A prozradím vám – je to akční a dynamický film!

Poznámky:
¹) hustota proudu uhlíkového kartáče není běžně dostupný parametr a výrobci si tyto údaje více nebo méně chrání.
²) film se ve většině jazyků (mimo SK a CZ) jmenuje patina. Termín „film“ byl používán v normě ČSN 35 0820.

Klíčová slova: uhlíkové kartáče, kluzný kontakt, komutátorové motory, univerzální motory, opravy elektrických nářadí

Zdroje:
Interní technické a školicí materiály společnosti 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

Vystudoval jsem vojenskou školu, obor letecká elektrotechnika. S nářadím a nástroji jsem se naučil pracovat už v dětství s tátou na stavbě rodinného domu. Každý náš nový produkt testuji i osobně - vlastníma rukama ve své dobře vybavené dílně. Ve volném čase se rád proháním na motorce po rumunských horských průsmycích. Kromě toho studuji trendy v oboru a rád si vyzkouším i konkurenční produkty. Nad některými se pousměju, nad některými se divím (že se někdo dal nachytat a koupil to) a některé jsou fakt dobré. Skoro jako naše 😊.