Česká republika
Poruchy komutátorových motorů elektrických nářadí
Ložiska, stator, rotor a uhlíkové kartáče. Čtyři klíčové součástky a k tomu několik skutečných fotek – aby bylo jasné, co všechno musí nářadí strpět.
Data o poruchách jednotlivých typů elektrických nářadí s komutátorovým motorem se značně liší. Jiné jsou u úhlových brusek, jiné u kladiv a jiné u šroubováků, ale když všechny tyto poruchy „naházíme“ do jednoho pytle, můžeme konstatovat, že polovina jich připadá na motor a druhá polovina jsou „jiné“ poruchy (obr. 1). Mezi takové patří „nemotorové“ mechanické poruchy (převodovka, sklíčidlo, kryt nářadí apod.). Nejvíce poruch při opravách, kde se měnil náhradní díl, připadá na rotor a uhlíkové kartáče.
Téměř v každém elektrickém nářadí napájeném střídavým zdrojem energie najdeme dnes komutátorové motory a tedy i uhlíkové kartáče. Tyto motory jsou osvědčené, léty vyladěné a budou si ještě dlouho držet svou pozici. V těchto druzích nářadí se s uhlíkovými kartáči setkají pravděpodobně ještě i naši vnuci.
Obr. 1. Statistika: Procenta počtu měněných náhradních dílů nářadí s komutátorovým motorem
Výjimkou budou ta nářadí, kde jsou vysoké nároky na malé rozměry, velký výkon, schopnost pracovat v prašném prostředí a schopnost odolávat značnému přetížení. Typickým příkladem jsou (zejména) síťové úhlové brusky ve strojírenských provozech. Zde si najdou uplatnění bezkartáčové (bezuhlíkové) motory PMSM, avšak tak prudký vzestup těchto motorů, jako tomu bylo s motory BLDC v nářadích napájených z akumulátoru, se neočekává. V některém z dalších článků si povíme proč.
Ložiska
Na poruchách motoru se ložiska podílejí minimální měrou. Podle našich záznamů připadá 1,3 ložiska na jedno ze 100 opravovaných nářadí. V nářadích jsou ložiska samomazná, nepotřebují údržbu a když jsou kvalitní, mají velmi dlouhou životnost. Doporučuje se jejich výměna vždy při výměně rotoru.
Neklamným znakem, že s ložisky něco není v pořádku, je odlišný zvuk motoru, do kterého se může přenášet „zvuk tření“ tělesa rotoru po jeho obvodu s plechy statoru. I když jsou poruchy způsobené ložisky rotoru vzácné, občas mohou poškodit těleso rotoru nebo statoru.
Obr. 2. Vlevo rotor pro střídavé a vpravo pro stejnosměrné napájení - oba s ložisky (1)
Obr. 3. Rotor poškozený vůlí v ložiskách (1)
Stator
Jedním z podstatných rozdílů mezi komutátorovými motory pro střídavé a stejnosměrné napájení je ve statoru.
Stator pro střídavé napájení je sestrojen z navzájem odizolovaných statorových plechů a vinutí, stator stejnosměrného motoru je permanentní magnet (obr. 4). Z pohledu poruch motoru je konstatování jednoduché – na statoru stejnosměrného motoru se nemá co „pokazit“, avšak ani stator střídavého motoru nemá výrazný podíl na poruchách motoru. Procento sice je o nějakou desetinu vyšší než u ložisek, nepřesahuje však 2%. Abych byl přesnější, nejedná se o chyby výroby, vyměněné statory měly shořelé vinutí následkem přetížení (obr. 5).
Obr. 4. Statory rozdílné konstrukce
Obr. 5. Shořelé vinutí statoru
Těmto poruchám se umíme vyhnout prací při jmenovitých otáčkách tak, abychom nářadí nepřetěžovali nebo přetěžovali jen krátce. Výrazně pomůže občasné vyfoukání od usazených nečistot pro lepší proudění chladicího vzduchu.
Rotor s komutátorem
V této kapitole bude řeč o rýhách a drážkách (obr. 6). Rýhami nazýváme poškození povrchu lamel komutátoru ve směru jeho otáčení. Izolační drážky jsou příčné drážky mezi dvěma lamelami komutátoru.
Když zanedbáme poruchy ložisek a statoru, směle můžeme tvrdit, že dvě součástky – rotor a uhlíkové kartáče – tvoří polovinu počtu „součástek“, které se při opravách nářadí vyměňují (obr. 1). Jelikož uhlíkové kartáče považujeme u nářadí za běžný spotřební materiál (tak jako pneumatiky u motorového vozidla), jsou právě rotory nejen nejčastější, ale zejména nejnákladnější součástí oprav.
Zaslouží si proto náležitou pozornost.
Například barva povrchu komutátoru je téměř vždy ovlivňována aktuálním zatížením, teplotou, vlhkostí, tlakem pružiny na uhlíkový kartáč a znečištěním, proto se může časem měnit. Znamená to, že její výpovědní hodnota poměrně úzce souvisí s činností motoru v několika posledních hodinách. Hodně nám prozrazují i další signály, jako je lesk, rýhy a opálené lamely komutátoru.
Obr. 6. Rýhy (1) po obvodu komutátoru a izolační drážky (2) mezi lamelami
Obr. 7. Ideální stav komutátoru
Motor k nám takto promlouvá, proto zkusme porozumět jeho řeči. Podívejme se nejprve podrobněji, co nám říká barva komutátoru.
Dobře zaběhnutý komutátor nemá po obvodu absolutně žádné rýhy. Je mírně lesklý, tmavě červené až měděnohnědé barvy – připomíná staroměď nebo patinu. Izolační drážky mezi lamelami jsou čisté, beze stop uhlíkového prachu. Zkrátka, komutátor (obr. 7) je v super kondici.
Komutátor (obr. 8 vlevo) má příliš světlou barvu – táhne do „zlatova“. Nemá-li však žádné rýhy po obvodu, světlý film se považuje za přijatelný, zvláště když je rovnoměrný. Možnými příčinami je práce v suchém prostředí nebo (i) při nízkých teplotách. Někdy je příčinou nízká rychlost otáčení, což je u nářadí velmi vzácný jev – rotor se totiž otáčí (většinou) konstantní rychlostí a potřebné výstupní otáčky se dosahují převody. A málokdo pracuje například se šroubovákem s dlouhodobě sníženými otáčkami prostřednictvím plynulé regulace otáček.
Obr. 8. Příliš světlý a tmavý komutátor
Možnými příčinami příliš tmavé barvy komutátoru je práce motoru ve vlhkém prostředí, navíc je pravděpodobné, že je často přetěžován (obr. 8 vpravo). Barva je příliš hnědá, což naznačuje zřejmě i práci ve znečištěném prostředí, následkem čehož je zvýšené tření. No a následkem zvýšeného tření je vyšší teplota. Tření a práce se zvýšenou teplotou s určitostí ovlivňují předčasné opotřebení komutátora.
Tolik k barvě. Nyní se podívejme na mechanické nepravidelnosti na povrchu komutátoru.
Obr. 9. Rýhy na povrchu komutátoru
Jemné rýhy na povrchu komutátoru (obr. 9) jsou obvykle způsobeny nízkým nebo nerovnoměrným tlakem pružin na uhlíkové kartáče, znečištěným chladícím vzduchem (prácí ve vysoce prašném prostředí) a prací ve vlhkém prostředí. S vlhkostí vzduchu asi těžko něco uděláme, ale můžeme zkontrolovat tlak pružin uhlíkových kartáčů a častěji čistit motorovou část nářadí.
Častým jevem na komutátoru je vypalování okrajů lamel (obr. 10). Nejpravděpodobnější příčinou je nesprávný rádius uhlíkových kartáčů, případně žádný rádius nebo (i) nesprávný uhlíkový kartáč. Následkem těchto příčin je časté jiskření. Jiskry jsou zjevně viditelné, žluté až sytě žluté barvy a je jich mnoho. V takovém případě je třeba co nejdříve dát do pořádku komutátor rotoru – alespoň pročistit izolační drážky lamel a zkontrolovat, zda máme vhodné uhlíkové kartáče a zda je přesně zabroušen jejich rádius.
Obr. 10. Vypalování okrajů lamel
Obr. 11. Hluboká brázda komutátoru
Brázda v lamelách po obvodu komutátoru je způsobena nevhodnými, velmi tvrdými uhlíkovými kartáči nebo (i) přílišným přítlakem pružiny uhlíkového kartáče (obr. 11). Tato porucha je velmi častá – často se totiž používají neoriginální uhlíkové kartáče a když k tomu přidáme ještě práci ve znečištěném prostředí, kdy částečky prachu v nasávaném vzduchu doslova „pomáhají“ s broušením, konec rotoru se nezadržitelně blíží. Takovému rotoru už nepomůže ani přesoustružení lamel – byly by příliš nízké a nedostatečná by byla i izolační vrstva mezi nimi.
Jako poslední (obr. 12) je pohled na komutátor, který skončil svoji životní pouť. Přílišné opotřebení lamel a tím i izolačních drážek způsobily natažení oblouku a shořelo vše, co bylo v cestě. Tento rotor udělal kus dobré práce, je však již neopravitelný a musí být vyměněn.
V případě, že se včas zachytí poruchy komutátoru, lze je opravit soustružením. Rozhodnutí o takové opravě je čistě z ekonomického úhlu pohledu. Malé komutátorové motory nejsou až tak drahé, aby se taková oprava vyplatila.
Obr. 12. Totálně zničený komutátor
Tak či onak, oprava komutátora je už jen náprava poškození, nikoli odstranění její příčiny. Důležité je proto nejprve najít tu pravou příčinu – a tou jsou buď nevhodné uhlíkové kartáče a (nebo) jejich příliš velký přítlak, případně (velmi vzácně) zlomení uhlíkového kartáče. Je v zásadě jedno, zda se rozhodneme pro výměnu nebo opravu komutátora – příčinu musíme identifikovat.
A ještě krátce k hloubce soustružení. Na toto téma neexistuje jednoznačná odpověď a záleží na konkrétní situaci. V podstatě se však jedná o to, že na komutátoru musí zůstat dostatek materiálu – měď na lamelách a izolační materiál mezi lamelami. To je důležité i proto, aby při odstředivé síle, která vznikne při vysokých otáčkách rotoru, nedošlo k uvolnění lamel. Motory elektrických nářadí jsou vysokootáčkové, odstředivá síla je tedy značná.
Uhlíkové kartáče
Uhlíkové kartáče jako spotřební materiál jsou v praxi velmi podceňovány – vždyť jejich výměna není žádný problém. Tak to potom také vypadá. Některý z dalších článků budeme proto věnovat tomuto tématu.
Klíčová slova: komutátorový motor, uhlíky, rotor, stator, poruchy motoru
Zdroje:
Interní technické a školicí materiály společnosti HERMAN
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 😊.
Děkujeme, recenze byla přidána
Neodpověděli jste správně 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 pane Hermane! Píše pěkně o komutátorech, je to zajímavé a má spoustu informací, ale dovolte mi upozornit na dvě důležité věci, protože to jsou možná dvě nejčastější příčiny poruch rotoru. V případě zkratu závitu nebude barva segmentů komutátoru po obvodu jednotná, barva lamel bude světlejší nebo tmavší podle toho, kde se nachází zkratovaný vinutý prvek a jak je připojen ke komutátoru. Proto není vhodné při jednoduché údržbě stroj jiskřit nebo čistit povrch komutátoru. Po dobu životnosti stroje to prostě není nutné, za předpokladu, že povrch je rovný a provedení hrany lamel směrem ke slídě je bezvadné. Dalším důležitým jevem, o kterém se zmiňuje jen tečně, je, pokud slída v jednom bodě hoří hluboko, nebo je šířka slídy po obvodu v jednom bodě viditelně nerovnoměrná, širší než jinde. K tomu dochází, když dojde k prasknutí rotoru nebo poškození kontaktu mezi komutátorem a vinutím rotoru, např. výlisek se uvolní ve spojení s designem vlajky. K tomu může pomoci i dobře mířený a odměřený úder. A prasknutí cívky je vždy způsobeno mechanickým poškozením, případně chybou instalace. Nasvědčuje tomu také hlavně to, že je slída hluboce spálená a případně pokud se stroj v jednom bodě nerozjede, jen když se na něj trochu zatlačí, roztočí se. A v případě sníženého napětí, kde lze stroj zastavit, nevydává hučení, pouze se zastaví, protože uvnitř motoru není uzavřený obvod kvůli přerušení. Nutno dodat, že to platí pouze pro dvojité ruptury, nikoli však pro jednorázové ruptury, kde se stroj vždy spustí. Doufám, že jsem mohl pomoci. Děkuji, že jste dočetli až do konce, neváhejte mě kontaktovat, Viktor Jáger
Přeložit text Zobrazit originálOdpověď:
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.
Velmi poučné.
Přeložit text Zobrazit originálMichal Petrik –
Veľmi užitočný článok, ktorý mi prehĺbil moje vedomosti a verím, že aj predĺži životnosť môjho náradia. Ďakujem