Uhlíkové kartáče I. - Proč je potřebujeme a jak je označujeme

Často se s nimi setkáváme, málokdy jim věnujeme pozornost a obvykle o nich nic nevíme. Co je to? Když někde cestujeme s vnoučaty, lépe nám běží čas, když hrajeme hádankovou hru „Co je to?“. Vymýšlíme leccos, co nás zrovna napadne... Nejčastěji jsou to lehké hádanky, ale na uhodnutí té v horním řádku jsou ještě příliš malé.

Uhlíkové kartáče – nesprávně nazývané uhlíky, jsou velmi specifický produkt, který dnes již bereme jako samozřejmou součást elektrických točivých strojů. Někdo je vymyslel, nesčetnými pokusy vyladil do dnešního tvaru, vlastností a specifického určení. Bereme to jako fakt, tak jako mnoho jiných věcí v každodenním životě. A na jejich výměnu se díváme jako na nutné zlo.

Do popředí se všude – zejména v elektrickém ručním nářadí – tlačí bezkartáčové (bezuhlíkové, PMSM, BLAC) motory. Možná si tedy řeknete, k čemu nám je něco vědět o uhlících. Ale pozor – hodně vody proteče v Dunaji, dokud část (zdůrazňuji slovo část) komutátorových motorů bude nahrazena bezkartáčovými motory. Zůstane však ještě mnoho aplikací, kde budou komutátorové motory – a také uhlíkové kartáče – nadále používány.

Zaslouží si proto pozornost a základní znalosti o nich, o jejich činnosti a výměně nám mohou ušetřit spoustu peněz. Uhlíkový kartáč je styčný prvek mezi stacionární a rotující částí motoru. Komutátor se otáčí na hřídeli a uhlíkový kartáč po něm „jezdí“, aby uzavřel elektrický obvod. Mezi komutátorem a uhlíkovým kartáčem je kluzný kontakt (obr. 1), o kterém si můžete více přečíst zde.

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

Kluzný kontakt je klíčovou „drobností“, umožňující převést elektrický proud z nepohyblivé části motoru na otáčivou a naopak (u generátorů apod.). Otáčivou část kluzného kontaktu tvoří měděný komutátor, druhým partnerem kluzného kontaktu je uhlíkový kartáč – součástka mnohem složitější, než by se na první pohled mohlo zdát.

Uhlíkový kartáč – proč se tak nazývá?

Obr. 2. Motor s měděnými kartáči

Vysvětlení hledejme v historii. Původně se totiž přiváděl proud do komutátoru prostřednictvím bronzových, zejména však měděných drátků nebo plíšků (obr. 2.), které se podobaly kartáčům. Slovo kartáč zůstalo dodnes, slovo uhlík se doplnilo později. I v jiných jazycích tato tradice zůstala (angl. carbon brush, něm. Kohlebürste apod.)

Bronzové nebo měděné kartáče však měly tendenci opotřebovávat komutátor a přinášely i celou řadu dalších problémů. Objevení grafitu (a zejména jeho vlastností) bylo začátkem výroby uhlíkových kartáčů tak, jak je známe dnes.

Jedním z mála dokumentů, kde můžeme nalézt základní informace platné pro uhlíkové kartáče komutátorů a kluzných kroužků elektrických strojů, je norma IEC 60276:2018. Mimo jiné definuje rozměrové označování uhlíkových kartáčů a materiály používané pro výrobu těla (telesa) uhlíkového kartáče.

Rozměry uhlíkového kartáče

Uhlíkový kartáč je geometrické těleso - kvádr se třemi rozměry (obr.3.), následujícími za sebou v přesně stanoveném pořadí a jsou vyjádřeny písmeny:

t x a x r

kde rozměr t (tangenciálny) je kolmý na osu stroje ve směru tečny komutátoru a je šířkou kartáče, rozměr a (axiální) má směr osy stroje a je délkou kartáče a konečně rozměr r (radiální) je výškou kartáče.

Udává se v milimetrech, takže například uhlíkový kartáč o rozměrech 6 x 10 x 15 mm má šířku t = 6mm, délku a = 10mm a výšku r = 15mm.

Obr. 3. Rozměry uhlíkového kartáče podle IEC 60276:2018

Dotyková plocha uhlíkového kartáče

Kartáč se plochou (t xa) dotýká komutátoru a nazývá se dotykovou (kontaktní) plochou.

Pozor! Udává se v cm² !

Zdůraznil jsem to proto, že jedním z klíčových parametrů uhlíkového kartáče je hustota činného proudu. Jedná se o proud protékající uhlíkem ve směru r a tento parametr je udáván v A/cm² (ampér na čtvereční centimetr).

Uhlíkový kartáč šířky t = 6mm a délky a = 10mm má tedy kontaktní plochu 6x10 = 60mm², neboli 0,6 cm². U uhlíkových kartáčů pro komutátory bývá (téměř vždy) menším z rozměrů dotykové plochy rozměr t (šířka kartáče) a větším rozměr a (délka kartáče).

Materiály pro výrobu uhlíkových kartáčů

Vstupní suroviny, jejich vzájemný poměr, různé přísady a různé technologické postupy umožňují výrobu celé škály uhlíkových kartáčů s různými vlastnostmi – a právě tyto různé vlastnosti hrají klíčovou roli. Musí být přizpůsobeny nejen požadavkům motoru nebo generátoru, ale také provoznímu prostředí. Mezi hlavní materiály používané k výrobě uhlíkových kartáčů patří:

Elektrografit (EG / Electro-Graphite, electrographitic) sestává z různých forem amorfního uhlíku, který se mění během výrobního procesu na syntetický (umělý) grafit. Je elektricky i tepelně dobře vodivý. Kombinacemi vstupních materiálů lze vyrobit také robustní, mechanicky velmi odolné uhlíkové kartáče. Mohou se použít prakticky ve všech druzích elektrických strojů a často se vyrábějí pro velké elektrické motory a generátory.

Kovografit (MG/Metal-Graphite, metallographitic) je směs práškových kovů a grafitu, lisovaných a následně vypalovaných při vhodné teplotě. Podle obsahu grafitu převládají mazací vlastnosti nebo vodivost. Kontaktní a vnitřní odpor mají velmi malý, proto se požívají zejména v motorech, které mají velké nároky na zatížení uhlíkových kartáčů a malé nároky na komutaci – tedy motory pracující s malým napětím. Typickým uplatněním jsou motory pro autopříslušenství.

Uhlografit (CG/Carbon-Graphite, carbographitic) je směsí amorfního uhlíku a grafitu, aglomerovaného pojivem (pryskyřicí). Je formován lisováním a vypálením při vhodné teplotě pro zuhelnatění pojiva. Má velký kontaktní a vnitřní odpor a tím i dobré komutační vlastnosti, které jej předurčují pro použití v motorech s vysokými komutačními nároky – např. pro elektrická ruční nářadí s univerzálním motorem a pro motory v domácích spotřebičích. Nevýhodou velkého kontaktního odporu jsou vysoké ztráty, výrazně tedy klesá účinnost motorů.

Bakelitografit (BG / Bakelite-Graphite, resin bonded). Receptura pro bakelitografitové kartáče je kombinací práškového uhlíku a/nebo grafitu spojeného s pryskyřicí (syntetickou nebo přírodní), polymerizované při vhodné teplotě. Kartáče třídy BG mají velmi velký kontaktní a vnitřní odpor – jsou tedy pravým opakem kovografitových kartáčů. Avšak tyto vlastnosti, podobně jako vlastnosti uhlografitových kartáčů, je předurčují pro použití v elektrických ručních nářadích s univerzálním motorem a pro motory v domácích spotřebičích. Nevýhodou jsou vysoké tepelné ztráty a při příliš vysokých teplotách hrozí vytavení spojovací pryskyřice.

Jen kvůli zajímavosti si povíme několik slov i o přírodním grafitu (NG/Natural-Graphite). Materiálem je vytěžená tuha a nazývá se také měkký grafit. Vlastnosti jsou závislé na jeho původu – tedy na místě, kde se těží. Podle obsahu a druhu popela a různých nečistot vznikají směsi, kde některé mají větší mazací schopnosti a menší leštící schopnosti a někde je tomu naopak. Klíčovou vlastností je ovšem značná pružnost a umožňuje jejich použití i při velmi vysokých rychlostech (až 80m/s), například na ocelových kroužcích turbogenerátorů. Vhodné jsou také pro stroje pracující v agresivním prostředí.

Velmi často se setkáváme s tím, že uhlíkové kartáče jsou velmi bídně označeny a někdy nejsou označeny vůbec. Když však najdete na uhlíkovém kartáči dvoupísmenný kód EG, MG, CG, BG nebo NG, budete vědět alespoň to, z jakého materiálu je vyroben.

Závěr

Ne náhodou se v tomto článku zmiňují dvě důležité věci – normativní značení rozměrů uhlíkových kartáčů a materiály, ze kterých se vyrábějí. Chceme tím naznačit, že nestačí mít uhlíkový kartáč, který nám „pasuje“. Klíčové je použít uhlíkové kartáče se správnými vlastnostmi pro konkrétní motor. Je nutno zdůraznit, že v rámci zmíněných hlavních materiálů, ze kterých se uhlíky vyrábějí, je celá škála jejich různých typů. Každý z materiálů je v principu směs surovin s přísadami a jejich kombinací může vznikat nespočet výsledných produktů.

V motorech elektrického ručního nářadí se používají především uhlografitové kartáče. Co všechno ovlivňuje jejich životnost, které z těchto vlivů jsou v našich rukou a které ne - to je téma článku Uhlíkové kartáče II.

Ještě pomůcka pro ty, kteří potřebují vědět víc.

Norma IEC 60276:2018, použitá v tomto článku jako zdroj, se vztahuje na uhlíkové kartáče pro elektrické stroje. O normalizovaných rozměrech uhlíkových kartáčů a držácích kartáčů více uvádí norma IEC 60136 a o zkušebních metodách a přístrojích pro měření provozních vlastností kartáčů se dozvíte v normě IEC 60773.

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

Zdroje:
Interní technické a školicí materiály společnosti HERMAN
Norma IEC 60276:2018
Ing. Luboš Kotnauer: Uhlíkové kartáče – černá magie kouzel zbavená (Časopis Elektrotechnik 1982)
https://antiquefanparts.com/1897-edison-paris-bipolar-electric-fan/

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 😊.