Česká republika
Uhlíkové kartáče IX. – Co je třeba udělat po jejich výměně
Písmeno „i“ rozeznáte ve slově i bez tečky, ale hned vidíte, že něco chybí. Tak je tomu i u komutátorových motorů, i když slovo „záběh“ ve spojitosti s nimi možná mnohé překvapí. Se záběhem se běžně setkáváme u spalovacích motorů v souvislosti s novým motorem nebo po jeho generální opravě. Jde zejména o dokonalé „sednutí si“ navzájem souvisejících třecích komponentů, kde mezi nejkritičtější patří pístní kroužky pohybujících se pístů ve válci motoru.
Už tady je první souvislost s uhlíkovými kartáči. Ve spalovacím motoru jsou to pístní kroužky a válec, které jsou ve vzájemném tření, v komutátorových motorech jde o uhlíkové kartáče a komutátor. Zatímco ve spalovacích motorech je mezi pístním kroužkem a válcem mikroskopická vrstva motorového oleje, v komutátorových motorech je touto klíčovou vrstvou film na kluzném kontaktu.
Přesně tak, jak by si měl dobrý automechanik při rozebírání motoru poznačit, který pístní kroužek kde a v jaké poloze byl, i při údržbě komutátoru doporučujeme označit místo a polohu kartáče.
Motorkáři velmi dobře vědí, kolik jemných kovových částeček je usazeno ve vypouštěcím šroubu (obr. 1) umístěném na nejnižším místě olejové vany. A ne náhodou je součástí tohoto šroubu permanentní magnet - přitom olej cirkuluje v motoru přes olejový filtr, který většinu kovových částeček zachytí...
V elektrickém ručním nářadí není žádný filtr ani šroub s magnetem. Proto je nutno nářadí pravidelně čistit.
Obr. 1. Zanesený (A) a čistý (B) vypouštěcí šroub olejové vany
Význam zaběhávání uhlíkových kartáčů
Pod pojmem „zaběhnuté uhlíkové kartáče“ budeme rozumět v tomto článku takové kartáče, které mají rádius shodný s rádiusem komutátoru a tak jako pístní kroužky a válec ve spalovacích motorech i uhlíkové kartáče a komutátor jsou navzájem přizpůsobeny svým tvarům na vzájemné kontaktní ploše.
Abychom Vám co nejlépe přiblížili význam zaběhu uhlíkových kartáčů v komutátorových motorech, provedli jsme několik měření.
Ukáží nám nejen to, co se děje na kluzném kontaktu ale také to, jak ovlivňují nezaběhnuté kartáče výkon motoru a proudové zatížení zejména při jeho rozběhu.
Obr. 2. Příprava rovného kartáče
Budeme se věnovat dvěma „extrémním“ situacím – půjde o rovné kartáče (s rovnou kontaktní plochou, bez rádiusu) a dobře zaběhnuté kartáče (s přesným rádiusem). V obou případech však budeme pracovat se stejnou kvalitou kartáčů a vždy půjde o originální kartáče. V praxi se často vyskytuje ještě větší extrém – rovné kartáče neurčitého původu a vlastností. Jistě víte, na co myslím.
Vzhledem k tomu, že všechny naše nové kartáče do úhlových brusek mají předpřipravený rádius, obětovali jsme jeden pár na to, abychom si vyrobili rovné – tedy „špatné“ kartáče. K tomu stačí brusný papír zrnitosti cca 100 položený na rovné a pevné podložce a za pár minut je z kartáče s rádiusem rovný kartáč (obr. 2).
Je to tak trochu i návod, jak udělat z rovného kartáče kartáč s rádiusem… stačí brusné plátno a „kopyto“ s rádiusem komutátoru.
No a druhý extrém, který budeme zkoumat, jsou dobře zaběhnuté kartáče přesně kopírující rádius komutátoru (obr. 3).
Všechna následující měření se uskutečnila se stejnou úhlovou bruskou (WX-12501 – příkon 1000W, průměr kotouče 125mm), řezal se stejný obrobek (16mm roxor ze stavební oceli), se stejným řezným kotoučem (AS-30 Classic) a kontrolovaný konstantní přítlak nám zajistil automatický testovací stroj.
Naše kotouče totiž testujeme nejen v souladu s normou EN 12413, ale provádíme i „nepovinné“ testy životnosti vyrobených kotoučů (a samozřejmě testujeme i konkurenční produkty 
).
Ještě pár slov k testovacímu stroji. Použili jsme ho proto, abychom vyloučili nepřesnosti vznikající při řezání lidskou silou – každý tlačí na kotouč jinak, ráno má člověk více sil než po třech hodinách práce.
Obr. 3. Zaběhnutý kartáč s rádiusem komutátoru
Na stroji je možnost nastavování konstantní rychlosti posuvu úhlové brusky do řezu. Nastavuje se v milimetrech za sekundu a takovou rychlostí tlačí automat do řezu brusku s kotoučem „hlava – nehlava“. Je to velmi náročný test, bruska i kotouč dostanou zabrat – pro nás je však v tomto případě důležitý fakt, že podmínky měření jsou stejné.
Běžně testujeme rychlostí posuvu 3mm/sek a není to náhoda – taková rychlost posuvu je blízko realitě. Máme totiž odzkoušeno, že člověk odřízne 16mm roxor za 5 až 7 sekund, což je rychlost posuvu v intervalu cca 2,3 až 3,2 milimetru za sekundu.
Konstanty jsme si tedy ve zkratce řekli, tak pojďme se podívat pěkně po pořádku, co se děje na kluzném kontaktu, jak to je s výkonem motoru a jaké jsou hodnoty odběru proudu. A samozřejmě si povíme i to, co to všechno znamená a jaký to má význam.
Co se děje na kluzném kontaktu
Na kluzném kontaktu komutátorových motorů je vždy možné pozorovat jiskření. Rozdíl je v tom, o jaké jiskření jde.
Video 1: Intenzita jiskření zaběhlých (A) a rovných kartáčů (B)
Malé jiskry zejména modré barvy jsou neškodné a jsou přirozenou součástí činnosti komutátorového motoru v dobré kondici. Rozdíl v intenzitě jiskření u rovných kartáčů a kartáčů s rádiusem si můžete prohlédnout ve videu 1. Na záběrech je vidět vznikající a zanikající kontaktní body.
Pozorný čtenář si všimne, jak se jiskry zintenzivní, když jde bruska s kotoučem do záběru. Jistě, zintenzivní se i při zaběhnutých kartáčích, ale rozdíl je zřetelný. Zjednodušeně lze konstatovat, že jiskry zajetého zatíženého motoru jsou svou intenzitou a velikostí podobné jiskrám nezajetého a nezatíženého motoru.
Výkon úhlové brusky
Nyní se podíváme, jak ovlivňují oba „typy“ kartáčů výkon úhlové brusky. Ne, nespletl jsem se, není řeč o příkonu, ale o výkonu, o kterém víme, že není jednoduché ho změřit. Ani my ho v tomto pokusu nevyjádříme ve wattech, ale připravili jsme tak názornou ukázku, aby byl na první pohled jasný rozdíl mezi nimi.
Začneme posuvem 2mm/sek – to znamená, že kotouč prořízne 16mm roxor za 8 vteřin. Je to poměrně pomalý posuv a obě varianty kartáčů si s ním poradily. Při rychlosti 3mm/sek je již možné na poklesu otáček a také podle zvuku pozorovat, že zejména motor s rovnými kartáči se značně namáhá a s rychlostí 4mm/sek si již neporadil (video 2).
Video 2: Co zvládne motor s rovnými kartáči
Video 3: Co zvládne motor se zaběhnutými kartáči
Kotouč zůstal vzpříčený v řezu a pozorný čtenář si jistě všiml jeho poškození. I když to nesouvisí s tímto tématem, krátce se zde zastavme: v praxi musí obsluha okamžitě vypnout úhlovou brusku nebo to udělá funkce „kick back stop“, je-li nářadí touto funkcí vybaveno. V opačném případě hrozí vážný pracovní úraz. Náš automatický tester , který nahrazuje člověka, to neudělal (protože nemá a ani nepotřebuje mít takovou funkci) – ale alespoň vidíme, jaký vliv na bezpečnost má vzpříčení nástroje v řezu.
Bruska se zaběhnutými kartáči zvládla nejen 4, ale i 5mm posun za sekundu a zůstala „viset“ až při 6mm za vteřinu (video 3).
Závěr je očividný: od úhlové brusky s nepřizpůsobeným rádiusem kartáčů nemůžeme čekat zdaleka takový výkon jako se zaběhnutými kartáči a i riziko možného přetížení motoru je mnohem vyšší.
Proudové zatížení při rozběhu motoru
Lokomotiva potřebuje hodně energie na svůj rozběh a automobil v městském provozu při častém zastavování a rozjíždění spotřebuje hodně paliva. I u elektrických motorů je to podobné – rozběh je energeticky náročný proces.
Obr. 4. Protokol měření maximálního rozběhového proudu WX-12501 se zaběhnutými (A) a rovnými (B) kartáči
Velké proudy a nedostatečné (resp. žádné) otáčky pro sání chladicího vzduchu mají na motor negativní vliv, i když tento stav trvá krátce. Proto mají výkonné motory rozběhovou elektroniku - téma na později.
Proudové zatížení při rozběhu motoru a zejména rozdíl v rozběhových proudech v obou zkoumaných případech je posledním důkazem, proč je třeba kartáče zaběhnout a nezatěžovat motor hned po jejich výměně.
Úhlová bruska WX-12501 má příkon 1000W, to znamená, že motor je „dimenzován“ na proud 1000W/230V = 4,35A. Samozřejmě, konstrukce motoru v profesionálním elektrickém nářadí umožňuje krátkodobé přetížení a počítá s rozběhovými proudy. I bruska s dobře zaběhanými kartáči dosahuje při rozběhu špičky Imax = 5,61A (obr. 4 A), tedy motor je krátkodobě přetížen. Avšak tatáž úhlová bruska s rovnými kartáči má Imax = 8,96A (obr. 4 B), a to je 1,5-násobně více než motor se zaběhnutými kartáči a dvakrát více než je nominální hodnota!
Proces záběhu uhlíkových kartáčů
Z výše uvedených pokusů a měření je zřejmé, že je lepší nové uhlíkové kartáče zaběhnout než je „nechat napospas osudu“. Samozřejmě, vycházíme z toho, že výměna kartáčů se neprovedla na koleně, ale správným postupem.
Jedna z teorií hovoří o zabíhání bez zatížení – jednoduše zapnout elektrické nářadí a nechat jej běžet ve volnoběžných otáčkách. Jen pro zajímavost – kartáče s předpřipraveným rádiusem by si takovýmto způsobem „sedly“ asi za hodinu, rovným kartáčům by nestačily ani čtyři hodiny.
Věříte, že by někdo tohle dělal? Já ne.
Naše doporučení je jiné. Vychází z faktu, že uhlíkovým kartáčům více škodí práce v nezatíženém režimu než v mírně přetíženém režimu. Proto po výměně uhlíkových kartáčů pracujte alespoň hodinu čistého času tak, abyste nářadí nepřetěžovali. Bruskou řežte s citem, nespěchejte. S kladivem vrtejte raději menší průměry a se šroubovákem šroubujte raději menší šrouby. A podobně zacházejte i s novým nářadím. Dopřejte mu čas, aby se „zaběhlo“.
Závěr
Tímto článkem končí naše série článků o uhlíkových kartáčích. Snažili jsme se jimi vyplnit mezeru v informacích, kterou jsme pociťovali a odhalit některá tajemství této „černé magie“. A také trochu oživit toto téma, protože nejsme toho názoru, že uhlíkové kartáče patří do minulosti. Za poslední desetiletí nám značně usnadnili práci a patří jim, i jejich vynálezcům a zlepšovatelům, dík. My jsme jen konzumenty jejich práce.
Neznamená to, že se k uhlíkovým kartáčům už nikdy nevrátíme – máme ještě v talonu několik zajímavostí. Budeme se však více věnovat bezkartáčovým motorům, které jsou právem „trendy“ a mají určité výhody. Díky nim dnes pokročila technologie BLDC (Brushless DC) motorů pro napájení stejnosměrným proudem (akumulátorové nářadí) tak, že v této kategorii jsou jimi velmi rychlým tempem nahrazovány komutátorové motory napříč celým spektrem. Nelze však říci, že jsou dotaženy do dokonalosti.
Ještě méně jsou zkoumány motory PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor), které velmi, ale velmi pomalu nahrazují komutátorové motory napájené střídavým proudem. Tady je ještě co dělat a i my se chceme v této oblasti seriózně angažovat.
Klíčová slova: uhlíkové kartáče, záběh kartáčů, výkon motoru, proudové zatížení, testování, proces záběhu
Zdroje:
Interní technické a školicí materiály společnosti HERMAN
Ing. Luboš Kotnauer: Uhlíkové kartáče – černá magie kouzel zbavená (Časopis Elektrotechnik 1982)
https://www.youtube.com/watch?v=-Lv3WrnN03A
https://robodoupe.cz/2014/zabeh-elektromotoru/
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
Mikulas Tóth –
Poučný článok.
Ondrej Godál –
Veľmi pekne ďakujem. O nutnosti zábehu kief som vedel už pred časom, no tu v článku sú uvedené informácie aj v konkrétnom a presnejšom vyjadrení. Kiežby toto vedeli všetci uživatelia... :)
Iveta Šestáková –
Dobry clanok
Silvia Hanzelová –
zaujímavý text so zabehávaním kief
Tomáš Vrkoslav –
Článek se vyjadřuje k problematice uhlíkových kartáčů v elektrickém ručním nářadí.
Ján Korbulec –
Ďakujem za pekne spracovaný článok o tejto problematike.
:)
J.K.
Bohuš –
Dobre
Oliver –
Super napísaný článok
Mária Vajda Susányi –
zaujimavy clanok aj pre zenu