Szénkefék I. – Miért van szükségünk rájuk és hogyan jelöljük őket

Gyakran találkozunk velük, ritkán fordítunk figyelmet rájuk, és általában semmit sem tudunk róluk. Mi az? Amikor utazunk valahová az unokákkal, jobban telik az idő, ha a találós kérdéseket játsszuk. Kitalálunk bármit, ami eszünkbe jut... Legtöbbször könnyű rejtvényeket, de az unokák még túl kicsik ahhoz, hogy kitalálják a felső sorban lévő találós kérdést.

A szénkefék egy nagyon speciális termék, amelyet ma már az elektromos forgó gépek természetes alkatrészének tekintünk. Valaki feltalálta őket, számtalan kísérleten keresztül finomhangolta tulajdonságaikat és különleges rendeltetésüket a mai formájukra. Ezt úgy kezeljük mint tényt, mint sok más dolgot a mindennapi életben. És a cseréjükre úgy tekintünk, mint valami szükséges rosszra.

A szénkefe nélküli (PMSM, BLAC) motorok mindenütt előtérbe nyomulnak - különösen az elektromos kéziszerszámok területén. Tehát, miért kell tudnunk bármit is a szénkefékről, mondhatná valaki. De vigyázat - sok víz fog még lefolyni a Dunán, mire a kommutátoros motorok egy részét (hangsúlyozom, hogy egy részét) szénkefe nélküli motorokra cserélik. De továbbra is sok olyan alkalmazási terület marad, ahol a kommutátoros motorokat - és a szénkeféket - továbbra is használni fogják.

Ezért figyelmet érdemelnek, és a rájuk, működésükre és cseréjükre vonatkozó alapvető ismeretekkel sok pénzt takaríthatunk meg. A szénkefe a motor álló és forgó része közötti összekötő elem. A kommutátor forog a tengellyel együtt, a szénkefe pedig "csúszik" a kommutátoron, hogy zárja az elektromos áramkört. A kommutátor és a szénkefe között csúszó érintkezés van (1. ábra), amelyről bővebben itt olvashat.

1. ábra. Kommutátor (1), csúszó érintkező (2) és szénkefe (3)

A csúszó érintkező egy kulcsfontosságú "apró részlet", amely lehetővé teszi az elektromos áram átvitelét a motor álló részéből a forgó részbe és fordítva (generátorok stb. esetén). A csúszó érintkező forgó részét a réz kommutátor képezi, a csúszó érintkező másik része, mondhatni partnere a szénkefe - ez az alkatrész sokkal összetettebb, mint amilyennek első pillantásra tűnik.

Szénkefe - miért is hívják így?

2. ábra. Rézkefés motor

A magyarázatot a történelemben keressük. Eredetileg az áramot bronz, de főleg rézhuzalok vagy lemezecskék (2. ábra) segítségével vezették a kommutátorba, amelyek keféhez hasonlítottak. A "kefe" szó a mai napig megmaradt, a "szén" szó később került hozzá. Más nyelvekben is megmaradt ez a hagyomány (angol: carbon brush, német: Kohlebürste stb.).

A bronz- vagy rézkefék azonban hajlamosak voltak a kommutátort elkoptatni, és számos egyéb problémát is okoztak. A grafit (és különösen a grafit tulajdonságainak) felfedezése jelentette a ma ismert szénkefék gyártásának kezdetét.

Az IEC 60276:2018 szabvány egyike azon kevés dokumentumoknak, amelyekben a villamos gépek kommutátorainak és csúszógyűrűinek szénkeféire vonatkozó alapvető információkat találunk. Többek között meghatározza a szénkefék méretjelölését és a szénkefék alaptestének gyártásához használt anyagokat.

A szénkefe méretei

A szénkefe egy geometriai szilárd test - egy téglatest három mérettel (3. ábra), amely méretek pontos sorrendben követik egymást, és betűkkel vannak jelölve:

t x a x r

ahol a t (tangenciális) méret a gép tengelyére merőleges a kommutátor érintőjének irányában, és a kefe szélességét adja meg, az a (tengelyirányú) méret a géptengely irányában van, és a kefe hossza, végül az r (sugárirányú) méret a kefe magassága.

Milliméterben van megadva, így például egy 6 x 10 x 15 mm méretű szénkefe szélessége t = 6 mm, hossza a = 10 mm és magassága r = 15 mm.

3. ábra. A szénkefe méretei az IEC 60276:2018 szabvány szerint

A szénkefe érintkezési felülete

A kefe (t xa) felülettel érintkezik a kommutátorral, és ezt nevezzük érintkező felületnek.

Vigyázat! Ezt cm² -ben adják meg.

Ezt azért emeltem ki, mert a szénkefék egyik legfontosabb paramétere az aktív áramsűrűség. Ez a szénkefén r irányban átfolyó áram, és ezt a paramétert A/cm2-ben (amper per négyzetcentiméter-ben) adják meg.

Egy t = 6 mm széles és a = 10 mm hosszú szénkefe érintkezési felülete 6x10 = 60 mm2 , azaz 0,6 cm2 . A kommutátorokhoz használt szénkefék esetében az érintkezési terület méretei közül (szinte mindig) a kisebbik a t méret (kefeszélesség) és a nagyobbik az a méret (kefehossz).

Szénkefék gyártásához használt anyagok

A gyártásba belépő nyersanyagok, azok egymáshoz viszonyított aránya, a különböző adalékanyagok és a különböző technológiai eljárások lehetővé teszik a különböző tulajdonságokkal rendelkező szénkefék széles skálájának az előállítását - és ezek a különböző tulajdonságok kulcsszerepet játszanak. Nemcsak a motor vagy a generátor igényeihez, hanem az üzemi környezethez is igazodniuk kell. A szénkefék gyártásához használt fő anyagok a következők:

Az elektrografit (EG / Electro-Graphite, electrographitic) az amorf szén különböző formáiból áll, amely a gyártási folyamat során szintetikus (mesterséges) grafittá alakul át. Jó elektromos- és hővezető. Az alapanyagok kombinálásával legyárthatók robusztus, mechanikailag nagyon tartós szénkefék is. Ezek gyakorlatilag minden típusú elektromos gépben felhasználhatók, és gyakran nagy villanymotorok és generátorok számára készülnek.

A fémgrafit (MG / Metal-Graphite, metallographitic) fémporok és grafit keveréke, amelyet összepréselnek, majd megfelelő hőmérsékleten kiégetnek. A grafittartalomtól függően a kenési vagy a vezetőképességi tulajdonságok dominálnak. Nagyon kis érintkezési és belső ellenállással rendelkeznek, ezért elsősorban olyan motorokban használják őket, amelyeknek nagy mértékben terhelik a szénkeféket és alacsony kommutációs igényük van - azaz alacsony feszültségen működő motorokban. Tipikus alkalmazási terület az autóipari tartozékok motorjai.

A széngrafit (CG/Carbon-Graphite, carbographitic) amorf szén és grafit keveréke, kötőanyaggal (gyantával) tömörítve. Megfelelő hőmérsékleten történő préseléssel és kiégetéssel hozzák létre úgy, hogy a kötőanyag elszenesedjen. Magas érintkezési és belső ellenállással, és ezáltal jó kommutációs tulajdonságokkal rendelkezik, ami alkalmassá teszi a magas kommutációs követelményeket támasztó motorokban való felhasználásra – ilyenek például az univerzális motorral ellátott kéziszerszámok és a háztartási gépek motorjai. A nagy érintkezési ellenállás hátránya a nagy elektromos veszteség, ezért a motorok hatásfoka jelentősen csökken.

A bakelitgrafit (BG / Bakelite-Graphite, resin bonded). A bakelit-grafit receptje a megfelelő hőmérsékleten polimerizált szénpor és/vagy grafitpor valamint szintetikus vagy természetes gyanta keveréke. A BG osztályba tartozó keféknek nagyon magas az érintkezési és belső ellenállása - tehát a fémgrafit kefék teljes ellentétei. Ezek a tulajdonságok azonban, a széngrafit kefékhez hasonlóan, predesztinálják őket az univerzális motorral ellátott kéziszerszámok és a háztartási készülékek motorjaiban való használatra. Hátrányuk a nagy hőveszteség és a túlságosan magas hőmérsékleten a kötőgyanta megolvadásának veszélye.

Csak az érdekesség kedvéért ejtsünk néhány szót a természetes grafitról (NG / Natural-Graphite) is. Ez az anyag egy bányászott grafit, és lágygrafitnak is nevezik. Tulajdonságai a származásától - azaz a bányászás helyétől - függenek. A hamutartalomtól és a különböző szennyeződésektől függően különböző grafit keverékek alakulnak ki, ahol egyeseknek nagyobb a kenési és kisebb a fényesedési képessége, a másünnen származóknak pedig éppen fordítva. A legfontosabb jellemzőjük azonban a jelentős rugalmasságuk, amely lehetővé teszi, hogy még nagyon nagy sebességnél (akár 80 m/s) is használhatók legyenek, például turbógenerátorok acélgyűrűin. Alkalmasak agresszív környezetben működő gépekhez is.

Nagyon gyakran találkozunk azzal, hogy a szénkefék nagyon rosszul vannak megjelölve, és vannak esetek amikor egyáltalán nincsen rajtuk jelölés. Ha azonban egy szénkefén megtalálja a kétbetűs EG, MG, CG, BG vagy NG kódot, akkor legalább tudni fogja, hogy milyen anyagból készült.

Zárszó

Nem véletlen, hogy két fontos dolgot említünk ebben a cikkben - a szénkefék méreteinek normatív jelölését és az anyagokat, amelyekből készülnek. Arra próbálunk rámutatni, hogy nem elég, ha olyan szénkefénk van ami "passzol". Kulcsfontosságú, hogy az adott motorhoz megfelelő tulajdonságokkal rendelkező szénkeféket használjunk. Szükséges kiemelni, hogy a fent említett fő anyagokon belül, amelyekből a szénkefék készülnek, számos különböző típusú szénkefe létezik. Mindegyik anyag alapvetően nyersanyagok keveréke adalékanyagokkal, és ezek kombinálásával számtalan végtermék jöhet létre.

A széngrafit székeféket főként elektromos kéziszerszámok motorjaiban használják. Mi minden befolyásolja az élettartamukat, mely behatásokra van befolyásunk és melyekre nem - ez a témája a Szénkefék II című cikknek.

Még egy kis segítség azoknak, akiknek többet szükséges tudniuk.

A cikkben forrásként használt IEC 60276:2018 szabvány a villamos gépek szénkeféire vonatkozik. A szénkefék és kefetartók szabványosított méreteiről bővebben lásd az IEC 60136 szabványt, a kefék üzemi tulajdonságainak mérésére szolgáló vizsgálati módszerekről és készülékekről pedig az IEC 60773 szabványból tudhat meg többet.

Kulcsszavak: szénkefék, csúszó érintkező, kommutátoros motorok, univerzális motorok, elektromos kéziszerszámok javítása

Források:
A HERMAN cég belső műszaki és oktató dokumentációi
IEC 60276:2018 szabvány
Ing. Luboš Kotnauer: Uhlíkové kartáče – černá magie kouzel zbavená (Elektrotechnik folyóirat 1982) – Szénkefék – a feketemágia megfosztva a varázslattól – cseh nyelvű szakcikk
https://antiquefanparts.com/1897-edison-paris-bipolar-electric-fan/

Ing. Herman Nagypál

Katonai iskolát végeztem, repülőgépipari villamosmérnöki tanszéken. Már gyerekkoromban megtanultam szerszámokkal, szerszámgépekkel dolgozni édesapámmal egy családi ház építésénél. Minden új termékünket személyesen is tesztelem - saját kezemmel, jól felszerelt műhelyemben. Szabadidőmben szeretek motorozni a román hágókon. Ezen felül a szakterület trendjeit tanulmányozom, és szívesen kipróbálom a konkurens termékeket is. Némelyiken mosolygok, van amire rácsodálkozom (hogy valaki hagyta magát rászedni és megvette), és van, ami nagyon jó. Majdnem olyan jó, mint a miénk😊.