Szénkefék III. - Mi történik a szénkefe érintkező felületén

A kommutátor, a csúszó érintkező felület és a szénkefe olyan kifejezések, amelyek többször is megjelentek cikkeinkben. Ma az 1. ábrán azért láthatók újra, hogy jobban el tudjuk képzelni, miről lesz szó. A kommutátor (1) és a szénkefe (3) között van egy súrlódó (érintkező) felület, amelyet csúszó érintkező felületnek (2) neveznek.

Ezen az érintkező felületen változik a tekercs áramának iránya. A folyamatot kommutációnak hívják, és pontosan be kell hangolni - ennek a "hangolásnak" a pontossága a kommutátoros motor hibátlan működésének elengedhetetlen feltétele.

Nem, nekünk nem kell semmit hangolnunk, ezt már a motorgyártó megtette helyettünk. Foglalkozunk azzal, hogy mi történik a szénkefe csúszó érintkező felületén.

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

De ne szaladjunk előre. Először is elemezzünk egy esetet, amellyel napi szinten találkozhatunk, és gyorsan képbe kerülünk egy adott elektromos kéziszerszám aktuális áram viszonyaival – például egy 230 mm-es sarokcsiszolóval, amely hálózatról működik, 2000 W névleges bemeneti teljesítménnyel. Könnyen kiszámolhatjuk, hogy a sarokcsiszoló mekkora maximális áramerősséggel dolgozik: I = P/U = 2000 W / 230 V = 8,7 A

2. ábra. Az UB 23001 szénkefe

Az elektromos kéziszerszámok e kategóriájának tipikus képviselője a HERMAN WX-23001, sarokcsiszoló, és az ehhez a géphez készült eredeti széngrafitkefe ajánlott áramsűrűsége ¹) 18 A/cm².

A szénkefe szélessége t = 6,9 mm, mélysége a = 16,8 mm és magassága r = 19,7 mm (2. ábra). Az érintkezési felület je 1,16 cm² (t x a = 6,9 mm x 16,8 mm = 1,16 cm²).

Ez azt jelenti, hogy az ajánlott kefeterhelés 20,88 A (18 A/cm² x 1,16 cm² = 20,88 A).

Az ajánlott áramsűrűség az egyik legfontosabb kulcsparaméter. A szénkefék ebben az esetben több mint kétszeres terhelést (vagy túlterhelést) képesek elviselni: 20,88 Amper a 8,7 Amperral szemben. Mindig jó érzés 100 km/h-val haladni a 200 km/h-nál nagyobb sebességre tervezett gumiabroncsokon. Egy kicsit túlméretezettnek is tűnik.

Mindjárt most elárulom Önöknek, hogy ennek a paraméter túlméretezésnek megvan az értelme. A Szénkefék II. című cikkben elmagyaráztuk, hogy nemcsak a túlterhelés, hanem az "alulterhelés" is káros a szénkefére. Egy elektromos kéziszerszám szénkeféin más-más áram folyik indításkor, más áram alapjáraton, más áram terhelésnél - és még a terhelés is különböző lehet. Az optimális állapot inkább kivétel, mint szabály. Ezeken a kedvezőtlen körülményeken kívül azonban van még egy, sokkal komolyabb tényező is. Mindjárt oda jutunk.

A szénkefe rádiusza

Hasznos és igaz minden tanács arra vonatkozóan, hogy a szénkefe sugarát a lehető legpontosabban a kommutátor sugarához kell alakítani (3. ábra). Az érintkező felületeknek "kompatibilisnek" kell lenniük, azaz a szénkefe érintkező felületének teljes nagyságával érintenie kell a kommutátort.

A szénkefe érintkezési felületének nem hozzáalakított alakja - például egy görbületi sugár nélküli sík felület - azt jelentené, hogy a kommutátort az első pillanatokban csak egy egyenes érinti, amelynek a hosszát a szénkefe a-val jelölt mélysége adja meg. Sok felhasználó legyint egy ilyen szénkefe fölött - elvégre "majd magától leül". Talán mielőtt a szénkefe leül, a forgórész letérdel - különösen, ha a szénkefe cseréje után azonnal megterheljük a sarokcsiszolót.

Hogy miért? Egyszerűen azért, mert a 20 A nem egy 1,16 cm²-es felületen fog átfolyni, hanem egy egyenesen keresztül. És mekkora az egyenes területe – emlékszik valaki? Matematikailag nincs területe. Az egyenes csak pontok halmaza, sokkal kisebb, mint a szükséges felület.

Feltételezzük, hogy a megfelelő szénkefével rendelkezünk amelynek görbületi sugara is megfelelő, és minden világosnak tűnik számunkra. Úgy érezhetjük, hogy értjük, mi történik a csúszó érintkező felületnél.

3. ábra. Helyes (A) és helytelen (B) szénkefe görbületi sugár

Csalódást kell okozzak Önöknek – ez nem így van. Még nem vagyunk a célban.

4. ábra. Csúszó érintkező felület: film (1), érintkezési pontok (2), nyomás (3), szénkefe (4), érintkezési pontok nélküli felület (5), kommutátor (6)

A szénkefe és a kommutátor érintkezési felülete soha nem tökéletesen sima – és ez mindkét az érintkezésben résztvevő elemre vonatkozik, függetlenül attól, hogy milyen tökéletesen megmunkáltak. Igaz, a kommutátor felülete sokkal jobban megmunkálható, mint a szénkefe szemcsés kerámia anyaga, de az sem egy tökéletesen sima felület.

Tehát ha a felületek nem tökéletesen simák, akkor logikus, hogy a szénkefe és a kommutátor véges számú ponton érinti egymást, és ezek a pontok viszik át a teljes áramterhelést.

A 4. ábrán látható csúszó érintkező felületén vannak érintkezési pontok és nem érintkező felületek.

Az érintkezési pontok, amelyeken keresztül a két alkatrész érintkezik, még megfelelően működő szénkefénél sem mindig ugyanazon a helyen vannak – keletkeznek és megszűnnek az idő változásával.

És ennek így is kell lennie – mindjárt néhány okból:

• a kefe érintkezési felületének mikroszkopikusan szemcsés anyaga oxidációnak, hőmérséklet változásnak és mechanikai kopásnak van kitéve. Ez befolyásolja az "aktív" szálak ellenállását a kefetest belsejében, és az áram természetesen a "legkisebb ellenállás útját" keresi. Ezáltal megváltoztatja útját a tápkábeltől az érintkezési felületig
• az érintkezési pontokat az átfolyó áram nagy koncentrációja sokkal jobban felmelegíti, mint a mellettük lévő érintkezés nélküli felületet, és ezzel az érintkezési pontok megszüntetik magukat - így lehetőség nyílik új érintkezési pontok kialakulására más helyen. Olyan ez, mint a mi életünkben: elmegy az öreg és elhasználódott, hogy jöjjön a fiatal és friss...
• a forgó kommutátor folyamatosan változó felületet hoz a kefe alá, mivel a felülete is egyenetlen és idővel is változik

A tápkábel csatlakozási pontjáról érkező áram többé-kevésbé kusza utakon halad át a kefén a kommutátorral érintkező felületre. Elképzelhetjük úgy is, mint egy villámokkal tarkított égboltot egy sötét nyári éjszakán.

A villámok olyan helyeken jelennek meg és tűnnek el, ahol előre nem számítunk rájuk, és a "legkisebb ellenállás útját" keresik a légkörben - körülbelül úgy, ahogyan azt az 5. ábrán próbáltuk megrajzolni. A villámok különböző intenzitásúak, egy helyről terjednek (a tápkábelről) és a szénkefe érintkezési felületének különböző helyein végződnek.

Az érintkezési pontok száma és minősége a keféken ezért minden pillanatban más.

5. ábra. Az áram "villámai" a szénkefében

A túl nagy árammal túlterhelt kefék elégetik a betápláló rézhuzalt, elégtelen áramerősség esetén zörögnek, eltörnek és hornyolják a kommutátort. Ilyen helyzetek még megfelelően működő csúszó érintkező felület esetén is előfordulnak, különösen hideg motornál - ami gyakori jelenség az elektromos kéziszerszámokkal végzett munka során. Ki van mutatva, hogy az ilyen határesetek áramátfolyási egyenetlensége gyakran meghaladja az 1 : 3 arányt!

Zárszó

Meg vagyok győződve, hogy most már másképp érzékeljük azt a több mint kétszeres biztonsági tartalékot, amelyről a cikk elején beszéltünk. Ilyen biztonsági tartalékot nem csak a sarokcsiszolóknál kellene létrehozni, hanem minden kommutátoros motorral rendelkező elektromos kéziszerszámnál. Az áram egyenetlen eloszlását tovább ronthatja, a nyomórugók hibás vagy egyenetlen beállítása, a kedvezőtlen környezetben végzett munka, a napi karbantartás hiánya, valamint sok más, a használat során fellépő kedvezőtlen körülmény is, amelyeket mindannyian ismerünk, de ennek ellenére alábecsülünk.

A szénkefék cseréjekor betartandó fontos alapelvekről a következő cikkek egyikében fogunk beszélni. A csúszó érintkező felületen történő események magyarázata azonban meg kell hogy győzzön bennünket az első és legfontosabb elvről - mindig eredeti, előre elkészített görbületi sugarú szénkeféket használjunk! Ahhoz hogy végleg lezárhassuk a csúszó érintkező felület kérdését még egy téma vár ránk - ez a film ²), mint a csúszó érintkező felület szükséges és elválaszthatatlan része. És elárulom – ez egy akciódús és dinamikus film!

Megjegyzések:
¹) a szénkefe áramsűrűsége nem általánosan elérhető paraméter, és a gyártók többé-kevésbé védik ezeket az adatokat.
²) a filmet a legtöbb nyelven patinának hívják (kivéve szlovák és a cseh nyelvben). A „film” kifejezést a ČSN 35 0820 szabvány használta.

Kulcsszavak: szénkefe, csúszó érintkező felület, kommutátoros motorok, univerzális motorok, elektromos szerszámok javítása

Források:
A HERMAN cég belső műszaki és oktató dokumentációi
Ing. Luboš Kotnauer: Uhlíkové kartáče – černá magie kouzel zbavená (Elektrotechnik folyóirat 1982) – Szénkefék – a feketemágia megfosztva a varázslattól – cseh nyelvű szakcikk
Mersen carbon brush technical guide: http://www.tekhar.com/Programma/Mersen/5-carbon-brush-technical-guide-mersen.pdf

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😊.