Szénkefék IV. - „Akciódús film“ a kommutátor felületén

A csúszó érintkező felületről szóló cikkben, hogy jobban érzékeltessük a szénkefében folyó áramokat, úgy beszéltünk róla, mint "villámokkal tarkított égboltról egy sötét nyári éjszakán", és elmagyaráztuk, hogy a különböző intenzitású "villámáramok" kiszámíthatatlanul terjednek egy helyről (a táphuzalról), és a szénkefe érintkező felületén lévő különböző helyeken kötnek ki.

1. ábra. A grafit hexagonális szerkezete

Az érintkezési pontok, amelyeken keresztül a kommutátor és a szénkefe érintkezik, még egy megfelelően működő szénkefénél sem rendelkeznek rögzített pozícióval - keletkeznek és eltűnnek az időben.

Ezeket az állításokat a szénkefékkel kapcsolatos jelenlegi ismeretek is alátámasztják. Lényegében egy hexagonális szerkezetű grafitszemcséket tartalmazó kerámiatermékről van szó (1. ábra).

A grafitban a szénatomok hexagonális síkokba rendeződnek, a síkok közötti gyenge kapcsolódással. Ez magyarázza a grafit vékony rétegekben történő "levállását", ennek köszönhető, hogy a közönséges ceruzával írhatunk.

A lényeg számunkra az, hogy a részecskék térbeli elrendeződése, amelyekből a szénkefe áll, erősen kaotikus.

Ez különböző pontokon eltérő vezetőképességet eredményez, és a kefén átfolyó áramot még a legjobb akarat ellenére sem lehet egyenletesen elosztani a kefe teljes keresztmetszetén.

Hogy jobban el tudjuk képzelni, készítettünk egy animációt, amely a szénkefe és a kommutátor érintkezési felületén megjelenő és eltűnő érintkezési pontokat mutatja.

Animáció: megjelenő és eltűnő érintkezési pontok a szénkefe és a kommutátor érintkezési felületén

Mivel a szénkefén átfolyó áramviszonyok problémaköre már ismert számunkra, közelítsük meg a helyzetet egy másik nézőpontból - a kommutátor kerületi sebessége szempontjából, amelyen a szénkefe csúszik.

2. ábra. Rotor kommutátorral WX-23001: lapátok (1), kommutátor (2), szénkefe (3)

A számunkra már ismert WX-23001-es sarokcsiszolóhoz tartozó szénkefét választjuk. Ennek a sarokcsiszolónak a forgórészét a kommutátorral és a szénkefékkel a 2. ábrán látjuk.

Első pillantásra nyilvánvaló, hogy ez egy aránylag nagy rotor - nem csoda, hiszen a csiszológép felvett teljesítménye 2000 W, ami majdnem három lóerő. A 230 mm-es tárcsákhoz való sarokcsiszolók az elektromos kéziszerszámok közül a "legerősebbek" közé tartoznak.

A méréssel megállapítható, hogy a rotor 28 000 fordulat/perc fordulatszámmal forog, a kommutátor átmérője 36,85 mm, és 32 lamellája van.

Megjegyzés:
A kommutátor átmérőjéről el kell mondani, hogy az az új kommutátor átmérőjéről van szó. A kopás következtében néhány tizedmilliméterrel csökkenhet a méret, és a szénkefék érintkezési felületének görbülete idővel könnyen alkalmazkodik ehhez az enyhe változáshoz.

A fenti néhány adatból például kiszámíthatjuk, hogy a rotor (és a kommutátor is) egy másodperc alatt 466-szor fordul körbe, a kommutátor kerületi sebessége 54 m/s (közel 195 km/h), és ha a szénkefe egy fordulaton belül 32 lamellátval találkozik, akkor egy másodperc alatt 14.912-szer találkozik lamellával (466 x 32).

Ezek a számok még nagyobb csodálatot és tiszteletet kellene, hogy kiváltsanak bennünk a kommutátoros motorok e fontos alkatrészei iránt...

Az ehhez a sarokcsiszolóhoz tervezett eredeti szénkefék műszaki paramétereiben a kerületi sebesség ¹) legfeljebb 55 m/s-ban van megadva. A számított értékekből láthatjuk, hogy az 54 m/s-os kerületi sebesség éppen a szénkefe maximális tervezési határa alatt van, és gyakorlatilag nincs semilyen tartalék, míg az áramsűrűségnél ez több mint kétszerese volt.

Miért van az, hogy valahol van, másütt pedig nincs tartalék?

A magyarázat egyszerű. A sarokcsiszolók általánosan elérhető paraméterei között találjuk az "üresjárati fordulatszámot". Ezen a paraméteren a kimeneti orsó fordulatszámát értjük. Ez a terhelés nélküli fordulatszám, esetünkben 6500 fordulat/perc. Logikus, hogy a sarokcsiszoló terhelésével - például vágás vagy köszörülés közben - az üresjárati fordulatszám csökken, vagy legjobb esetben a sarokcsiszoló megtartja azt. Azonban soha nem emelkedik.

A rotor 28 000 fordulat/perccel, a sarokcsiszoló orsója 6500 fordulat/perc fordulatszámmal forog. Közöttük egy 4,3 : 1 áttételű (azaz "lassító" áttételezésű) sebességváltó található. Amikor a kimeneti orsó fordulatszáma terhelés alatt például 6.450 fordulat/percre csökken, a rotor fordulatszáma is csökken, 28.000-ről 27.735-re (6.450 x 4,3).

A fordulatszám csökken - soha sem fog emelkedni. Ezért felesleges ott tartalékot létrehozni, ahol nincs rá szükség.

A szénkefén átfolyó nagy áram, az érintkezési pontok gyors egymásutánban történő megjelenése és eltűnése, a kefék és lamellák másodpercenkénti több ezerszeres találkozása, a nagy kerületi sebességek és a két különböző anyag súrlódása, ehez még a nedvesség, a hőmérséklet és egyéb hatások - mindez befolyásolja a kommutátor és a szénkefék közötti érintkezési felületet, és logikusan "valaminek" ott történnie kell...

Ez a "valami" nagyon fontos: film keletkezik - egy nagyon dinamikus és "akciódús" film!

Mi a kommutátor filmrétege (patinája)?

A szénkefe siklik a kommutátoron, és mivel egyik felület sem tökéletesen sima, nyomokat hagy maga után. Ezek a nyomok láthatóan elszínezik a kommutátor felületét - a valóságban ez egy nagyon vékony, de nagyon fontos bevonat - filmnek nevezzük¹). A szakirodalomban gyakran találkozunk a patina elnevezéssel, amelyet a fémek felületén az oxidáció által okozott finom rétegként definiálnak - ami szintén rendben van. És kialakult a "patinás szinezet" kifejezést is - ezt a "rézfelületek nemes rozsdájának“ tekintik - ez a rézfelületek fokozatos oxidációja során alakul ki.

A minőségi film egy nagyon vékony, jellegzetes patinás színű bevonat, a kommutátor teljes felületén amely nem tartalmaz foltokat. Ez elengedhetetlen a szénkefe hatékony és megbízható működéséhez.

3. ábra. A kommutátor túl világos (A), túl sötét (B) és ideális (patinás) színe (C)

Például a kommutátor színe alapján (3. ábra) megállapíthatjuk: mindháromnak egységes az elszíneződése, ami nagyon jó jel. Az apró, látható, de ujjal nem érzékelhető karcolások nem veszélyesek - hiszen már tudjuk, hogy mi miatt keletkezhetnek. A túl világos szín (A) azonban valószínűleg arra utal, hogy túl száraz környezetben dolgoztunk, míg a túl sötét szín (B) túl nedves környezetre utal.

A film már szobahőmérsékleten, levegő jelenlétében is kialakul. Alapjai a rézoxidok, különösen a Cu₂O és a CuO rézoxid. A levegőben oxigén és víz van jelen, és a folyamatot felgyorsító kiegészítő hőt magának a kefének kell előállítania. Ezt alapvetően két módon teheti meg: mechanikai veszteségek révén, amikor a kommutátorhoz dörzsölődik, és elektromos veszteségek révén, amikor az áram a csúszó érintkező felületen keresztül folyik.

Ennek a filmrétegnek a részei - különösen a felszínen – a grafitszemcsék. Ezek mennyisége, valamint a víz, az oxigén és a levegőből származó gázok részecskéi adják a film jellegzetes színét. A képződött réteg nagyon vékony, 5 μm (5 ezredmilliméter) és ez a maximumnak tekinthető.

A film a csúszó érintkező felület elengedhetetlenül szükséges része, és főleg a kommutátor megbízható védelme a túlzott kopással szemben. Sokkal keményebb ugyanis, mint a réz komutátor lamellák, és jobb csúszási tulajdonságokkal rendelkezik.

Elektromos ellenállása azonban lényegesen nagyobb, mint a réz kommutátorlamellák ellenállása, és az ellenállás értéke is változó. Ez ugyanis nagymértékben függ a film vastagságától - minél vastagabb a réteg, annál nagyobb az ellenállás. A kefe és a rézlamellák közötti átmeneti feszültségesés 0,1 és közel 3 V között lehet.

Dinamikus és "akciódús" film? Miért?

Ha akciódús filmnek tekintünk egy feszültséggel teli filmet, a személyes vagy csoportos küzdelmet valamiért, amit az egyik vagy a másik fél el akar hódítani vagy ki akar sajátítani (4. ábra), akkor a kommutátoron keletkező film is hasonlít ehhez a definícióhoz.

Ennek a filmnek a változó vastagsága ugyanis két ellentétes folyamat kölcsönös küzdelmének eredménye. Az egyik oldalon a kommutátor felületének oxidációs folyamata (a filmvastagság növekedése) próbálja átvenni az "irányítást", a másik oldalon a film kopási folyamata található amit a csúszó szénkefék okoznak (a filmvastagság csökkenése).

Így a filmvastagság növekedése vagy csökkenése attól függ, hogy az adott időben melyik folyamat dominál. Nyilvánvaló, hogy a kettőnek egyensúlyban kell lennie egymással. Ha a kefék koptató hatása kicsi, a film egyre vastagabbá és sötétebbé válik, egészen addig amíg a vezetőképessége annyira le nem csökken, hogy nem viszi át az áramot a szénkeféről a kommutátorra.

4. ábra. Ki lesz a győztes?

Nos és ha a kefék csiszoló hatása nagy, gyakorlatilag nem képződik film - a film egészen vékony rétege is azonnal lecsiszolódik, és túlzott kommutátor kopás következik be.

Ebben az összefüggésben természetesen felmerül a kérdés, hogy mennyi idő alatt alakul ki a "megfelelő" film. Pontos választ senki sem tud adni... Mivel azonban ez a kérdés már felmerült, a helyes válasz a következő lehet: órák és napok nagyságrendjében. Ez nem csak a szénkefe anyagától függ, hanem a körülmények együttesétől is, amelyeket a Szénkefék II. cikkben részletesebben tárgyaltunk.

Ha már a film létrejött, fenn kell tartani. E két feladat egyike sem könnyű az elektromos kéziszerszám-motorok esetében, főként a változó és instabil munkakörülmények, a gyakori indítások és a gyakorlatban a folyamatos egyenletes terhelés bebiztosításának lehetetlensége miatt.

A professzionális elektromos kéziszerszámok általában - legalábbis műszakilag - elég jól fel vannak készülve az ilyen szélsőségekre. Elég, ha betartjuk az állandóan ismételt alapelveket: ne terheljük túl a szerszámot, végezzük el a rendszeres karbantartást, különösen a szellőzőnyílások tisztítását, tartsunk szünetet a szerszámmal, ha úgy érezzük, hogy túlságosan felforrósodik stb.

Megjegyzés:
¹) A szénkefék maximális kerületi sebessége nem általánosan elérhető paraméter, és a gyártók többé-kevésbé védik ezt az adatot.

Kulcsszavak: szénkefék, 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
Helwig Carbon: The Helwig Commutator Condition Guide: https://www.helwigcarbon.com/wp-content/uploads/2018/07/comm-condition-guide-broch-ta4-hi-res-web.pdf
https://unibook.upjs.sk/img/cms/2022/atomova-struktura-latok-1-zaklady-krystalografie.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😊.