Uhlíkové kartáče IV. - „Akční film“ na povrchu komutátoru

V článku o kluzném kontaktu jsme pro lepší představu o proudech v uhlíkovém kartáči mluvili jako o „obloze poseté blesky za tmavé letní noci“ a vysvětlili jsme si, že „blesky“ proudu různé intenzity se nepředvídatelně šíří z jednoho místa (přívodního lanka) a končí na různých místech kontaktní plochy uhlíkového kartáče.

Obr. 1. Hexagonální struktura grafitu

Kontaktní body, jejichž prostřednictvím se komutátor a kartáč dotýkají, nemají ani při správně pracujícím kartáči pevnou polohu – vznikají a zanikají v čase.

Tato tvrzení jsou podpořena i současnými znalostmi o uhlíkovém kartáči. Jedná se v podstatě o keramický výrobek obsahující grafitová zrna, která mají hexagonální strukturu (obr. 1).

V grafitu jsou atomy uhlíku uspořádány do rovinných hexagonálních sítí se slabou vzájemnou vazbou. Tím je vysvětleno „odlupování“ grafitu v tenkých vrstvách, díky čemuž však můžeme obyčejnou tužkou psát.

Podstatné pro nás je, že prostorové uspořádání částic, ze kterých je vyroben uhlíkový kartáč, je značně chaotické.

Tím je dána různá vodivost v různých bodech a proud protékající kartáčem nemůže být ani při nejlepší vůli rovnoměrně distribuován v celém jeho průřezu.

Pro lepší představu jsme připravili animaci, kde je vidět vznikající a zanikající kontaktní body na styčné ploše uhlíkového kartáče a komutátoru.

Animace: Vznikající a zanikající kontaktní body na styčné ploše uhlíkového kartáče a komutátoru

Jelikož problematika proudových poměrů na uhlíkovém kartáči je nám již známa, přibližme si situaci z jiného pohledu – z pohledu obvodové rychlosti komutátoru, po kterém kartáč klouže.

Obr. 2. Rotor s komutátorem WX-23001: lamely (1), komutátor (2), uhlíkový kartáč (3)

Vybereme si nám již známý kartáč pro úhlovou brusku WX-23001. Rotor s komutátorem a uhlíkovými kartáči této brusky je na obr. 2.

Na první pohled je zřejmé, že se jedná o poměrně velký rotor – není se čemu divit, vždyť bruska má příkon 2000 W, což je téměř tři koňské síly. Úhlové brusky pro kotouče 230mm patří mezi „nejsilnější“ elektrická ruční nářadí.

Měřením lze zjistit, že rotor se otáčí rychlostí 28.000 ot./min., průměr komutátoru je 36,85 mm a má 32 lamel.

Poznámka:
K průměru komutátoru je nutno dodat, že se jedná o průměr nového komutátoru. Opotřebováním se může zmenšit o několik desetin milimetru a této nepatrné změně se postupně snadno přizpůsobí i zakřivení dotykové plochy uhlíkových kartáčů.

Z výše uvedených několika údajů umíme například vypočítat, že rotor (a tedy i komutátor) se za jednu vteřinu otočí 466 krát, obvodová rychlost komutátoru je 54 m/s (téměř 195 km/h), přičemž když se při jedné otáčce setká uhlíkový kartáč s 32 lamelami, za vteřinu je potká až 14.912 krát (466 x 32).

I tato čísla by v nás měla vyvolat ještě větší respekt a úctu k těmto důležitým komponentům komutátorových motorů...

V technických parametrech originálních kartáčů určených pro tuto brusku je pro obvodovou rychlost ¹) stanoven údaj: max. 55 m/s. Z vypočtených hodnot vidíme, že obvodová rychlost 54 m/s je těsně pod maximální konstrukční hranicí uhlíkového kartáče a není zde prakticky žádná rezerva, přičemž při proudové hustotě byla více než dvojnásobná.

Proč někde je a někde není rezerva?

Vysvětlení je jednoduché. Mezi běžně dostupnými parametry úhlových brusek najdeme „volnoběžné otáčky“. U tohoto parametru máme na mysli výstupní otáčky pracovní hřídele. Jsou to otáčky bez zatížení, v našem případě je udáváno 6.500 ot./min. Je logické, že zatížením úhlové brusky – například při řezání nebo broušení – volnoběžné otáčky klesnou nebo v lepším případě si je úhlová bruska udrží. Nikdy však nestoupnou.

Rotor se otáčí 28.000 ot./min., hřídel úhlové brusky 6.500 ot./min. Mezi nimi je převodovka s převodovým poměrem 4,3 : 1 (t.j. převod „do pomala“). Když zatížením klesnou výstupní otáčky hřídele například na 6.450 ot./min., otáčky rotoru klesnou taky, a to z 28.000 na 27.735 (6.450 x 4,3).

Klesnou – nikdy nebudou vyšší. Proto vytváření rezervy tam, kde není nutná, je zbytečné.

Velké proudy tekoucí uhlíkovým kartáčem, vznik a zánik kontaktních bodů v rychlém sledu za sebou, setkání kartáčů s lamelami několik tisíckrát za sekundu, vysoké obvodové rychlosti a tření dvou odlišných materiálů, do toho vlhkost, teplota a další vlivy – to vše ovlivňuje kontaktní plochu mezi komutátorem a uhlíkovými kartáči a logicky se tam musí „něco“ dít...

To „něco“ je velice důležité: vytváří se film - velmi dynamický a „akční“ film!

Co je film (patina) komutátoru?

Kartáč klouže po komutátoru a vzhledem k tomu, že ani jeden z povrchů není dokonale hladký, zanechává za sebou stopy. Tyto stopy viditelně zbarvují povrch komutátoru – ve skutečnosti se však jedná o velmi tenký, avšak velmi důležitý povlak – nazýváme jej film¹). Často se v odborné literatuře setkáme s názvem patina, která je definována jako jemná vrstva na povrchu kovů vzniklá oxidací – což je také v pořádku. A vžil se také pojem „patinová barva“ – považuje se za ni barva zvaná „staroměď“ – vznikne postupnou oxidací měděných povrchů.

Kvalitní film je velmi tenký povlak charakteristické patinové barvy bez barevných skvrn po celém povrchu komutátoru. Je nezbytný pro efektivní a spolehlivou práci uhlíkového kartáče.

Obr. 3. Příliš světlá (A), příliš tmavá (B) a ideální (patinová) barva (C) komutátoru

Například podle barvy komutátoru (obr. 3) můžeme konstatovat: všechny tři mají rovnoměrné zbarvení, což je velmi dobré znamení. Drobné, sice viditelné, ale prsty nepostřehnutelné škrábance nejsou nebezpečné – vždyť už víme, z čeho mohou vzniknout. Příliš světlá barva (A) však svědčí pravděpodobně o práci v příliš suchém prostředí, příliš tmavá barva (B) zase o příliš vlhkém prostředí.

Film se vytváří již při pokojové teplotě a běžném ovzduší. Základem jsou kysličníky mědi, zejména oxid měďný Cu₂O a oxid měďnatý CuO. Kyslík a voda je v ovzduší a dodatečné teplo, které tento proces urychluje, si kartáč musí vyrobit sama. Má k tomu v podstatě dvě možnosti: mechanickými ztrátami při tření o komutátor a elektrickými ztrátami při průchodu proudu kluzným kontaktem.

Součástí této vrstvy – zejména na jejím povrchu – jsou grafitová zrna. Právě jejich množství spolu s částečkami vody, kyslíku a plynů z ovzduší dávají filmu charakteristickou barvu. Vytvořená vrstva je velmi tenká a za maximum se považuje 5 μm (5 tisícin milimetru).

Film je nezbytnou součástí kluzného kontaktu a zejména spolehlivou ochranou komutátoru před nadměrným opotřebováním. Je totiž mnohem tvrdší než měděné lamely komutátoru a má lepší kluzné vlastnosti.

Jeho elektrický odpor je však výrazně větší než odpor měděných lamel komutátoru a také jeho hodnota je proměnlivá. Závisí totiž ve značné míře na tloušťce filmu – čím je vrstva silnější, tím je i odpor větší. Přechodový úbytek napětí mezi kartáčem a měděnými lamelami se může pohybovat v rozsahu 0,1 až téměř 3 V.

Dynamický a „akční“ film? Proč?

Když za akční film považujeme film plný napětí, osobních nebo skupinových soubojů o něco, co si chce jedna nebo druhá strana podmanit nebo přivlastnit (obr. 4), pak i film vytvářený na komutátoru se této definici hodně podobá.

Proměnlivá tloušťka tohoto filmu je totiž výsledkem vzájemného souboje dvou protikladných procesů. Probrat „velení“ se neustále snaží na jedné straně proces oxidace povrchu komutátoru (nárůst tloušťky filmu) a na straně druhé proces odírání filmu způsobený klouzajícími kartáči (pokles tloušťky filmu).

Nárůst nebo pokles tloušťky filmu tedy záleží na tom, který proces v danou chvíli převládá. Je jasné, že oba musí být ve vzájemné rovnováze. Když je abrazivní účinek kartáčů malý, film je stále tlustší a tmavší, až jeho vodivost klesne natolik, že nestačí k převedení proudu z kartáče do komutátoru.

Obr. 4. Kdo zvítězí?

No a když je abrazivní účinek kartáčů velký, nevytvoří se prakticky žádný film – jakýkoli náznak filmu bude ihned zlikvidován a dochází k nadměrnému opotřebení komutátoru.

V této souvislosti se nám přirozeně vynořuje otázka, jak dlouho trvá vytvoření toho „správného“ filmu. Nikdo nám nedá přesnou odpověď... Když však už tato otázka zazněla, správná odpověď by mohla být: řádově hodiny až dny. Záleží to nejen od materiálu kartáče, ale i na celém souboru okolností, o kterých jsme si podrobněji řekli v článku Uhlíkové kartáče II.

Když se film vytvořil, je třeba jej udržet. Ani jeden z těchto dvou úkolů však není v případě motorů elektrických ručních nářadí snadný, a to zejména kvůli proměnlivým a nestabilním pracovním podmínkám, častým startem a v praxi při práci neuskutečnitelnou trvale rovnoměrnou zátěží.

Profesionální elektrická nářadí jsou většinou konstrukčně na takové extrémy – alespoň technicky – zcela dobře připravena. Stačí dodržet neustále opakované zásady: nářadí nepřetěžovat, provádět pravidelnou údržbu zaměřenou zejména na čištění větracích štěrbin, dopřát nářadí přestávku, když cítíme, že se nadměrně zahřívá a pod.

Poznámka:
¹) Maximální obvodová rychlost uhlíkového kartáče není běžně dostupný parametr a výrobci si tyto údaje více či méně chrání.

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

Zdroje:
Interní technické a školicí materiály společnosti HERMAN
Ing. Luboš Kotnauer: Uhlíkové kartáče – černá magie kouzel zbavená (Časopis Elektrotechnik 1982)
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

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 😊.