Co dělají uhlíkové kartáče?

Základní funkce uhlíkového kartáče

A uhlíkový kartáč přenáší elektrický proud ze stacionárního vedení uvnitř elektrického nářadí do rotačního komutátoru nebo sběracího kroužku namontovaného na hřídeli motoru, a to při otáčení hřídele vysokou rychlostí. Bez tohoto posuvného kontaktu by proud nemohl dosáhnout vinutí rotující kotvy, takže motor jednoduše neběží. Kartáč je přitlačován ke komutátoru malou pružinou, a jak se hřídel otáčí, čelo kartáče klouže po řadě měděných segmentů, z nichž každý se krátce dotkne a poté se uvolní, když na své místo zaujme další segment. Toto neustálé přepínání umožňuje, aby se magnetické pole uvnitř motoru obrátilo ve správný okamžik, což je základní princip, který udržuje stejnosměrný motor rotace v jednom směru spíše než zamykání.

Jak posuvný kontakt udržuje obvod uzavřený

Uvnitř univerzálního motoru je komutátor rozdělen na řadu izolovaných měděných segmentů a každý segment se připojuje k jiné sadě vinutí v kotvě. Když kartáč klouže z jednoho segmentu na druhý, na okamžik přemostí dva segmenty najednou, což je bod, ve kterém se může objevit malá jiskra, známá jako komutační oblouk. Kartáčová pružina obvykle působí přítlačnou silou v rozsahu 150 až 300 gramů , dost na to, aby udrželo pevné spojení bez tlaku tak silně, že tření opotřebovává povrch komutátoru nerovnoměrně. Pokud síla pružiny poklesne, protože pružina zeslábla nebo se kartáč opotřeboval kratší dobu, než umožňuje jeho držák, dojde k přerušovanému kontaktu a motor může běžet nerovnoměrně nebo ztratit výkon pod zatížením.

Proč se dva kartáče používají v mnoha malých motorech

Mnoho ručních elektrických nástrojů používá dvojici kartáčů umístěných naproti sobě na komutátoru, z nichž jeden vede proud dovnitř a druhý jej odvádí zpět. Toto uspořádání vyrovnává mechanický tlak na hřídel a rozkládá opotřebení tak, že jediný kontaktní bod nevykonává veškerou práci. U nástrojů čerpajících vyšší proud, jako jsou úhlové brusky nebo kotoučové pily, jsou kartáče často širší nebo mají větší kontaktní plochu, aby zvládly dodatečné zatížení bez přehřátí.

Materiály za konstrukcí uhlíkových kartáčů

Uhlíkové kartáče nejsou vyrobeny z jediné jednotné hmoty; tento termín zahrnuje řadu kompozic na bázi uhlíku navržených pro různé kombinace vodivosti, tvrdosti a tepelné tolerance. Kartáče z čistého grafitu jsou měkké a samomazné, díky čemuž jsou šetrné k povrchu komutátoru, ale vedou méně proudu než směsi obsahující kov. Elektrografitové kartáčky se vyrábí zahřátím amorfního uhlíku na vysokou teplotu, která změní jeho vnitřní strukturu a zlepší vodivost při zachování relativně měkkého materiálu. Měď-grafitové kartáče přimíchají práškovou měď do uhlíkové matrice, často tvořící někde mezi 40 a 70 procent hmotnost kartáče a toto složení je běžné u nástrojů, které odebírají značný proud, jako jsou vakuové motory a přenosné generátory, protože obsah mědi snižuje elektrický odpor.

Proč tření a oblouk postupně opotřebovávat kartáč

Pokaždé, když čelo kartáče klouže po komutátoru, zažije malé množství mechanického tření a pokaždé, když překročí mezeru mezi dvěma segmenty, zažije malou elektrickou jiskru. Během mnoha hodin provozu se tyto dva efekty spojí tak, že postupně narušují karbonový blok a zkracují jeho délku milimetr po milimetru. Štětec, který začal v 12 milimetrů na délku se může opotřebovat až někam blízko 4 nebo 5 milimetrů po delším používání v často používaném nástroji, kdy pružina již nemůže udržovat správný tlak na komutátor. Teplo hraje také roli, protože trvale vysoký odběr proudu zvyšuje teplotu v místě kontaktu a opakované cykly zahřívání a ochlazování mohou způsobit, že materiál kartáče zkřehne a bude se štěpit, spíše než aby se rovnoměrně opotřebovával.

Rozpoznání, kdy štětec potřebuje vyměnit

Opotřebovaný kartáč má tendenci se ohlásit hrstkou znatelných příznaků, spíše než tiše selhat. Viditelné jiskření kolem větracích otvorů krytu motoru, zápach spáleniny v blízkosti zadního krytu nástroje, motor, který občas ztrácí výkon pod zatížením, a neobvyklé množství černého uhlíkového prachu shromažďujícího se uvnitř krytu jsou běžné indikátory toho, že kontaktní povrch se ztenčil za funkční bod. Mnoho výrobců uvádí minimální použitelnou délku přímo na náhradním kartáčku nebo ji uvádí v servisní dokumentaci k nářadí, často někde kolem 6 milimetrů , pod kterou již tlak pružiny a kontaktní plocha nestačí pro spolehlivý přenos proudu. Kontrola délky kartáče během běžné údržby, zejména u nástrojů používaných denně v dílně, může toto opotřebení zachytit dříve, než dojde k úplnému zastavení motoru.

Opravná matematika

Sada náhradních uhlíkových kartáčů obvykle stojí malý zlomek ceny nového elektrického nářadí a výměna páru opotřebovaných kartáčů je často rozdílem mezi vyřazením nářadí a jeho používáním ještě několik let. Když skromné ​​náklady na díly prodlužují životnost motoru, který by byl jinak vyřazen, odpadá výrobní energie, balení, přeprava a případná zátěž spojená s výrobou náhradního nástroje s relativně malými náklady. To je jeden z důvodů, proč výměna kartáčů zůstává standardní základní opravou vyučovanou v mnoha kurzech údržby zařízení a nástrojů spíše než speciálním úkolem vyhrazeným pro profesionální techniky.

Každodenní nářadí, které závisí na uhlíkových kartáčích

Uhlíkové kartáče se objevují v širokém spektru vybavení domácností a dílen mimo samozřejmé akumulátorové vrtačky. Úhlové brusky, kotoučové pily a přímočaré pily se všechny spoléhají na kartáčované univerzální motory, protože tento typ motoru může dosáhnout vysokých otáček potřebných pro řezání a broušení, přičemž zůstává kompaktní a jeho výroba je levná. Vysavače a kuchyňské mixéry používají menší verze stejné technologie a přenosné generátory, některé stropní ventilátory a starší motory praček také závisí na uspořádání kartáč-komutátor, aby udržely proud tekoucí do rotující kotvy. Automobilové spouštěcí motory jsou dalším běžným příkladem, kde kartáče zvládnou krátký, ale silný nárůst proudu pokaždé, když se motor přetočí.

Přizpůsobení univerzálního kartáče konkrétnímu motoru

Správný výběr univerzálního náhradního kartáče je důležitý jak pro obnovení výkonu nástroje, tak pro zamezení předčasného selhání, které by mohlo poškodit samotný komutátor. Na fyzických rozměrech záleží na začátku procesu výběru, protože délka, šířka a tloušťka uhlíkového bloku musí těsně odpovídat dutině držáku kartáčku; kartáč, který sedí volně, bude o komutátor klepat, spíše než aby udržoval stabilní kontakt. Napětí pružiny potřebuje dostatečnou sílu, aby kartáč pevně usadil, aniž by tlačil tak silně, že by to urychlilo opotřebení měděných segmentů, a univerzální sady obecně zahrnují řadu možností pružin, které vyhovují různým kategoriím nástrojů. Koncovka drátu a styl konektoru musí odpovídat vnitřnímu zapojení nástroje, aby bylo možné kartáč nainstalovat bez úprav, a kartáče určené pro vyšší odběr proudu, jako jsou kartáče ve velkých úhlových bruskách, obecně potřebují vyšší obsah kovu pro adekvátní vodivost, zatímco kartáče s měkčím poměrem grafitu se volí tam, kde je tišší a hladší provoz důležitější než surová proudová kapacita. Při rozhodování hraje roli také materiál komutátoru, protože některé složení kartáčů je šetrnější k měkčím měděným komutátorům, zatímco jiné jsou navrženy pro tvrdší povrchy komutátorů odolnější proti opotřebení, které se vyskytují u motorů průmyslové třídy. Dobře sladěná univerzální sada odpovídá těmto proměnným tím, že nabízí vybranou řadu velikostí a konfigurací, místo aby se spoléhala na jediný obecný tvar, který se hodí pro každý nástroj.