Uhlíkové kefy I. - Prečo ich potrebujeme a ako ich označujeme

Často sa s nimi stretávame, málokedy im venujeme pozornosť a obvykle o nich nič nevieme. Čo je to? Keď niekde cestujeme s vnúčatami, lepšie nám beží čas, keď hráme hádankovú hru „Čo je to?“. Vymýšľame všeličo, čo nás práve napadne... Najčastejšie sú to ľahké hádanky, ale na uhádnutie tej v hornom riadku sú ešte príliš malé.

Uhlíkové kefy – nesprávne nazývané uhlíky, sú veľmi špecifický produkt, ktorý dnes už berieme ako samozrejmú súčasť elektrických točivých strojov. Niekto ich vymyslel, nespočetnými pokusmi vyladil do dnešného tvaru, vlastností a špecifického určenia. Berieme to ako fakt, tak ako veľa iných vecí v každodennom živote. A na ich výmenu sa pozeráme ako na nutné zlo.

Do popredia sa všade – najmä v elektrickom ručnom náradí – tlačia bezuhlíkové (bezkefové, PMSM, BLAC) motory. Možno si teda poviete, načo nám je niečo vedieť o uhlíkoch. Ale pozor – veľa vody pretečie v Dunaji, kým časť (zdôrazňujem slovo časť) komutátorových motorov bude nahradených bezuhlíkovými motormi. Ostane však ešte veľa aplikácií, kde budú komutátorové motory – a aj uhlíkové kefy – naďalej používané.

Zaslúžia si preto pozornosť a základné znalosti o nich, o ich činnosti a výmene nám môžu ušetriť veľa peňazí. Uhlíková kefa je styčný prvok medzi stacionárnou a rotujúcou časťou motora. Komutátor sa otáča na hriadeli a uhlíková kefa po ňom „jazdí“, aby uzavrela elektrický obvod. Medzi komutátorom a uhlíkovou kefou je klzný kontakt (obr. 1), o ktorom si môžete viac prečítať tu.

Obr. 1. Komutátor (1), klzný kontakt (2) a uhlíková kefa (3)

Klzný kontakt je kľúčovou „drobnosťou“, umožňujúcou previesť elektrický prúd z nepohyblivej časti motora na otáčavú a naopak (pri generátoroch a pod.). Otáčavú časť klzného kontaktu tvorí medený komutátor, druhým partnerom klzného kontaktu je uhlíková kefa - súčiastka oveľa zložitejšia, než by sa na prvý pohľad mohlo zdať.

Uhlíková kefa – prečo sa tak nazýva?

Obr. 2. Motor s medenými kefami

Vysvetlenie hľadajme v histórii. Pôvodne sa totiž privádzal prúd do komutátora prostredníctvom bronzových, najmä však medených drôtikov alebo plieškov (obr. 2.), ktoré sa podobali na kefy. Slovo kefa zostalo dodnes, slovo uhlík sa doplnilo neskôr. Aj v iných jazykoch táto tradícia zostala (angl. carbon brush, nem. Kohlebürste a pod.)

Bronzové alebo medené kefy však mali tendenciu opotrebovávať komutátor a prinášali aj celý rad ďalších problémov. Objavenie grafitu (a najmä jeho vlastností) bolo začiatkom výroby uhlíkových kief tak, ako ich poznáme dnes.

Jedným z mála dokumentov, kde môžeme nájsť základné informácie platné pre uhlíkové kefy komutátorov a klzných krúžkov elektrických strojov, je norma IEC 60276:2018. Okrem iného definuje rozmerové označovanie uhlíkových kief a materiály používané na výrobu tela (telesa) uhlíkovej kefy.

Rozmery uhlíkovej kefy

Uhlíková kefa je geometrické teleso - kváder s tromi rozmermi (obr.3.), nasledujúcimi za sebou v presne stanovenom poradí a sú vyjadrené písmenami:

t x a x r

kde rozmer t (tangenciálny) je kolmý na os stroja v smere dotyčnice komutátora a je šírkou kefy, rozmer a (axiálny) má smer osy stroja a je dĺžkou kefy a konečne rozmer r (radiálny) je výškou kefy.

Udáva sa v milimetroch, takže napríklad uhlíková kefa s rozmermi 6 x 10 x 15 mm má šírku t = 6mm, dĺžku a = 10mm a výšku r = 15mm.

Obr. 3. Rozmery uhlíkovej kefy podľa IEC 60276:2018

Dotyková plocha uhlíkovej kefy

Kefa sa plochou (t xa) dotýka komutátora a nazýva sa dotykovou (kontaktnou) plochou.

Pozor! Udáva sa v cm² !

Zdôraznil som to preto, lebo jedným z kľúčových parametrov uhlíkovej kefy je hustota činného prúdu. Ide o prúd pretekajúci uhlíkom v smere r a tento parameter je udávaný v A/cm² (ampér na štvorcový centimeter).

Uhlíková kefa šírky t = 6mm a dĺžky a = 10mm má teda kontaktnú plochu 6x10 = 60mm², čiže 0,6 cm². Pri uhlíkových kefách pre komutátory býva (takmer vždy) menším z rozmerov dotykovej plochy rozmer t (šírka kefy) a väčším rozmer a (dĺžka kefy).

Materiály na výrobu uhlíkových kief

Vstupné suroviny, ich vzájomný pomer, rôzne prísady a rôzne technologické postupy umožňujú výrobu celej škály uhlíkových kief s rôznymi vlastnosťami – a práve tieto rôzne vlastnosti zohrávajú kľúčovú úlohu. Musia byť prispôsobené nielen požiadavkám motora alebo generátora, ale aj prevádzkovému prostrediu. Medzi hlavné materiály používané na výrobu uhlíkových kief patria:

Elektrografit (EG / Electro-Graphite, electrographitic) pozostáva z rôznych foriem amorfného uhlíka, ktorý sa mení počas výrobného procesu na syntetický (umelý) grafit. Je elektricky aj tepelne dobre vodivý. Kombináciami vstupných materiálov je možné vyrobiť aj robustné, mechanicky veľmi odolné uhlíkové kefy. Môžu sa použiť prakticky vo všetkých druhoch elektrických strojov a často sa vyrábajú pre veľké elektrické motory a generátory.

Kovografit (MG / Metal-Graphite, metallographitic) je zmes práškových kovov a grafitu, lisovaných a následne vypaľovaných pri vhodnej teplote. Podľa obsahu grafitu prevládajú mazacie vlastnosti alebo vodivosť. Kontaktný a vnútorný odpor majú veľmi malý, preto sa požívajú najmä v motoroch, ktoré majú veľké nároky na zaťaženie uhlíkových kief a malé nároky na komutáciu – teda motory pracujúce s malým napätím. Typickým uplatnením sú motory pre autopríslušenstvo.

Uhlografit (CG / Carbon-Graphite, carbographitic) je zmesou amorfného uhlíka a grafitu, aglomerovaného spojivom (živicou). Je formovaný lisovaním a vypálením pri vhodnej teplote na zuhoľnatenie spojiva. Má veľký kontaktný a vnútorný odpor a tým aj dobré komutačné vlastnosti, ktoré ich predurčujú pre použitie v motoroch s vysokými komutačnými nárokmi – napríklad pre elektrické ručné náradia s univerzálnym motorom a pre motory v domácich spotrebičoch. Nevýhodou veľkého kontaktného odporu sú vysoké straty, výrazne teda klesá účinnosť motorov.

Bakelitografit (BG / Bakelite-Graphite, resin bonded). Receptúra pre bakelitografitové kefy je kombináciou práškového uhlíka a/alebo grafitu spojeného so živicou (syntetickou alebo prírodnou), polymerizované pri vhodnej teplote. Kefy triedy BG majú veľmi veľký kontaktný a vnútorný odpor – sú teda pravým opakom kovografitových kief. Avšak tieto vlastnosti, podobne ako vlastnosti uhlografitových kief, ich predurčujú pre použitie v elektrických ručných náradiach s univerzálnym motorom a pre motory v domácich spotrebičoch. Nevýhodou sú vysoké tepelné straty a pri príliš vysokých teplotách hrozí vytavenie spojovacej živice.

Iba kvôli zaujímavosti si povieme niekoľko slov aj o prírodnom grafite (NG / Natural-Graphite). Materiálom je vyťažená tuha a nazýva sa aj mäkký grafit. Vlastnosti sú závislé od jeho pôvodu – teda od miesta, kde sa ťaží. Podľa obsahu a druhu popola a rôznych nečistôt vznikajú zmesi, kde niektoré majú väčšie mazacie schopnosti a menšie leštiace schopnosti a niekde je to naopak. Kľúčovou vlastnosťou je však značná pružnosť a umožňuje ich použitie aj pri veľmi vysokých rýchlostiach (až 80m/s), napríklad na oceľových krúžkoch turbogenerátorov. Vhodné sú aj pre stroje pracujúce v agresívnom prostredí.

Veľmi často sa stretávame s tým, že uhlíkové kefy sú veľmi biedne označené a niekedy nie sú označené vôbec. Keď však nájdete na uhlíkovej kefe dvojpísmenný kód EG, MG, CG, BG alebo NG, budete vedieť aspoň to, z akého materiálu sú vyrobené.

Záver

Nie náhodou sa v tomto článku spomínajú dve dôležité veci – normatívne značenie rozmerov uhlíkových kief a materiály, z ktorých sa vyrábajú. Chceme tým naznačiť, že nestačí mať uhlíkovú kefu, ktorá nám „pasuje“. Kľúčové je použiť uhlíkové kefy so správnymi vlastnosťami pre konkrétny motor. Je nutné zdôrazniť, že v rámci spomínaných hlavných materiálov, z ktorých sa uhlíky vyrábajú, je celá škála ich rôznych typov. Každý z materiálov je v princípe zmes surovín s prísadami a ich kombináciou môže vznikať nespočetné množstvo výsledných produktov.

V motoroch elektrických ručných náradí sú používané najmä uhlografitové kefy. Čo všetko na ich životnosť vplýva, ktoré z týchto vplyvov sú v našich rukách a ktoré nie - to je témou článku Uhlíkové kefy II.

Ešte pomôcka pre tých, ktorí potrebujú vedieť viac.

Norma IEC 60276:2018, použitá v tomto článku ako zdroj, sa vzťahuje na uhlíkové kefy pre elektrické stroje. O normalizovaných rozmeroch uhlíkových kief a držiakoch kief viac uvádza norma IEC 60136 a o skúšobných metódach a prístrojoch na meranie prevádzkových vlastností kief sa dozviete v norme IEC 60773.

Kľúčové slová: uhlíky, klzný kontakt, komutátorové motory, univerzálne motory, opravy elektrických náradí

Zdroje:
Interné technické a školiace materiály spoločnosti HERMAN
Norma IEC 60276:2018
Ing. Luboš Kotnauer: Uhlíkové kartáče – černá magie kouzel zbavená (Časopis Elektrotechnik 1982)
https://antiquefanparts.com/1897-edison-paris-bipolar-electric-fan/

Ing. Herman Nagypál

Vyštudoval som vojenskú školu, odbor letecká elektrotechnika. S náradím a nástrojmi som sa naučil pracovať už v detstve s otcom na stavbe rodinného domu. Každý náš nový produkt testujem aj osobne - vlastnými rukami vo svojej dobre vybavenej dielni. Vo voľnom čase sa rád preháňam na motorke po rumunských horských priesmykoch. Okrem toho študujem trendy v odbore a rád si vyskúšam aj konkurenčné produkty. Nad niektorými sa pousmejem, nad niektorými sa čudujem (že sa niekto dal nachytať a kúpil to) a niektoré sú fakt dobré. Skoro ako naše 😊.