SlovenskoPoruchy komutátorových motorov elektrických náradí
Ložiská, stator, rotor a uhlíkové kefy. Štyri kľúčové súčiastky a k tomu niekoľko skutočných fotiek - aby bolo jasné, čo všetko musí náradie strpieť.
Dáta o poruchách jednotlivých typov elektrických náradí s komutátorovým motorom sa značne líšia. Iné sú pri uhlových brúskach, iné pri kladivách a iné pri skrutkovačoch, ale keď všetky tieto poruchy „nahádžeme“ do jedného vreca, môžeme konštatovať, že polovica pripadá na motor a druhá polovica sú „iné“ poruchy (obr. 1). Medzi takéto patria „nemotorové“ mechanické poruchy (prevodovka, skľučovadlo, kryt náradia a pod.). Najviac porúch pri opravách, kde sa menil náhradný diel, pripadá na rotor a uhlíkové kefy.
Takmer v každom elektrickom náradí napájanom striedavým zdrojom energie nájdeme dnes komutátorové motory a teda aj uhlíkové kefy. Tieto motory sú osvedčené, rokmi vyladené a budú si ešte dlho držať svoju pozíciu. V týchto druhoch náradí sa s uhlíkovými kefami stretnú pravdepodobne ešte aj naši vnuci.
Obr. 1. Štatistika: Percentá počtu menených náhradných dielov náradí s komutátorovým motorom
Výnimkou budú tie náradia, kde sú vysoké nároky na malé rozmery, veľký výkon, schopnosť pracovať v prašnom prostredí a schopnosť odolávať značnému preťaženiu. Typickým príkladom sú (najmä) sieťové uhlové brúsky v strojárskych prevádzkach. Tu si nájdu uplatnenie bezuhlíkové (bezkefové) motory PMSM, avšak tak prudký vzostup týchto motorov, ako to bolo s motormi BLDC v náradiach napájaných z akumulátora, sa neočakáva. V niektorom z ďalších článkov si povieme prečo.
Ložiská
Na poruchách motora sa ložiská podieľajú minimálnou mierou. Podľa našich záznamov pripadá 1,3 ložiska na jedno zo 100 opravovaných náradí. V náradiach sú ložiská samomazné, nepotrebujú údržbu a keď sú kvalitné, majú veľmi dlhú životnosť. Doporučuje sa ich výmena vždy pri výmene rotora.
Neklamným znakom, že s ložiskami niečo nie je v poriadku, je odlišný zvuk motora, do ktorého sa môže prenášať „zvuk trenia“ telesa rotora po jeho obvode s plechmi statora. Aj keď sú poruchy spôsobené ložiskami rotora zriedkavé, občas môžu poškodiť teleso rotora alebo statora.
Obr. 2. Vľavo rotor pre striedavé a vpravo pre jednosmerné napájanie - oba s ložiskami (1)
Obr. 3. Rotor poškodený vôľou v ložiskách (1)
Stator
Jedným z podstatných rozdielov medzi komutátorovými motormi pre striedavé a jednosmerné napájanie je v statore.
Stator pre striedavé napájanie je zostrojený z navzájom odizolovaných statorových plechov a vinutia, stator jednosmerného motora je permanentný magnet (obr. 4). Z pohľadu porúch motora je konštatovanie jednoduché – na statore jednosmerného motora sa nemá čo „pokaziť“, avšak ani stator striedavého motora nemá výrazný podiel na poruchách motora. Percento síce je o nejakú desatinu vyššie ako u ložísk, nepresahuje však 2%. Aby som bol presnejší, nejedná sa o chyby výroby, vymenené statory mali zhorené vinutie následkom preťaženia (obr. 5).
Obr. 4. Statory rozdielnej konštrukcie
Obr. 5. Zhorené vinutie statora
Týmto poruchám sa vieme vyhnúť prácou pri menovitých otáčkach tak, aby sme náradie nepreťažovali alebo preťažovali iba krátko. Výrazne pomôže občasné vyfúkanie od usadených nečistôt pre lepšie prúdenie chladiaceho vzduchu.
Rotor s komutátorom
V tejto kapitole bude reč o ryhách a drážkach (obr. 6). Ryhami nazývame poškodenie povrchu lamiel komutátora v smere jeho otáčania. Izolačné drážky sú priečne drážky medzi dvoma lamelami komutátora.
Keď zanedbáme poruchy ložísk a statora, smelo môžeme tvrdiť, že dve súčiastky – rotor a uhlíkové kefy – tvoria polovicu počtu „súčiastok“, ktoré sa pri opravách náradí vymieňajú (obr. 1). Keďže uhlíkové kefy považujeme u náradí za bežný spotrebný materiál (tak ako pneumatiky u motorového vozidla), sú práve rotory nielen najčastejšou, ale najmä najnákladnejšou súčasťou opráv.
Zaslúžia si preto náležitú pozornosť.
Napríklad farba povrchu komutátora je takmer vždy ovplyvňovaná aktuálnym zaťažením, teplotou, vlhkosťou, tlakom pružiny na uhlíkovú kefu a znečistením, preto sa môže časom meniť. Znamená to, že jej výpovedná hodnota pomerne úzko súvisí s činnosťou motora v niekoľkých posledných hodinách. Veľa nám prezrádzajú aj ďalšie signály, ako je lesk, ryhy a opálené lamely komutátora.
Obr. 6. Ryhy (1) po obvode komutátora a izolačné drážky (2) medzi lamelami
Obr. 7. Ideálny stav komutátora
Motor sa k nám takto prihovára, preto skúsme porozumieť jeho reči. Pozrime sa najprv podrobnejšie, čo nám hovorí farba komutátora.
Dobre zabehnutý komutátor nemá po obvode absolútne žiadne ryhy. Je mierne lesklý, tmavočervenej až medenohnedej farby – pripomína staromeď alebo patinu. Izolačné drážky medzi lamelami sú čisté, bez stôp uhlíkového prachu. Skrátka, komutátor (obr. 7) je v super kondícii.
Komutátor (obr. 8 vľavo) má príliš svetlú farbu – ťahá do „zlatista“. Ak však nemá žiadne ryhy po obvode, svetlý film sa považuje za prijateľný, najmä keď je rovnomerný. Možnými príčinami je práca v suchom prostredí alebo (aj) pri nízkych teplotách. Niekedy je príčinou nízka rýchlosť otáčania, čo je pri náradí veľmi zriedkavý jav – rotor sa totiž otáča (väčšinou) konštantnou rýchlosťou a potrebné výstupné otáčky sa dosahujú prevodmi. A málokto pracuje napríklad so skrutkovačom s dlhodobo zníženými otáčkami prostredníctvom plynulej regulácie otáčok.
Obr. 8. Príliš svetlý a tmavý komutátor
Možnými príčinami príliš tmavej farby komutátora je práca motora vo vlhkom prostredí, naviac je pravdepodobné, že je často preťažovaný (obr. 8 vpravo). Farba je príliš hnedá, čo naznačuje zrejme aj prácu v znečistenom prostredí, následkom čoho je zvýšené trenie. No a následkom zvýšeného trenia je vyššia teplota. Trenie a práca so zvýšenou teplotou s určitosťou vplývajú na predčasné opotrebenie komutátora.
Toľko k farbe. Teraz sa pozrime na mechanické nepravidelnosti na povrchu komutátora.
Obr. 9. Ryhy na povrchu komutátora
Jemné ryhy na povrchu komutátora (obr. 9) sú obvykle spôsobené nízkym alebo nerovnomerným tlakom pružín na uhlíkové kefy, znečisteným chladiacim vzduchom (prácou vo vysoko prašnom prostredí) a prácou vo vlhkom prostredí. S vlhkosťou vzduchu asi ťažko niečo urobíme, ale môžeme skontrolovať tlak pružín uhlíkových kief a častejšie čistiť motorovú časť náradia.
Častým javom na komutátore je vypaľovanie okrajov lamiel (obr. 10). Najpravdepodobnejšou príčinou je nesprávny rádius uhlíkových kief, prípadne žiadny rádius alebo (aj) nesprávna uhlíková kefa. Následkom týchto príčin je časté iskrenie. Iskry sú zjavne viditeľné, žltej až sýto žltej farby a je ich veľa. V takomto prípade je potrebné čo najskôr dať do poriadku komutátor rotora – aspoň prečistiť izolačné drážky lamiel a skontrolovať, či máme vhodné uhlíkové kefy a či je presne zabrúsený ich rádius.
Obr. 10. Vypaľovanie okrajov lamiel
Obr. 11. Hlboká brázda komutátora
Brázda v lamelách po obvode komutátora je spôsobená nevhodnými, veľmi tvrdými uhlíkovými kefami alebo (aj) prílišným prítlakom pružiny uhlíkovej kefy (obr. 11). Táto porucha je veľmi častá - často sa totiž používajú neoriginálne uhlíkové kefy a keď k tomu pridáme ešte prácu v znečistenom prostredí, keď čiastočky prachu v nasávanom vzduchu doslova „pomáhajú“ s brúsením, koniec rotora sa nezadržateľne blíži. Takémuto rotoru už nepomôže ani presústruženie lamiel – boli by príliš nízke a nedostatočná by bola aj izolačná vrstva medzi nimi.
Ako posledný (obr. 12) je pohľad na komutátor, ktorý skončil svoju životnú púť. Prílišné opotrebenie lamiel a tým aj izolačných drážok spôsobili natiahnutie oblúka a zhorelo všetko, čo bolo v ceste. Tento rotor urobil kus dobrej práce, je však už neopraviteľný a musí sa vymeniť.
V prípade, že sa včas zachytia poruchy komutátora, dajú sa opraviť sústružením. Rozhodnutie o takejto oprave je čisto z ekonomického uhla pohľadu. Malé komutátorové motory nie sú až tak drahé, aby sa takáto oprava oplatila.
Obr. 12. Totálne zničený komutátor
Tak či onak, oprava komutátora je už len náprava poškodenia, nie odstránenie jej príčiny. Dôležité je preto najprv nájsť tú pravú príčinu – a tou sú buď nevhodné uhlíkové kefy a (alebo) ich príliš veľký prítlak, prípadne (veľmi zriedkavo) zlomenie uhlíkovej kefy. Je v zásade jedno, či sa rozhodneme pre výmenu alebo opravu komutátora – príčinu musíme identifikovať.
A ešte krátko k hĺbke sústruženia. Na túto tému neexistuje jednoznačná odpoveď a záleží na konkrétnej situácii. V podstate však ide o to, že na komutátore musí zostať dostatok materiálu – meď na lamelách a izolačný materiál medzi lamelami. To je dôležité aj preto, aby pri odstredivej sile, ktorá vznikne pri vysokých otáčkach rotora nedošlo k uvoľneniu lamiel. Motory elektrických náradí sú vysokootáčkové, odstredivá sila je teda značná.
Uhlíkové kefy
Uhlíkové kefy ako spotrebný materiál sú v praxi veľmi podceňované – veď ich výmena nie je žiadny problém. Tak to potom aj vyzerá. Niektorý z ďalších článkov budeme preto venovať tejto téme.
Kľúčové slová: komutátorový motor, uhlíky, rotor, stator, poruchy motora
Zdroje:
Interné technické a školiace materiály spoločnosti HERMAN
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 😊.
Jakub Borsík –
Hlboká brázda komutátora je úplne bežná pri lacných značkách