44 ELEKTRO 1/2014 téma Elektrotechnologie a elektromateriály; Nářadí a ochranné pomůcky; Elektrospotřebiče První série ručního nářadí s inovovaným kluzným kontaktem Úvod ÚVEE FEKT VUT v Brně, dříve Kated-ra elektrických strojů a přístrojů, spolupracu-je s firmou Narex dlouhodobě, v podstatě od roku 1970. V počátcích této spolupráce se po-zornost soustředila na výpočet transformační-ho napětí vyráběných strojů. V 90. letech tě-žiště spolupráce spočívalo ve zlepšení EMC strojů. Speciálně k těmto účelům byl vyvinut inovovaný kartáč typu K2LAlL. V případě dobrých mechanických vlastností motoru se podařilo splnit požadavky normy CISPR 14 i bez použití odrušovacích prvků.V návaznosti na snahu o zlepšování pro-vozních vlastností doposud vyráběných úhlo-vých brusek ze strany firmy Narex a možnosti provést kvalitativní změny kluzných kontak-tů se po roce 2000 pozornost orientovala na zpřesnění výpočtu strojů a zlepšení provoz-ních vlastností motorů použitím inovované-ho kluzného kontaktu. Inovace spočívala ne-jen v použití teflonu na kartáče a držáky kar-táčů, ale i navržení nové koncepce sběracího ústrojí s tzv. pomocným kartáčem.Podstata inovovaného kluzného kontaktu Film, který se utvoří na povrchu komutá-toru, je velmi podstatnou součástí přechodo-vého odporu mezi kartáčem a komutátorem a má velký vliv na komutaci. U původně používaného třecího uzlu záviselo složení a vznik filmu na komutátoru především na pracovních podmínkách a složení okolní atmosféry. Nej-větší vliv na vlastnosti filmu měly tvořící se oxidy a též nanesený grafit. V některých pří-padech byl grafit vetřen do nerovného povrchu komutátoru, jindy se dostal do filmu elektro-lytickým pochodem pod kartáči.Okysličení povrchu komutátoru do určité-ho stupně zlepšuje komutaci a zmírňuje tře-ní. Škodlivé je teprve přílišné okysličování až do úrovně leptání nebo vyleptání komutátoru. V původních podmínkách vyžadovalo vytvo-ření filmu mnoho času – několik dnů až týd-nů, což záviselo na pracovních podmínkách, neboť film se tvoří jen při dostatečných hus-totách proudu. To se vysvětluje tím, že velký součinitel tření některých druhů elektrogra-fitových kartáčů se při nízkých teplotách povrchu komutátoru náhle zmenší vlivem zvý-šení teploty na povrchu komutátoru. V klasic-ké teorii se předpokládá, že film se v podstatě tvoří chemickými a elektromechanickými po-chody (obr. 1).Na čisté mědi se na vzduchu vždy tvo-ří okysličený povlak. Při teplotě místnosti se tloušťka povlaku postupně zvětšuje, film zůstá-vá průhledný a téměř bezbarvý. Při soustruže-ní, což je jedna z konečných operací výroby komutátoru, se měď zahřívá. Protože se měď při vysokých teplotách rychle okysličuje, při obrábění komutátoru vzniká mnohem tlust-ší okysličená vrstva než při normální teplotě. Tloušťka povlaku se ještě zvětšuje dlouhodo-bým během při zabrušování kartáčů. Běžně je součinitel tření mezi nezabroušenými kartá-či a mědí dosti velký. Kartáče se zabrušují při menším zatížení a postupně tvoří zrcadlovou dosedací plochu. Tloušťka okysličeného povla-ku komutátoru se během zaběhávání kartáčů zvětšuje. Jsou-li kartáče zvoleny správně, stroj nemá konstrukční vady, a jsou-li dobré pracov-ní podmínky, dostává film lesk a zbarvuje se. Tření mezi kartáči a povrchem komutátoru se postupně zmenšuje.Vytváření filmu na komutátoru pomo-cí elektricky zatížených kartáčů je poměrně složitý dynamický proces, nikterak jednodu-chý. Teplota uvolňující se v přechodové vrs-tvě mezi kartáčem a komutátorem nevzni-ká pouze třením, nýbrž i ztrátami elektrické energie v této vrstvě.Při běžných podmínkách se aktivní složky převádějící proud elektronů neustále střídají. Nepřetržitě se měnící charakter filmu je vý-slednicí ještě mnoha jiných proměnných či-nitelů, např. vlastností kartáčů:– stavu zrcadlové plochy kartáče,– úhlu sklonu kartáče,– tlaku pružin držáku kartáče,– velikosti dosedací plochy kartáče,– pracovní teploty prostředí, teploty komu-tátoru,– čistoty chladicího vzduchu.Všechny tyto vlastnosti mají podstatný vliv na tloušťku a vlastnosti filmu. Klasický film má dynamickou, nepřetržitě se mění-cí strukturu. Sebenepatrnější změna provoz-ních podmínek může během několika hodin podstatně změnit vlastnosti filmu. Zvyšování teploty urychluje tvorbu filmu. Vliv teploty na film může být vysvětlen také vzájemnou zá-vislostí teploty a součinitele tření.Kvalitativní změnu v povaze a vytváře-ní filmu přineslo použití teflonu do struktu-ry kartáče a na vnitřní plochy držáků kartá-čů. Film se strukturálně změnil, jak je patrné z obr. 2 a obr. 3.Teflon je izolant, látka tvárná, teplotně velmi stabilní a hygroskopická. Proto zapl-ní převážnou většinu prohlubní, ze kterých vytěsní prachové částice a vodu. Na zbý-vajícím aktivním povrchu se výrazně ome-zí bezprostřední kontakt základního materi-álu lamely, popř. kroužku, s vodním povla-kem a se vzduchem. Po delší době provozu se zmenší tloušťka vrstvy oxidů na vnějším povrchu lamely.Použití teflonu na vnitřní prostor držáku kartáčů přispívá ke zmenšení vůle mezi kar-táčem a držákem kartáče a k lepšímu silové-mu využití přítlačných pružin. To se v koneč-ném důsledku projeví např. rozšířením zóny kontaktního vedení proudu (obr. 4), lepší sta-bilitou struktury filmu, omezením vlivu pro-vozních podmínek na kvalitu filmu a omeze-ním vlivu teploty na kvalitu a stabilitu filmu.Rovněž se zmenšuje součinitel tření. doc. Ing. František Veselka, CSc., ÚVEE FEKT VUT v Brně, Ing. Viktor Vrabec, Narex, s. r. o.Obr. 1. Znázornění klasické struktury filmu na komutátoru 1 – volné částice zaplňující všechny nerovnosti po-vrchu komutátoru, 2 – grafitový film, 3 – oxidační film, 4 – teflon, A – kartáč, B – měď komutátoru (popis platí také pro obr. 2 a obr. 3)A 1 2 3 B A 1 2 3 4 B Obr. 3. Struktura filmu vytvářeného inovo-vanými kartáči v provedení sT po delší době provozu stroje A 1 2 3 4 B Obr. 2. Struktura filmu vytvářeného inovova-nými kartáči v provedení sT krátce po použití inovovaných kartáčů