Kartáče a kartáčové držáky stejnosměrných elektrických strojů: účel, materiál, typy a zařízení

U elektromotorů a generátorů je často nutné vytvořit elektrické spojení mezi stacionární a rotující částí zařízení.

V případě statorového (tedy stacionárního) hlavního vinutí elektrického stroje je snadné z něj uspořádat odbočky pro připojení vnějšího stacionárního elektrického systému, ale v případě rotorového (tj. rotujícího) hlavního vinutí se stává nutné uspořádat posuvný elektrický kontakt, protože jinak není k dispozici vinutí rotoru.

Elektrický posuvný kontakt může být realizován dvěma způsoby: buď jako prstencový posuvný kontakt nebo jako kolektorový posuvný kontakt. V obou případech vyžaduje provoz elektrického stroje speciální zařízení - kartáče.

V prvních elektrických strojích byly kartáče balíkem sestaveným z měděných plátů nebo tenkých drátů, podle kterých dostaly své jméno.

Kartáče moderních strojů jsou kostky lisované z uhelných, grafitových nebo měděných prášků a nesplňují proto své jméno, které jim však zůstalo.

Jako nepříliš dobré materiály z hlediska tření se ukázaly měděné, železné a bronzové kartáče, které na konci 19. století odvedly tuto práci velmi dobře. Rychle se opotřebovávají a v nových konstrukcích strojů je nahrazují uhlí a grafit.

V současné době pro stejnosměrné stroje používané téměř výhradně uhlíkové kartáče s příměsí grafitu, nesoucí, v závislosti na procentuálním podílu grafitu a způsobu výroby kartáčů, názvy uhlík-grafit, grafit nebo elektrograf. Pouze pro nízkonapěťové stroje do 30 V se používají kovovo-uhlíkové kartáče, které dávají nižší úbytek napětí v kontaktní (přechodové) vrstvě na kolektoru.

Uhlíkové kartáče jsou vyrobeny z čistého grafitu, retortového uhlíku a sazí v různých poměrech. Uhlí je samomazný materiál, který nepoškozuje povrch, o který se otírá, a rychle se neopotřebovává.

Grafitové kartáče jsou vyrobeny z čistého přírodního grafitu. Grafit se rozdrtí na jemný prášek, který se pak pod velmi vysokým tlakem lisuje na tyčinky požadované velikosti. Uhlí a grafit jsou vynikajícími vodiči elektřiny.

Elektrografitové kartáče Jsou to v podstatě uhlíkové kartáče, ale vystavené vysokým teplotám v elektrické peci, a tak přeměněny na grafit. Tyto kartáče mají velmi dobré brusné vlastnosti.

Uhlíkové kartáče vyrobené z uhlí a mědi rozdrcené na jemný prášek, někdy s přídavkem dalšího drceného kovu (nejčastěji cínu).

Výroba těchto kartáčů probíhá tak, aby kartáč měl co nejlepší vodivost v axiálním směru, kterým prochází pracovní proud stroje, a špatnou vodivost (velký elektrický odpor) v příčném směru, ve kterém přídavné proudy zahrnutých sekcí jsou během komutace uzavřeny.

Elektrické strojní kartáče jsou standardizované. Vyznačují se tvrdostí, přechodným úbytkem napětí v kontaktu a přípustnou proudovou hustotou.

Tato technologie přenosu energie, která je stará více než sto let, je široce používána dodnes. Uhlíkové kartáče lze stále nalézt v mnoha elektromotorech. Počínaje malými motory v hračkách, elektrických kuchyňských spotřebičích, elektrických oknech, holicích strojcích, pračkách, fénech, vysavačích nebo elektrickém nářadí (elektrické vrtačky, úhlové brusky, frézky, kotoučové pily atd.),

Kartáče se také používají ve velkých strojích na stejnosměrný proud v elektrických lokomotivách, ponorkách a generátorech elektráren, stejně jako ve větrných turbínách. V souladu s tím jsou geometrické a elektrické charakteristiky uhlíkových kartáčů různé.

Počet zón (tvořících válcovou plochu sběrače) sestavy kartáčů na sběrači se obvykle rovná počtu pólů stroje. Počet kartáčů v každé zóně závisí na hodnotě proudu a hustotě proudu pod kartáčem přípustné pro daný typ kartáče, ale méně než dva kartáče na zónu lze nalézt pouze u velmi malých strojů, protože s jedním kartáčem na zóně je obtížné zajistit spolehlivost kontaktu kartáče.

Kartáče, které zůstávají ve stejné zóně, se nazývají zónová sada štětců a sada všech zónových sad daného stroje se nazývá kompletní sada štětců.

Koncová plocha kartáčů na straně protilehlé ke kontaktu s kolektorem je obvykle poměděná, někdy pocínovaná. Při malém proudu odebíraném kartáčem poskytuje styčná plocha kartáče s držákem kartáče a tlačnou pružinou dostatečně vyhovující podmínky pro odběr proudu.

Velké kartáče jsou opatřeny uzávěry z měděného plechu, na ně pevně nasazenými, a k nim připevněnými dráty z měkkých ohebných kabelů vhodných průřezů, s hroty pro upevnění pod šroubem k držáku kartáče nebo k části určené k vypouštění kartáčový proud. Víčko kartáče pro lana se nazývá rameno kartáče.

Kartáče jsou drženy v pevné poloze vzhledem ke sběrači držáky kartáčů, jehož design je velmi rozmanitý.

Pokud je elektrický stroj konstruován pro oba směry otáčení, pak se používají radiální držáky kartáčů, které zajišťují umístění kartáče po poloměru sběrače. Na strojích s jedním specifickým směrem otáčení se často používají držáky kartáčů s určitým sklonem kartáče k poloměru.

Držák kartáčů pro stejnosměrné stroje s nízkým a středním výkonem

Velký držák kartáčů pro DC stroj

Jednozónové držáky kartáčů jsou připevněny ke kulatým nebo čtvercovým prstům kartáče nebo k kartáčové svorky… Prsty kartáče nebo svorky z různých oblastí kartáče jsou zesíleny kartáčové podpěry nebo kartáčové pražceod kterého musí být spolehlivě izolovány.

Sudé pražce jsou zase připevněny buď k ložiskům, nebo ke koncovým štítům, nebo ke třmenu, nebo konečně samostatně k základní desce stroje (u dlouhých kolektorů).

Důležitými podmínkami, které musí držák kartáče nebo kartáčová křížová hlava splňovat, je naprostá absence vibrací, dostupnost pro kontrolu a seřizování kartáčů, snadné vyjímání jednotlivých držáků kartáčů pro opravy a možnost současného otáčení celého kartáčového systému pro přesné uchycení do správná komutační poloha při zachování plné soustřednosti držáků kartáčů a sběrače.

Kartáče, držáky kartáčů, prsty (nebo svorky) a traverza (nebo podpěra) tvoří takzvaný sběrač proudu stejnosměrného stroje. Zahrnuje také spojení mezi sadami zónových kartáčů stejné polarity.

Pro odvod proudu jsou kartáčové prsty a svorky zón stejného jména (tj. stejné polarity, kladné nebo záporné) navzájem elektricky spojeny izolovaným drátem odpovídajícího úseku.

Tímto způsobem jsou získány dva úplné nebo částečné sběrné kroužky, které jsou následně připojeny pružnými kabely vhodného průřezu k externím svorkám stroje. Ty jsou upevněny na speciální upínací desce buď ke třmenu nebo k hlavní desce stroje. Svorkovnice krytá ochranným krytem tvoří svorkovnici.

Správná aplikace a výběr kartáče v kombinaci se správnou údržbou vede ke zvýšení výkonu stroje a snížení nákladů na prostoje.

Protože tření způsobené otáčením zařízení způsobuje abrazivní opotřebení, je třeba kartáče pravidelně vyměňovat.Kvůli tomu důvodu, bezkomutátorové motory.