Atex-Products.no

 

KULLBØRSTE TEORI

• Denne informasjonen er hentet fra Coates Elektromotor AS.
• En god forklaring vedr. kullbørste og teorien rundt det.

• KULLBØRSTE DRIFTER

En viktig komponent i de fleste elektriske maskiner.

Overføring av elektrisitet over glidekontakter brukes i et utall av elektriske maskiner. Det vi kjenner best til,
og som vi ser oftest, er børster som overfører strøm til motorer og strøm fra generatorer.  Men de brukes
også i små fintfølende og nøyaktige måle instrumenter og i roterende omformere.

Børster brukes også ved overføring av kraft og signaler, via sleperinger til maskiner som må kunne rotere fritt, 
f.eks. store kai - og byggekraner. Alle slike forskjellige bruksområder krever børster med forskjellig egenskaper.

I elektrisitetens barndom var ikke kull børster kjent.  I stedet hadde en bunter med tynn kobbertråd som så ut
omtrent som en barberkost, eller en liten børste. Det er denne typen børste som har gitt dagens tilsvarende
komponent sitt navn. Da man for over 60 år siden begynte å eksperimentere med børster i naturlig grafitt, hadde
det først i sin bakgrunn i grafittens smørende egenskaper. Grafitt har lenge vært brukt som et smøremiddel i
fast form, i motsetning til flytende smøremiddel. I tilegg har grafitt evnen til å overføre elektrisk strøm. I dagens
børster finner vi forskjellige former av grunnstoffet karbon som grafitt og kull. Vi har også metallholdige børster.
De har tilsetninger av kobber eller sølv.

Karbon har en rekke egenskaper som gjør det godt egnet til elektrisk kontakt materiale: 

• God ledningsevne.
• Svært god varmeledningsevne, beholder sin form til over 3000°C
• Børstematerialet er elastisk, og kan "fjære" v/ujevnheter.
• Børstematerialet er porøst, og tillater luft å sirkulere.

• OPTIMAL DRIFT AV BØRSTER
  

I de aller fleste tilfeller gir børstedrifter få problemer:

• Liten kullslitasje.
• God kontakt uten gnisting.

Kommutator eller ringer skal ha pen overflate uten striper eller furer. Maskinfabrikantene har beregnet riktig
kullkvalitet, og når tiden har kommet for å kjøpe nye børster, skal en bare oppgi tidligere benyttet kvalitet
som er stemplet inn i alle børster.

Dersom de ny børstene blir montert riktig, kan en regne med nye problemfrie driftsår.

Overflaten på en kommutator skal helst ha et utseende som som figur 1 illustrerer.

Det skal ikke være brennmerker, striper eller furer (fig.2).

Den mørke fargen på kommutatoren "Patina" skal være jevn rundt hele omkretsen. 

Børsteslitasjen vil normalt vil normalt ligge på 1-2 mm./md. ved kontinuerlig drift. Dersom utseende på
kommutator avviker fra beskrivelsen over, eller -børste forbruket er større enn anslått bør vi
(Coates el.motor) kontaktes for hjelp. Firmaet bak denne avhandling har et stort elektro-verksted, og ekspertise
til å avhjelpe børsteproblemer.

• PATINA

Patina er et viktig begrep ved børstedrifter, og må forklares nærmere:

Når en kommutator- eller sleperingsoverflate blir polert av en kullbørste, får den en "hud" eller et
belegg som kaller patina.  Dette belegget, (patinaen), består av flere forskjellige lag (fig.3).
I bunnen er det lag med kobberoksider.  Oppå dette ligger et lag med børstemateriale i form av
grafitt.  For å få elektrisk kontakt mellom de enkelte kontaktpunkter og kommutatoren, må det være
direkte kontakt mellom kontakt punkter og rått kobber. På grunn av patinaen er det bare
rundt 1/10 av de mekaniske kontaktpunktene som er elektrisk ledende.  Rundt kontaktpunktene
er det relativt "store" områder som er i nestenkontakt.  Med nesten kontakt mener vi en en avstand
på 0,00001 mm.

(Artikkelen fortsetter under dissebildene)
 

 

 

 

 

 

 

 

 

Når kommutatoren roterer er nestenkontakt tilstrekkelig avstand til at en tynn luftfilm blir trukket inn
mellom børsten og kommutatoren.  Denne luftfilmen virker nærmest som en slags flytende smøring. 
Løse karbon og askepartikler blir trukket med denne luftfilmen inn mellom børste og kommutatoren.
Det meste av disse partiklene blir med luftfilmen ut igjen, men noe av det er også med på å danne
patinaen. Patinaen på en kommutator eller slepering spiller altså en meget viktig rolle for hvordan børsten
oppfører seg. Patinaen er ikke statisk, men dynamisk i den forstand at den forandrer seg under påvirkning
av de faktorer som bygger den opp, og de som får den til bryte sammen. Det kontinuerlige samspillet
mellom de faktorene gjør at vi kan snakke om en normal patina under normale driftsforhold. Den normale patina
skal vanligvis ha en jevn og lys sjokoladebrun farge. Dersom noen av disse faktorene endrer seg, enten
som følge av feil i maskinen eller endrede drifts betingelser, vil det gjenspeile seg i forandringer i patinaen.
Den kan bli gjennombrutt, slik at vi får spor og striper med rått kobber,eller den kan endre farge til mørkere
brunt og over i mørkt blått og fiolett.

Den kan også bli mønstret på forskjellige måter. Alle slik forandringer er indikasjoner på feiltilstander.

Følgen av lav fuktighet er stor børsteslitasje og dårlig strømoverføring.stiger den til 3 ganger den verdi.

• STRØMTETTHET/BELASTNING

Vær nøye med strømmen!

I forrige avsnitt under fuktighet, ble det forklart at børsten skulle ri på en kappe av vann og luftmolekyler.
Når en her snakker om vann, er dette i dampform.  Det vil være nødvendig med en viss temperatur
på børsten for å få til en slik fordamping.  Dersom en måler temperaturen direkte på kullet skal denne ideelt
sett være 80°C. Temperaturen i børstekontaktlaten vil da være mye høyere, ogi stand til å fordampe fuktighet.
(Se Fig.4)
Temperaturen er avhengig av den strømstyrken børsten overfører, og dersom belastningen er for lav vil en
ikke oppnå ideell temperatur. Ved 80°C ca. 10 A/cm² er friksjonskoeffisienten 0,1 men ved 40°C (ca. 5 A/cm²)

(Artikkelen fortsetter under dissebildene)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

La oss se hva som hender med en likestrømsmaskin der strømtettheten ved børsten er for lav:

Etter en driftsperiode er det ikke unormalt at en slik kommutator blir ripet.  Det begynner som regel med
at det oppstår lyse eller blanke tangensielle bånd i kommutatoren.Etter hvert ser man enkelte riper eller
furer i disse båndene.  Hva har skjedd? Jo, ved den lave strømtettheten har temperaturen i børstekontaktflaten
vært for lav. Når temperaturen er for lav fordamper ikke fuktigheten i børstematerialet og den "elektriske
smøringen" uteblir.  I stedet får man en mekanisk kontakt mellom børste og kommutator. Dermed bygges d
et opp et belegg som strømmen har vanskelig for å bryte gjennom.  Strømmen søker seg da til de stedene
der det for tilfellet er lettest å bryte igjennom, og det er nettopp her en får lyse eller bare tangensielle
bånd på kommutatoren.  Om belastningen er jevn, kan man med fordel minske antall børster og på den måten
heve strømtettheten.  Ved reduksjon av antall børster skal man løfte dem ut fra hele baner og ikke sakse
dem ut over kommutatorens hele overflate.

En kan også benytte spesialbørster som egner seg til drift ved lav belastning. Kontakt oss (Coates el.motor)
for forslag!. En annen mulig feilkilde kan være for kald kjøleluft til maskinen (ved fremmedkjøling).  Dersom
dette er uteluft kan det være nødvendig med forvarming på vinteren.  Kjøleluften bør ligge på 15-20°C.

• GASS/KJEMISKE FORSTYRRELSER

En annen vanlig årsak til riping av kommutatoren er at den arbeider I Korrosiv atmosfære.  De farligste
gassene i forbindelse med dette får en fra svovel, klor,ammoniakk. Spesielt ved lav strømtetthet vil
svovel og ammoniakk bygge opp en isolerende film på kommutatoren og vi vil få de samme problemene vi har
beskrevet ved lavlast.  Klor reagerer kjemisk med kobberet i kommutatoren og danner skorper av kobberklorid.
Under drift faller disse skorpene av og legger seg som et lysegrønt pulver på bunnen av kommutator dekselet.

I slike tilfeller bør en ta kontakt med oss (Coates el.motor) for vurdering av problemet.

• OLJE 

Olje i forbindelse med kullbørster kan skape store problemer.  Ofte inneholder kjøluften oljedamp som
legger seg som en isolerende film på kommutatoren.  På enkelte steder slår strømmen igjennom,
og på disse stedene dannes det riper og furer.  I slike tilfeller må det monteres filter på kjøleluften,
eller ventilasjonen må legges om.

• BØRSTETRYKK

Børstetrykket har stor betydning for hvordan børsten fungerer. Dette blir ofte neglisjert med resulterende
mekanisk og elektrisk slitasje av børstene.  Børstetrykket er angitt i tabellen under, og bør kontrolleres jevnlig
med fjærvekt. Mye støv i og rundt børsteholderen kan føre til at børsten glir tregere og børstetrykket nedsettes.
Har en ikke anledning til jevnlig renhold, bør børstene mosjoneres jevnlig, dvs. bevege børsten i børsteholderen
ved å trekke i børsteledningene.  Vi (Coates el.motor) kan levere spesielle fjærvekter til kontroll av børstetrykk.

• FUKTIGHET

Tilstrekkelig fuktighet er viktig for en børstedrift.

En børste som fungerer bra skal, bortsett fra kontaktpunktene, ikke ha noen mekanisk kontakt med
kommutatorens patina. Den skal nærmest "ri" på en kappe av vann- og luftmolekyler. Som vi har forklart
i avsnittet om patina overføres strømmen i et antall kontaktpunkter som hele tiden beveger seg raskt
over hele børstekontaktoverflaten. En betingelse for god glidekontakt er at en har tilstrekkelig fuktighet
i omgivelsene til maskinen. Den laveste luftfuktighet en normal børste fungerer rimelig bra ved er 3-4 gr.
vann/m³.  Eller uttrykt i relativ fuktighet, 20% ved 20°C. Ved for lav fuktighet, noe som bl.a.kan
forekomme i norske fjellområder vinterstid, kan enten benytte spesialimpregnerte børster eller kunstig
luftfukting.

(Artikkelen fortsetter under disse bildene) 

	s totalt    S mekanisk   S elektrisk
Børstetrykk Børsteslitasje som funksjon av børstetrykk består av en elektrisk og en mekanisk komponet.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Anbefalt børstetrykk Maskin  -  Trykk  N/Cm2 Likestrømsmaskiner  2,0-3,0 Sleperingsmaskiner 1,5-2,5 Kjøretøysmotorer 3,0-4,0 Kran- og møllemotorer 4,5-6,0 Sporveismotorer 3,5-5,0

 

 

 

 

 

 

 

• DREIING, SLIPING OG SPORING AV KOMMUTATOR

For å få en god kommutering og en bra glidekontakt på kommutatorer og sleperinger må disse
ha fått en riktig behandling. I forbindelse med overhaling av en maskin skal det foretas en
dreiing med toleranse på max 0,04 (ovalitet).  Fra en lamell til en annen skal det være en maksimal
høydeforskjell på 4/1000 mm. Vårt (Coates el.motor)el-verksted har utstyr som måler urundhet
og gir en utskrift av resultatene. Dette gjøres uten å demontere maskinen.  Dette kan være en
fornuftig ting å gjøre når en vurderer å overhale en maskin. Etter dreiing skal kommutatoren
spores, dvs. glimmeret skal freses ned til et dyp av 0,7-1,2mm. NB: Alt glimmer må fjernes fra
lamellkanten.  Lamellkanten skal brytes etter dreiing.

• NØDVENDIG VEDLIKEHOLD PÅ EN BØRSTEMASKIN

Børstemaskiner krever noe ekstra oppmerksomhet i forhold til kortslutningsmotor.

I en maskin vil det samle seg støv fra børstene på alle overflater.Mengden av støv øker naturlig nok
med børsteforbruket.  En skal være klar over at børstestøv er elektrisk ledende, og kan gi store skader
ved overslag mellom strømførende deler eller til jord.  Det er derfor viktig at en med jevne mellomrom
fjerner mest mulig støv med trykk luft og støvsuging.  Noe støv vil imidlertid samle seg i viklingene
på stator og rotor, og dette kan kun fjernes ved en overhaling av maskinen på et elektroverksted.
Da blir maskinen demontert, vasket og tørket.  I de fleste tilfellene blir også viklingene lakk impregnert
på nytt, noe som vil redusere muligheten for overslag vesentlig.  Kommutatoren som er et annet kritisk
punkt vil også bli dreiet og kontrollert.  Etter montering med nye børster som slipes inn og nye kule- eller
rullelager skal motoren prøvekjøres. Det beste vil være en såkalt fullastprøve der motoren spennes fat i
en benk, og testes mot sine merkeverdier.  Det gir garanti for at motoren vil fungere som forventet når
den igjen er montert i maskinen.

• MONTERING AV NYE KULLBØRSTER

Ved bytte av slitte børster er deten fordel å bytte enkeltbørster fremfor et helt sett. Om enkeltbørster byttes,
bør en nemlig ikke gjøre noen tilsliping. Man kan bytte opp til 25% av totale antall børster og maksimalt 50% av
børstene på samme børstearm uten tilsliping. Byttes større antall børster, og særlig hvis tykkelsen (t) er større
enn 6 mm., skal de alltid slipes til. Dette gjøres med en remse sandpapir som har litt større bredde enn børsten.
Med slipesiden mot børstene skal en tre papiret mellom kommutatoren og børsten og dreie ankeret frem og tilbake.
Dette gjøres helt til enden av børsten har fått samme form som kommutatoren. Operasjonen gjentas for alle børstene,
og utføres under normalt børstetrykk. Særlig metallholdige sleperingsbørster kan være tidkrevende å slipe inn.
Det er fornuftig å bestille børster med tilslipt radius. Da kreves kun en kort tilsliping imaskinen ved montering.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

• COATES har et av landets største spesialverksteder for elektriske maskiner, og kan gi forhåndspris 
  på en komplett overhaling.  De kan også foreta omvikling og andre reperasjoner på din maskin.
• Hjemmesiden til Coates elektromotor:  Coates elektromotor

< Forrige