Wat doen koolborstels?

De kernfunctie van een koolborstel

A koolborstel voert elektrische stroom van de stationaire bedrading in een elektrisch gereedschap naar de roterende commutator of sleepring die op de motoras is gemonteerd, en doet dit terwijl de as op snelheid draait. Zonder dit sleepcontact zou de stroom de draaiende ankerwikkelingen niet kunnen bereiken, waardoor de motor eenvoudigweg niet zou draaien. De borstel wordt door een kleine veer tegen de commutator gedrukt en terwijl de as draait, glijdt het borstelvlak over een reeks koperen segmenten, waarbij elk kort contact maakt en vervolgens loslaat wanneer het volgende segment zijn plaats inneemt. Deze constante schakeling zorgt ervoor dat het magnetische veld in de motor op de juiste momenten kan omkeren, wat het basisprincipe is dat ervoor zorgt dat de motor goed blijft werken gelijkstroommotor in één richting draaien in plaats van vastlopen.

Hoe het glijdende contact het circuit gesloten houdt

In een universele motor is de commutator verdeeld in een aantal geïsoleerde koperen segmenten, en elk segment is verbonden met een andere set wikkelingen in het anker. Terwijl de borstel van het ene segment naar het volgende glijdt, overbrugt hij tijdelijk twee segmenten tegelijk, wat het punt is waarop een kleine vonk, bekend als commutatieboogvorming, kan verschijnen. Een borstelveer oefent doorgaans een contactkracht uit in het bereik van 150 tot 300 gram , voldoende om een stabiele verbinding te behouden zonder zo hard te drukken dat wrijving het commutatoroppervlak ongelijkmatig verslijt. Als de veerkracht afneemt omdat een veer verzwakt is of de borstel korter is afgesleten dan de houder toestaat, wordt het contact onderbroken en kan de motor ongelijkmatig lopen of kracht verliezen onder belasting.

Waarom in veel kleine motoren twee borstels worden gebruikt

Veel draagbare elektrische gereedschappen gebruiken een paar borstels die tegenover elkaar op de commutator zijn geplaatst, waarbij de ene stroom naar binnen voert en de andere deze weer naar buiten voert. Deze opstelling balanceert de mechanische druk op de as en verspreidt de slijtage, zodat een enkel contactpunt niet al het werk doet. Bij gereedschappen die een hogere stroom trekken, zoals haakse slijpers of cirkelzagen, worden de borstels vaak breder gemaakt of een groter contactvlak gegeven om de extra belasting aan te kunnen zonder oververhitting.

Materialen achter de koolborstelconstructie

Koolborstels zijn niet gemaakt uit één uniforme substantie; de term omvat een reeks op koolstof gebaseerde samenstellingen die zijn ontworpen voor verschillende combinaties van geleidbaarheid, hardheid en hittetolerantie. Zuivere grafietborstels zijn zacht en zelfsmerend, waardoor ze zacht zijn voor het commutatoroppervlak, maar ze voeren minder stroom door dan mengsels die metaal bevatten. Elektrografietborstels worden geproduceerd door amorfe koolstof tot een hoge temperatuur te verwarmen, waardoor de interne structuur verandert en de geleidbaarheid verbetert, terwijl het materiaal relatief zacht blijft. Koper-grafietborstels mengen koperpoeder in de koolstofmatrix, vaak ergens daartussenin 40 en 70 procent van de borstel op gewichtsbasis, en deze samenstelling is gebruikelijk bij gereedschappen die aanzienlijke stroom verbruiken, zoals vacuümmotoren en draagbare generatoren, omdat het kopergehalte de elektrische weerstand verlaagt.

Waarom wrijving en boogvorming de borstel geleidelijk verslijten

Elke keer dat het borstelvlak over de commutator glijdt, ondervindt het een kleine hoeveelheid mechanische wrijving, en elke keer dat het de opening tussen twee segmenten overschrijdt, ervaart het een kleine elektrische vonk. Gedurende vele bedrijfsuren zorgen deze twee effecten ervoor dat het koolstofblok geleidelijk wordt erodeerd, waardoor de lengte millimeter voor millimeter wordt ingekort. Een penseel dat begon bij 12 millimeter in lengte kan verslijten tot ergens in de buurt 4 of 5 millimeter na langdurig gebruik in een vaak gebruikt gereedschap, op welk punt de veer niet langer de juiste druk tegen de commutator kan handhaven. Warmte speelt ook een rol, omdat een aanhoudend hoog stroomverbruik de temperatuur op het contactpunt doet stijgen, en herhaalde verwarmings- en koelcycli ervoor kunnen zorgen dat het borstelmateriaal broos wordt en afbladdert in plaats van gelijkmatig te slijten.

Herkennen wanneer een borstel vervangen moet worden

Een versleten borstel heeft de neiging zichzelf aan te kondigen via een handvol opvallende symptomen, in plaats van stil te falen. Zichtbare vonken rond de ventilatieopeningen van de motorbehuizing, een brandlucht bij de achterkap van het gereedschap, een motor die af en toe kracht verliest onder belasting, en ongebruikelijke hoeveelheden zwart koolstofstof dat zich in de behuizing verzamelt, zijn algemene indicatoren dat het contactoppervlak voorbij een werkbaar punt is uitgedund. Veel fabrikanten markeren een minimale bruikbare lengte rechtstreeks op de vervangende borstel of specificeren deze in de servicedocumentatie van het gereedschap, vaak ergens in de buurt 6 millimeter , waaronder de veerdruk en het contactoppervlak niet langer voldoende zijn voor een betrouwbare stroomoverdracht. Het controleren van de borstellengte tijdens routineonderhoud, vooral bij gereedschap dat dagelijks in een werkplaats wordt gebruikt, kan deze slijtage opvangen voordat de motor volledig afslaat.

De reparatiewiskunde

Een vervangende koolborstelset kost doorgaans een klein deel van een nieuw elektrisch gereedschap, en het vervangen van een paar versleten borstels is vaak het verschil tussen het buiten gebruik stellen van een gereedschap en het nog een aantal jaren kunnen gebruiken ervan. Wanneer bescheiden onderdelenkosten de levensduur verlengen van een motor die anders zou worden weggegooid, worden de productie-energie, de verpakking, de verzending en de uiteindelijke verwijderingslast die gepaard gaat met het produceren van een vervangend gereedschap vermeden voor een relatief kleine uitgave. Dit is een van de redenen waarom het vervangen van borstels nog steeds een standaardreparatie op instapniveau is die in veel onderhoudscursussen voor apparaten en gereedschappen wordt onderwezen, in plaats van een specialistische taak die is voorbehouden aan professionele technici.

Alledaagse hulpmiddelen die afhankelijk zijn van koolborstels

Koolborstels verschijnen in een breed scala aan huishoudelijke en werkplaatsapparatuur, naast de voor de hand liggende accuboormachine. Haakse slijpmachines, cirkelzagen en reciprozagen vertrouwen allemaal op geborstelde universele motoren, omdat dat motortype de hoge rotatiesnelheden kan bereiken die nodig zijn voor zagen en slijpen, terwijl het compact en goedkoop te produceren blijft. Stofzuigers en keukenmixers gebruiken kleinere versies van dezelfde technologie, en draagbare generatoren, sommige plafondventilatoren en oudere wasmachinemotoren zijn ook afhankelijk van een borstel-commutatoropstelling om de stroom naar een roterend anker te laten stromen. Startmotoren voor auto's zijn een ander veelvoorkomend voorbeeld, waarbij borstels elke keer dat de motor draait een korte maar zware stroomstoot verwerken.

Een universele borstel afstemmen op een specifieke motor

Het correct selecteren van een universele vervangingsborstel is van belang voor het herstellen van de gereedschapsprestaties en voor het voorkomen van voortijdige uitval die de commutator zelf zou kunnen beschadigen. Fysieke afmetingen zijn al vroeg in het selectieproces van belang, omdat de lengte, breedte en dikte van het koolstofblok nauw moeten aansluiten bij de holte van de borstelhouder; een borstel die losjes past, zal tegen de commutator klapperen in plaats van een stabiel contact te behouden. Voor veerspanning is voldoende kracht nodig om de borstel stevig op zijn plaats te houden zonder zo hard te drukken dat de slijtage van de koperen segmenten wordt versneld, en universele sets bevatten over het algemeen een reeks veeropties voor verschillende gereedschapscategorieën. De draadaansluiting en connectorstijl moeten overeenkomen met de interne bedrading van het gereedschap, zodat de borstel zonder aanpassingen kan worden geïnstalleerd, en borstels die bedoeld zijn voor een hoger stroomverbruik, zoals die in grote haakse slijpmachines, hebben over het algemeen een hoger metaalgehalte nodig voor voldoende geleiding, terwijl borstels met een zachtere grafietverhouding worden gekozen waar een stillere, soepelere werking belangrijker is dan de ruwe stroomcapaciteit. Het commutatormateriaal speelt ook een rol bij de beslissing, aangezien sommige borstelformuleringen zachter zijn voor zachtere koperen commutatoren, terwijl andere zijn geformuleerd voor hardere, slijtvastere commutatoroppervlakken die te vinden zijn in motoren van industriële kwaliteit. Een goed op elkaar afgestemde universele kit houdt rekening met deze variabelen door een samengestelde reeks maten en configuraties aan te bieden in plaats van te vertrouwen op een enkele generieke vorm die bij elk gereedschap past.