Was machen Kohlebürsten?

Die Kernfunktion einer Kohlebürste

A Kohlebürste Leitet elektrischen Strom von der stationären Verkabelung im Inneren eines Elektrowerkzeugs zum rotierenden Kommutator oder Schleifring, der auf der Motorwelle montiert ist, und zwar während sich die Welle mit hoher Drehzahl dreht. Ohne diesen Schleifkontakt könnte der Strom die sich drehenden Ankerwicklungen nicht erreichen, sodass der Motor einfach nicht laufen würde. Die Bürste wird durch eine kleine Feder gegen den Kommutator gedrückt, und während sich die Welle dreht, gleitet die Bürstenfläche über eine Reihe von Kupfersegmenten, wobei jedes einzelne kurzzeitig Kontakt herstellt und sich dann löst, wenn das nächste Segment seinen Platz einnimmt. Durch dieses ständige Schalten kann sich das Magnetfeld im Inneren des Motors im richtigen Moment umkehren, was das Grundprinzip ist, das einen Motor aufrechterhält Gleichstrommotor in eine Richtung drehen, anstatt zu blockieren.

Wie der Schleifkontakt den Stromkreis geschlossen hält

In einem Universalmotor ist der Kommutator in mehrere isolierte Kupfersegmente unterteilt, und jedes Segment ist mit einem anderen Wicklungssatz im Anker verbunden. Während die Bürste von einem Segment zum nächsten gleitet, überbrückt sie kurzzeitig zwei Segmente gleichzeitig. An diesem Punkt kann ein kleiner Funke entstehen, der als Kommutierungslichtbogen bezeichnet wird. Eine Bürstenfeder übt typischerweise eine Kontaktkraft im Bereich von aus 150 bis 300 Gramm , genug, um eine stabile Verbindung aufrechtzuerhalten, ohne so stark zu drücken, dass die Reibung die Kommutatoroberfläche ungleichmäßig verschleißt. Wenn die Federkraft nachlässt, weil eine Feder geschwächt ist oder die Bürste kürzer abgenutzt ist, als ihre Halterung zulässt, kommt es zu Unterbrechungen des Kontakts und der Motor läuft möglicherweise ungleichmäßig oder verliert unter Last an Leistung.

Warum in vielen kleinen Motoren zwei Bürsten verwendet werden

Viele handgeführte Elektrowerkzeuge verwenden ein Paar Bürsten, die einander gegenüberliegend auf dem Kommutator angeordnet sind, wobei eine den Strom hinein- und die andere ihn wieder herausleitet. Diese Anordnung gleicht den mechanischen Druck auf die Welle aus und verteilt den Verschleiß, sodass nicht ein einziger Kontaktpunkt die ganze Arbeit erledigt. Bei Werkzeugen mit höherer Stromaufnahme, wie Winkelschleifern oder Kreissägen, werden die Bürsten häufig breiter oder mit einer größeren Auflagefläche versehen, um die zusätzliche Belastung ohne Überhitzung bewältigen zu können.

Materialien hinter der Kohlebürstenkonstruktion

Kohlebürsten bestehen nicht aus einer einzigen einheitlichen Substanz; Der Begriff umfasst eine Reihe kohlenstoffbasierter Zusammensetzungen, die für unterschiedliche Kombinationen von Leitfähigkeit, Härte und Hitzetoleranz entwickelt wurden. Reine Graphitbürsten sind weich und selbstschmierend, wodurch sie die Kommutatoroberfläche schonen. Sie führen jedoch weniger Strom als Mischungen, die Metall enthalten. Elektrographitbürsten werden durch Erhitzen von amorphem Kohlenstoff auf eine hohe Temperatur hergestellt, wodurch sich seine innere Struktur ändert und die Leitfähigkeit verbessert wird, während das Material relativ weich bleibt. Kupfer-Graphit-Bürsten mischen pulverisiertes Kupfer in die Kohlenstoffmatrix und bilden oft eine Zwischenschicht 40 und 70 Prozent Diese Zusammensetzung kommt häufig bei Werkzeugen vor, die viel Strom verbrauchen, etwa bei Vakuummotoren und tragbaren Generatoren, da der Kupfergehalt den elektrischen Widerstand senkt.

Warum Reibung und Lichtbogenbildung die Bürste allmählich verschleißen

Jedes Mal, wenn die Bürstenfläche über den Kommutator gleitet, erfährt sie eine kleine mechanische Reibung, und jedes Mal, wenn sie den Spalt zwischen zwei Segmenten überquert, entsteht ein kleiner elektrischer Funke. Im Laufe vieler Betriebsstunden führen diese beiden Effekte zusammen dazu, dass der Kohlenstoffblock allmählich erodiert und seine Länge Millimeter für Millimeter verkürzt wird. Ein Pinsel, der begann 12 Millimeter in der Länge könnte sich bis zu einem gewissen Grad abnutzen 4 oder 5 Millimeter Nach längerem Einsatz in einem häufig betriebenen Werkzeug kann die Feder dann nicht mehr den richtigen Druck gegen den Kommutator aufrechterhalten. Auch Wärme spielt eine Rolle, da eine anhaltend hohe Stromaufnahme die Temperatur an der Kontaktstelle erhöht und wiederholte Erwärmungs- und Abkühlungszyklen dazu führen können, dass das Bürstenmaterial spröde wird und abplatzt, anstatt sich gleichmäßig abzunutzen.

Erkennen, wann eine Bürste ausgetauscht werden muss

Eine abgenutzte Bürste macht sich eher durch eine Handvoll auffälliger Symptome bemerkbar, als dass sie stillschweigend versagt. Sichtbare Funkenbildung an den Lüftungsöffnungen des Motorgehäuses, ein brennender Geruch in der Nähe der hinteren Kappe des Werkzeugs, ein Motor, der unter Last zeitweise an Leistung verliert, und ungewöhnliche Mengen an schwarzem Kohlenstoffstaub, die sich im Gehäuse ansammeln, sind häufige Anzeichen dafür, dass die Kontaktfläche über ein brauchbares Maß hinaus dünner geworden ist. Viele Hersteller vermerken die Mindestnutzlänge direkt auf der Ersatzbürste oder geben sie oft irgendwo in der Servicedokumentation des Werkzeugs an 6 Millimeter , unterhalb dessen Federdruck und Kontaktfläche für eine sichere Stromübertragung nicht mehr ausreichen. Durch die Überprüfung der Bürstenlänge während der routinemäßigen Wartung, insbesondere bei Werkzeugen, die täglich in der Werkstatt verwendet werden, kann dieser Verschleiß erkannt werden, bevor er zum vollständigen Abwürgen des Motors führt.

Die Reparaturmathematik

Ein Ersatz-Kohlebürstensatz kostet in der Regel nur einen Bruchteil der Kosten eines neuen Elektrowerkzeugs, und der Austausch eines abgenutzten Bürstenpaars macht oft den Unterschied zwischen der Ausmusterung eines Werkzeugs und einer weiteren Nutzungsdauer für mehrere Jahre aus. Wenn geringe Teilekosten die Lebensdauer eines Motors verlängern, der andernfalls entsorgt würde, entfallen die Herstellungsenergie, die Verpackung, der Versand und der eventuelle Entsorgungsaufwand, die mit der Herstellung eines Ersatzwerkzeugs verbunden sind, bei vergleichsweise geringem Aufwand. Dies ist einer der Gründe, warum der Austausch von Bürsten nach wie vor eine Standard-Einstiegsreparatur ist, die in vielen Kursen zur Geräte- und Werkzeugwartung gelehrt wird, und keine Spezialaufgabe, die professionellen Technikern vorbehalten ist.

Alltagswerkzeuge, die auf Kohlebürsten angewiesen sind

Kohlebürsten kommen in einer Vielzahl von Haushalts- und Werkstattgeräten vor, die über die offensichtliche Akku-Bohrmaschine hinausgehen. Winkelschleifer, Kreissägen und Säbelsägen sind alle auf bürstenbehaftete Universalmotoren angewiesen, da dieser Motortyp die zum Schneiden und Schleifen erforderlichen hohen Drehzahlen erreichen kann und dabei kompakt und kostengünstig in der Herstellung bleibt. Staubsauger und Küchenmixer verwenden kleinere Versionen derselben Technologie, und tragbare Generatoren, einige Deckenventilatoren und ältere Waschmaschinenmotoren sind ebenfalls auf eine Bürsten-Kommutator-Anordnung angewiesen, um den Stromfluss zu einem rotierenden Anker aufrechtzuerhalten. Ein weiteres häufiges Beispiel sind Anlasser für Kraftfahrzeuge, bei denen die Bürsten bei jedem Anlassen des Motors einen kurzen, aber starken Stromstoß verkraften.

Anpassen einer Universalbürste an einen bestimmten Motor

Die richtige Auswahl einer universellen Ersatzbürste ist sowohl für die Wiederherstellung der Werkzeugleistung als auch für die Vermeidung vorzeitiger Ausfälle, die den Kommutator selbst beschädigen könnten, wichtig. Die physikalischen Abmessungen spielen schon früh im Auswahlprozess eine Rolle, da Länge, Breite und Dicke des Kohleblocks genau zum Hohlraum des Bürstenhalters passen müssen. Eine locker sitzende Bürste schlägt eher gegen den Kommutator als dass sie einen stabilen Kontakt aufrechterhält. Die Federspannung erfordert genügend Kraft, um die Bürste fest zu halten, ohne so stark zu drücken, dass der Verschleiß der Kupfersegmente beschleunigt wird. Universal-Kits enthalten im Allgemeinen eine Reihe von Federoptionen für verschiedene Werkzeugkategorien. Der Kabelanschluss und der Steckertyp müssen mit der internen Verkabelung des Werkzeugs übereinstimmen, damit die Bürste ohne Modifikationen installiert werden kann. Bürsten, die für eine höhere Stromaufnahme ausgelegt sind, wie etwa die in großen Winkelschleifern, benötigen im Allgemeinen einen höheren Metallgehalt für eine ausreichende Leitfähigkeit, während Bürsten mit einem weicheren Graphitanteil dort gewählt werden, wo ein leiserer, gleichmäßigerer Betrieb wichtiger ist als die reine Stromkapazität. Auch das Kommutatormaterial spielt bei der Entscheidung eine Rolle, da einige Bürstenformulierungen sanfter zu weicheren Kupferkommutatoren sind, während andere für härtere, verschleißfestere Kommutatoroberflächen formuliert sind, die in Industriemotoren zu finden sind. Ein gut abgestimmtes Universal-Kit berücksichtigt diese Variablen, indem es eine kuratierte Auswahl an Größen und Konfigurationen bietet, anstatt sich auf eine einzige generische Form zu verlassen, die für jedes Werkzeug passt.