ذغال های گرافیتی

کاربرد ذغال به عنوان جاروبک در موتورهای الکتریکی

عملکرد موتور DC بر اساس تعامل بین میدان مغناطیسی یک آرمیچرِ چرخان و میدان مغناطیسی یک استاتورِ ثابت است. وقتی قطب شمال آرمیچر جذب قطب جنوب استاتور شود (و بالعکس)، نیرویی روی آرمیچر اعمال می‌گردد که سبب چرخش آن خواهد شد. کموتاسیون (Commutation) فرایند سوئیچینگ (تغییر) میدان در سیم‌پیچی آرمیچر برای تولید گشتاور ثابت در یک جهت است و کموتاتور (Commutator) وسیله‌ای است که به آرمیچر متصل می‌شود و سوئیچینگ جریان را انجام می‌دهد.

دلیل استفاده از کموتاتور

به شکل زیر توجه کنید. بازوی میله‌ای، به دلیل گشتاور تولید شده آرمیچر، با زاویه سیم‌پیچ تغییر می‌کند (cosαcos⁡α). بنابراین، وقتی سیم‌پیچ نسبت به میدان مغناطیسی استاتور عمودی (قائم) است، گشتاوری تولید نمی‌شود. به همین دلیل است که موتورهای DC سیم‌پیچ‌های چندگانه دارند؛ بنابراین، ساز و کار حرکت آرمیچر، به نیرو گرفتن (حتی وقتی که یک سیم‌پیچ عمود بر میدان مغناطیسی باشد) ادامه می‌دهد.

موتور DC

هدف اصلی کموتاسیون، تضمین این موضوع است که گشتاوری که روی آرمیچر عمل می‌کند همیشه در یک جهت باشد. ماهیت ولتاژ تولیدی آرمیچر متناوب است و کموتاتور آن را به جریان مستقیم تبدیل می‌کند. به بیان ساده، سیم‌پیچ‌ها را برای کنترل جهت میدان‌ها روشن و خاموش می‌کند. جریان سیم‌پیچ باید همیشه از یک طرف وارد و از طرف دیگر همواره خارج گردد. این امر تضمین می‌کند که گشتاور همیشه در یک جهت تولید شود. در غیر این صورت، سیم‌پیچ به اندازه ۱۸۰ درجه در یک جهت می‌چرخد و پس از آن جهت چرخشش تغییر می‌کند.

کموتاتور چیست؟

کموتاتور یک حلقه رسانای استوانه‌ای لغزان دارای شکاف است که معمولاً از مس ساخته می‌شود و هر بخش از حلقه به انتهای هر یک از سیم‌پیچ‌های آرمیچر متصل است. اگر آرمیچر چند سیم‌پیچی داشته باشد، کموتاتور نیز چند بخش خواهد داشت که هر کدام از آن‌ها متناظر با یک بخش از سیم‌پیچ است. در دو طرف حلقه لغزان کموتاتور، دو جاروبک (Brush) یا اصطلاحاً زغال قرار دارد که روی پایه‌های فنری سوار شده‌اند و با چرخش کموتاتور، با آن تماس فیزیکی دارند. در نتیجه این تماس، جریان سیم‌پیچ‌ متناظر با هر بخش از کموتاتور برقرار می‌شود.

کموتاتور، جاروبک و سیم‌پیچی یک موتور در شکل زیر نشان داده شده است.

موتور

شکل زیر نیز جاروبک‌ها و فنرهای متصل به آن را نشان می‌دهد. جنس جاروبک‌ها معمولاً کربن (گرافیت) است.

جاروبک

همان‌گونه که در شکل متحرک زیر می‌بینیم، وقتی بخش‌های کموتاتور، در فاصله هوایی داخل استاتور، از جاروبک‌ها عبور می‌کنند، جاروبک‌ها شارژ الکتریکی بخش‌های کموتاتور را سوئیچ می‌کنند که همین موضوع پلاریته الکتریکی سیم‌پیچ‌های آرمیچر را تغییر می‌دهد. این سوئیچینگ پلاریته در سیم‌پیچ‌ها، چرخش آرمیچر را در یک جهت نگه می‌دارد. ولتاژ بین جاروبک‌ها با دامنه‌ای بین صفر و یک مقدار بیشینه نوسان می‌کند، اما همیشه در یک جهت است.

موتور DC

همان‌طور که قبلاً گفته شد، کموتاتور از بخش‌هایی تشکیل شده که نسبت به هم ایزوله هستند. وقتی بخش‌های کموتاتور به ترتیب از جاروبک‌ها عبور می‌کنند، لحظه‌ای وجود دارد که در آن، جاروبک‌ها همزمان با دو بخش تماس دارند. این حالت به عنوان خنثی شناخته می‌شود و در این نقطه ولتاژ‌ القایی برابر با صفر است. در غیر این صورت، جاروبک‌ها، انتهای سیم‌پیچ‌ها را به یکدیگر اتصال کوتاه کرده و باعث ایجاد جرقه و شوک شدید در اثر ولتاژ بالا می‌شود.

بررسی کموتاسیون از دیدگاه مداری

از دیدگاه ساده مداری می‌توان گفت جریان‌ها و ولتاژهایی که در کموتاسیون در یک موتور DC برقرار می‌شوند، جواب مداری با مقاومت R و اندوکتانس L هستند که در آن، R از مقاومت سیم‌پیچ‌ها و مقاومت جاروبک‌ها تشکیل می‌شود و L اندوکتانس سیم‌پیچی است. تغییر جهت جریان در سیم‌پیچ‌ها باید در طول زمانی که فاصله بین بخش‌ها یا تیغه‌های لغزان کموتاتور از جاروبک عبور می‌کند رخ دهد.

شکل زیر، یک موتور DC را با چهار سیم‌پیچ متصل به چهار کنتاکت یا تیغه لغزان کموتاتور نشان می‌دهد که با دو جاروبک ثابت تماس دارند. وقتی روتور – که در اینجا آرمیچر است – حرکت می‌کند، جهت جریان‌ها تغییر خواهد کرد. چگونگی این تغییر جریان را در یک‌چهارم دور چرخش بررسی می‌کنیم.

کموتاسیون

در ابتدا، مطابق شکل بالا، موتور در یک سرعت ثابت در حال چرخش است و سیم‌پیچی‌های روتور در یک موقعیت متقارن کاملاً انرژی‌دار شده‌اند. جریان کل ii از دو مجموعه سیم‌پیچی موازی عبور می‌کند. فرض می‌کنیم ثابت زمانی L/RL/R انرژی‌دار شدن سیم‌پیچ‌ها به اندازه کافی کوچک بوده و حداکثر جریان در آن‌ها برقرار باشد.

اکنون، مطابق شکل زیر روتور کمی به سمت چپ چرخیده است.

کموتاسیون

هنوز هم حداکثر جریان در سیم‌پیچ‌ها برقرار است، اما فاصله بین بخش‌ها تیغه‌های لغزان کموتاتور در حال عبور از زیر جاروبک است.

کموتاسیون

در یک لحظه (شکل بالا)، سیم‌پیچ بالایی توسط جاروبک اتصال کوتاه می‌شود و جریان آن برای رسیدن به صفر شروع به کاهش می‌کند.

کموتاتور

بعد از آنکه روتور اندکی دیگر بچرخد، سیم‌پیچ سمت چپ که در حال کشیدن جریان جاروبک بود، به دلیل تنجیدگی سطح تماسِ کنتاکت (تیغه) لغزان و سمت چپ جاروبک، با افزایش مقاومت روبه‌رو می‌شود. البته سیم‌پیچ بالایی هنوز با مقاومت جاروبک بالایی متصل است. جریان سیم‌پیچ سمت چپ باید ثابت باشد (زیرا مانند یک سلف عمل است). بنابراین، سیم‌پیچ سمت چپ برای افزایش جریان گذرنده از جاروبک، ولتاژ انتهای سمت چپ سیم‌پیچ بالا را تغییر می‌دهد. این امر سبب شروع عبور جریان از سیم‌پیچ بالایی در جهتی عکس و نسبت به زمانی می‌شود که فاصله بین تیغه‌های حلقه‌ لغزان ابتدا در زیر جاروبک قرار گرفته بود.

در شکل زیر، حلقه لغزان در سمت چپ بالا تماس خود با جاروبک را از دست می‌دهد و جریان سیم‌پیچی در سمت چپ باید تماماً از سیم‌پیچ بالایی بگذرد که سبب آرک و جرقه جریان از حلقه لغزان سمت چپ بالا به جاروبک می‌شود.

کموتاسیون

اگر مقاومت جاروبک زیاد باشد، ثابت زمانی L/RL/R کمتر بوده و کموتاسیون بهبود می‌یابد. وقتی تماس تیغه سمت چپ بالایی با جاروبک قطع می‌شود، همه جریان سمت چپ اکنون از سیم‌پیچ بالایی می‌گذرد. در نتیجه تغییر جهت کامل جریان حاصل شده و یک‌چهارم دور بعدی شروع می‌شود.

استفاده از ذغال به عنوان جاروبک الکتریکی قدمتی در حدود ۱۰۰ سال دارد و به دلیل خاصیت روان کننده گی و رسانایی مناسب گرافیت طبیعی برای این کار مورد استفاده قرار گرفته است و تا کنون نیز این روند ادامه دارد و از ذعال های گرافیتی به وفور در صنایع استفاده می شود و یکی از کاربرد های حیاتی ذغال استفاده از آن در ماشین های الکتریکی مانند ژنراتور ها و موتور هاست به گونه ای که این ذعال ها یا جاروبک ها در گرداندن چرخ صنعت نقش مهمی ایفا می کنند. به عنوان مثال از این جاروبک ها در ژنراتور نیروگاه ها استفاده می شود تا جریان الکتریکی به روتور (قسمت استوانه ای گردنده ژنراتور) انتقال یابد روی روتور سیم پیچی وجود دارد که گاه تا ۱۵۰۰ آمپر جریان دارد و به کمک این جریان آهنربای الکتریکی در ژنراتور ایجاد می شود و ژنراتور قادر به تولید برق می شود و این جریان زیاد از طریق این ذغال ها و اسلیپ رینگ ها به سیم پیچ روتور انتقال می یابد. به همین دلیل این ذغال ها یا جاروبک ها باید کیفیت بالا و خواص منحصر به فردی داشته باشند تا علاوه بر اینکه با کمترین تلفات حرارتی جریان را انتقال دهند خود سبب بروز مشکلات دیگر نشوند. یا در قطارهای سریع السیر باید الکتریسته ساکن قطار به زمین انتقال یابد تا از بروز صدمات به بیرینگ ها و دیگر قطعات جلوگیری شود و این مهم توسط جاروبک های گرافیتی انجام می گیرد. در ادامه به ویژگی های مهم کربن که جاروبک ها از آن ساخته شده اند اشاره می کنیم.

سه ویژگی مهم کربن:
  •  مقاومت در مقابل حرارت

می دانیم که جاروبک در جایی نصب می شود که  اصطکاک قابل توجه است و در نتیجه گرمای ناخواسته ای از این اصطکاک بوجود خواهد آمد و کربن در برابر گرمای ناشی از اصطکاک می تواند ویژگی های خود را حفظ کند و همینطور تا دمای ۳۰۰ درجه سانتیگراد حالت جامد خود را حفظ می کند.

  •  سبکی

کربن از بیشتر فلزات سبکتر است و این باعث اینرسی پایین آن در ناصافی های سطوح متحرک می شود. به این ترتیب در برابر خوردگی ناشی از ضربات و لرزش مقاومت بیشتری نشان می دهد و به سطحی که روی آن قرار دارد صدمه نمی زند.

  •  عدم قابلیت جوشکاری

در اثر حرارت بالا و جریان های زیاد با فلزی که در تماس است جوش نمی خورد که برای استفاده در اسلیپ رینگ ها بسیار ارزشمند است.

توجه: اسلیپ رینگ به یک رینگ استوانه ای شکل فلزی و هادی گفته می شود که ذعال بر روی آن قرار می گیرد و جریان جاروبک های کربنی یا همان ذغال ها از طریق این رینگ فلزی گردنده به سیم پیچ ماشین الکتریکی منتقل می شود. ماشین الکتریکی می تواند موتور یا ژنراتور باشد.

گرافیت از تراکم پودرهای ذغال های خاص و گرافیت طبیعی و به کمک نوعی چسب مخصوص که خود از ذغال ساخته شده است در فشار و حرارت بالا در یک کوره الکتریکی ساخته می شود. گرافیت در ابعاد بزرگتر ساخته می شود سپس به قطعات کوچکتر برش خورده، ماشین کاری می شود. انجام صحیح این مراحل بسیار مهم است چون کربن از پایداری بالایی برخوردار است و پس از انجام عملیات دیگر نمی توان خواص آنرا تغییر داد.

انواع جاروبک

جاروبک ها انواع مختلف دارند که از آن جمله می توان به کربن سخت، کربن گرافیتی، گرافیت طبیعی، الکتروگرافیت، گرافیت های فلزی، گرافیت های آغشته به فلز، رزین خورده و… اشاره کرد. از بین انواع نام برده الکتروگرافیت در ماشین های سنکرون پرکاربرد تر است (ژنراتور ها عموما از نوع ماشین سنکرون هستند به خصوص در نیروگاهای حرارتی و بزرگ) چون دمای بالایی را تحمل می کند و در مقابل سوختن مقاوم است دارای خلوص بالاست که موجب حداقل فرسودگی در کلکتور می شود. و توانایی عبور دادن جریان های بالا را دارد. گرافیت دیگری که کاربرد زیادی در صنایع دارد گرافیت فلزی است که با پودر فلزی غیر آلیاژی و گرافیت ساخته می شود و خورندگی پایینی دارد همچنین افت ولتاژ آن کمتر است و معمولا برای زمین کردن جریان های القایی شفت استفاده می شود.

در بسیاری از نیروگاه ها از گرافیت طبیعی پردازش شده استفاده شده است این نوع ذغال در هنگام ساخت حرارت زیادی می بیند و می توانند در بالاترین سرعت ها کار کند. این نوع گرافیت دارای عمر طولانی تر و ثبات عملیاتی بیشتر است.

تعیین نوع و درجه جاروبک

هر جاروبک گرافیتی برای کاربرد بخصوصی ساخته شده است و به همین دلیل جاروبک ها را بر اساس خواص فیزیکی و میزان تحمل آنها درجه بندی می کنند. برای تعیین نوع و درجه جاروبک (اگر مشخص نباشد) با توجه به شرایط کار و شرایط نصب احتیاج به متخصص برای بازدید از محل نصب و آزمایشگاه های مجهز وجود دارد تا بتوان ذغال مناسب جایگزین آن کرد یا نمونه ای برای آن ساخت.

برای این منظور عوامل موثر در انتخاب صحیص ذغال به شرح ذیل بیان می گردد:

  • شناخت دقیق مشخصات، ابعاد و طرح ذغال برای ارائه به سازنده
  • مشخصات کامل الکتریکی ماشین از قبیل جریان، سرعت مجاز و…
  • میزان مجاز حرکت در جای ذغال و فشار فنر ذغال
  • سرعت خطی در سطح اسلیپ رینگ ، مقدار جریان مجاز آن و قطر رینگ
خواص فیزیکی ذغال ها
دانسیته چگالی حجمی و تخلخل

چگالی حجمی واقعی گرافیت طبیعی برابر ۲٫۲۷  گرم بر سانتی متر مکعب می باشد در حالیکه دانسیته یا چگالی حجمی انواع جاروبک در محدوده ۱٫۱۵ تا ۲٫۲۰ گرم بر سانتی متر مکعب است. این بدان علت است که مواد ساخته شده کربنی متخلخل هستند. و به عنوان یک تعمیم تقریبی یک ششم از حجم آنها هواست و این مجرا های ریز به شکل پیچ در پیچ و پیوسته است که کانال های ظریف عبور هوا ایجاد می کنند و مقدار کمی هم از تهویه به این شکل انجام می گیرد.

اندازه و توزیع این مجرا ها می تواند بر رفتار آنها تاثیر بگذارد اگر تعداد آنها نسبتا کم بوده و اندازه آنها آنقدر بزرگ باشد که توسط گرد ذغال پر نشوند سبب پایداری بیشتر در سرعت های بالا می شوند از طرف دیگر مواد متراکم به همراه حفره های بسیار ریز مقاومت سایشی ذغال را افزایش می دهد و سبب افزایش عمر ذغال می شود.

مقاومت ویژه

مقاومت ویژه ذعال ۸ میکرو اهم بر متر است که نسبت به فلزات بسیار بالاست. (مقاومت ویژه مس ۰٫۰۱۷۸ میکرو اهم بر متر است). ولی اتلاف انرژی ناشی از این مقاومت فقط ۱۰ درصد انرژی تلف شده ناشی از مقاومت تماسی و اصطکاکی جاروبک ها  است. بنابراین مقاومت تماسی، ضریب اصطکاک و رسانایی حرارتی تاثیر بسیار بیشتری نسبت به مقاومت ویژه در تعیین ظرفیت حمل جریان جاروبک دارند.

توجه: منظور از مقاومت تماسی مقاومت محل اتصال جاروبک با سطح گردنده است.

با تشکر از یادبگیردات کام و مجله محترم فرادرس