جاروبک، زغال صنعتی یا گرافیتی، انواع و کاربرد آن + موتورهای بدون زغال

کاربرد زغال گرافیتی

زغال صنعتی در مصارف گوناگون کاربرد دارند که در ادامه به برخی از آن‌ها اشاره می‌کنیم.

لوازم برقی مخصوصاً در لوازم‌خانگی مانند لباس‌شویی، جاروبرقی، ظرف‌شویی، سشوار، آبمیوه گیری، مخلوط‌کن و غیره

در تجهیزات حمل‌ونقل مانند قطار‌ها، استاتر‌های اتومبیل

موتور کارخانه‌ها صنعتی، دینام‌ها و غیره

ابزارآلات برقی کوچک و بزرگ مانند دریل بتن کن، فرز سنگ‌بری، مینی فرز، فرز آهنگری، دستگاه پولیش، انواع دریل‌ها و غیره

زغال صنعتی قطعه‌ای مصرفی در داخل موتور دستگاه‌ها و ابزار برقی و درواقع از لوازم‌یدکی مصرفی در موتور است، و به همین دلیل کمتر شناخته‌شده است، اما ساخت آن نیازمند ابزار و ماشین‌آلات ویژه و پیشرفته و همچنین دانش فنی خاص و مهم‌ترین بخش نیازمند تراشکاری دقیق با دقت بسیار بالا است.

كاربرد زغال به‌عنوان جاروبك الكتريكي در صنعت

به دلیل خاصیت روان کنندگی و رسانایی مناسب گرافیت طبیعی، از گذشته‌ تا به امروز از زغال به‌عنوان جاروبک الکتریکی استفاده می‌شد و یکی از معروف‌ترین کاربردهای آن استفاده از زغال در ماشين‌هاي الكتريكي مانند ژنراتور‌ها و موتور‌ها است.

استفاده از زغال صنعتی در موتورها و ژنراتورها بسیار مهم و حیاتی است به صورتی که به‌عنوان‌مثال از اين جاروبك‌ها (عموماً الکتروگرافیت، به دلیل اینکه با خلوص بالا بوده و قابلیت تحمل دمای بالا و مقاومت در برابر سوختن دارد و منجر به حداقل فرسودگی در کلکتور می‌شود.) در ژنراتور نيروگاه‌ها(ماشین‌های سنکرون) استفاده مي‌شود تا جريان الكتريكي به روتور (قسمت استوانه‌اي گردنده ژنراتور) انتقال يابد روي روتور سیم‌پیچی وجود دارد كه گاه تا 1500 آمپر جريان دارد و به كمك اين جريان آهنرباي الكتريكي در ژنراتور ایجادشده و ژنراتور قادر به توليد برق مي‌شود و اين جريان زياد از طريق اين زغال‌ها و اسليپ رينگ‌ها به سیم‌پیچ روتور انتقال مي‌يابد. اين زغال‌ها يا جاروبك‌ها بايد از كيفيت بالا و خواص منحصربه‌فردی برخوردار باشند تا باعث بروز مشکل در کار ژنراتور نشده و هزینه به بار نیاورند.

همچنین برای انتقال الکتریسیته ساکن قطار به زمین در قطار‌های سریع‌السیر جلوگیری از ورود آسیب به بیرینگ‌ها و دیگر قطعات از زغال صنعتی یا جاروبک‌‌های گرافیتی استفاده می‌شود.

گرافیت فلزی که با پودر فلزی غیر آلیاژی و گرافیت ساخته‌شده و دارای حداقل افت فشار و خورندگی پایین است، نیز معمولاً برای انتقال به زمین‌الکتریسیته و جریان‌‌های القایی شفت کاربرد دارد.

گرافیت طبیعی در زمان ساخته‌شدن حرارت زیادی را تحمل کرده و به همین ترتیب عمر طولانی و دوام و ثبات خوبی دارند و می‌تواند در سرعت‌های بالا کار کند و به همین دلیل در بسیاری از نیروگاه‌ها از آن استفاده می‌شود.

ساختار و انواع زغال صنعتی یا جاروبک

کربن مورداستفاده برای ساخت زغال صنعتی یا زغال گرافیتی از انواع و اشکال مختلف و متفاوت با ویژگی‌های خاص برخوردار است و با توجه به نوع کارکرد موتور، قدرت موتور، دور موتور، ضریب مقاومت و میزان هدایت برق، چگالی و… طراحی و خاص یک وسیله ساخته می‌شود و منحصراً برای استفاده خاص باید مصرف شوند. زغال ساخته‌شده برای مصارف مختلف ازلحاظ ترکیبات تشکیل‌دهنده مانند کک، دوده، پودر مس، نقره، رزین و… نیز باهم تفاوت دارند.

زغال‌‌های صنعتی به‌طور کلی به پنج نوع تقسیم می‌شود که شامل موارد زیر است.

زغال گرافیتی

زغال گرافیت فلزی

زغال گرافیت کربن

زغال گرافیت الکتروگرافیتی

زغال گرافیت پیوند شده با رزین

ویژگی‌‌های كربن

مقاومت در مقابل حرارت

به دلیل اینکه جاروبک‌ها در موتور درجایی نصب می‌شود که  اصطکاک بالا و درنتیجه گرمای تولیدی نیز زیاد است، کربن به سبب قابلیت تحمل بالای حرارت تا دمای 300 درجه سانتی‌گراد حالت‌جامد خود را حفظ کرده و در اصطکاک بالا نیز کار می‌کند.

 سبکی

سبکی و اینرسی پایین کربن نسبت به سایر فلزات سبب آن است که کربن در ناصافی‌‌های سطوح متحرک شود. بنابراین در برابر خوردگي ناشي از ضربات و لرزش مقاوم‌تر بوده و آسیب کمتری به سطح می‌زند.

 عدم قابلیت جوشکاری

کربن در حرارت بالای کار موتور و جریان‌‌های زیاد با فلز موتور که با آن در تماس است جوش و به همین دلیل برای استفاده در اسلیپ رینگ‌ها(رینگ استوانه‌ای فلزی و هادی كه زغال بر روي آن جای می‌گیرد و رسانای جریان از زغال از طریق رینگ به سیم‌پیچ موتور منتقل می‌شود.) بسیار ارزشمند است.

به دلیل اینکه کربن پایداری زیادی دارد، و پس از عملیات شکل‌دهی نمی‌توان به‌سادگی آن را تغییر داد، باید مراحل ساخت آن با دقت کافی انجام شود. گرافیت برای کاربری به‌عنوان زغال صنعتی درواقع از تراکم پودر‌های زغال‌‌های خاص و گرافیت طبیعی و توسط نوعی چسب مخصوص که خود از زغال ساخته‌شده است در فشار و حرارت بالا در یک کوره الکتریکی ساخته می‌شود. پس از مراحل ساخت تکه‌های بزرگ گرافیت، آن را به قطعات کوچک‌تر برای کاربرد برش می‌دهند.

دانسیته چگالی حجمی و تخلخل

چگالی حجمی واقعی گرافیت طبیعی برابر 2.27  گرم بر سانتی‌متر مکعب است در حالی که دانسیته یا چگالی حجمی انواع جاروبک در محدوده 1.15 تا 2.20 گرم بر سانتی‌متر مکعب است.

قطعات ساخته‌شده کربنی متخلخل بوده و بیشتر حجم آن را هوا تشکیل می‌دهد، حفره‌های داخلی کربن به‌صورت مجراهای تودرتو و پیچ‌درپیچ هستند و کانال‌های ظریفی برای عبور هوا ایجاد می‌کنند.

اندازه و نحوه قرارگیری و تعداد این مجرا‌های ظریف در میزان پایداری کربن در سرعت بالای کار موتور می‌شود. مقاومت سایشی در زغال‌هایی که حفره‌های بیشتری دارد، بالاتر است. همچنین اگر میزان این مجراها کم و اندازه آن‌ها بزرگ‌تر باشد تا با گرد زغال پر نشوند سبب پایداری بیشتر می‌شوند.

مقاومت ویژه

مقاومت ویژه زغال در مقابل فلزات بسیار بالا و در حدود 8 میکرو اهم بر متر است، این در حالی است که مقاومت ویژه مس 0.0178 میکرو اهم بر متر است. اتلاف انرژی ناشی از این مقاومت در زغال فقط 10 درصد انرژی تلف‌شده ناشی از مقاومت تماسی و اصطکاکي جاروبك‌ها است. در زغال صنعتی، عواملی مانند مقاومت تماسی، ضریب اصطکاک و رسانایی حرارتی تأثیر بسیار بیشتری نسبت به مقاومت ویژه در میزان ظرفیت حمل جریان جاروبک یا زغال گرافیتی دارند.

ازآنجایی‌که کربن مورداستفاده برای ساخت زغال صنعتی یا زغال گرافیتی از انواع مختلف و متفاوت با ویژگی‌های خاص برخوردار است و با توجه به نوع موتور و ویژگی‌های آن طراحی و خاص یک وسیله ساخته می‌شود و منحصراً برای استفاده خاص باید مصرف شوند، و همچنین ترکیبات تشکیل‌دهنده زغال صنعتی نیز در کاربردهای مختلف، باهم تفاوت دارند، زغال‌های صنعتی را بر اساس خواص فيزيكي و ميزان تحمل آن‌ها درجه‌بندی مي‌كنند.

اگر از نوع و درجه زغال اطلاعاتی در دست نباشد، نیاز به متخصص برای بازدید از محل نصب و آزمایشگاه‌‌های مجهز وجود دارد تا با توجه به شرایط کار و شرایط نصب بتوان زغال مناسب جایگزین آن کرد يا نمونه‌ای براي آن طراحی و ساخته شود.

لذا جهت تعیین درجه زغال موردنیاز و انتخاب زغال مناسب باکار موردنظر باید نکاتی رعایت شود که در ادامه به برخی از این نکات اشاره می‌کنیم.

شناخت دقیق مشخصات، ابعاد و طرح زغال برای ارائه به سازنده

مشخصات کامل الکتریکی ماشین از قبیل جریان، سرعت مجاز و…

میزان مجاز حرکت در جای زغال و فشار فنر زغال

سرعت خطی در سطح اسلیپ رینگ، مقدار جریان مجاز آن و قطر رینگ

پیش از پرداختن به تفاوت بين موتور‌هاي با جاروبک و بدون جاروبک، نحوه کارکرد موتور‌هاي معمولي DC را بررسی می‌کنیم.

نیروی لازم برای گردش موتور‌هاي DC از نيروي مغناطيسي تأمین می‌شود. ساختار کلی در موتور‌هاي DC به این صورت است که بار‌هاي مغناطيسي ایجادشده بر روي قسمت در حال گردش(روتر)، بار مخالف قسمت ثابت موتور(استاتور) را توسط مجموعه‌اي از آهنربا‌ها که داراي بار مغناطيسي دائمي هستند جذب کرده و این عمل، گردش دائم موتور را در پی دارد. همچنین در مقابل آهنرباها يک دسته از بار‌هاي الکترومغناطیسی قرارگرفته که به‌طور دائمی در حال تغییر قطب مغناطیسی هستند، به این صورت که همواره قطب مخالف مغناطيسي روبروي يکديگر قرار دارند و این مساله حرکت مداوم را به دنبال دارد. همچنین قرارگیری بارهای مخالف مغناطیسی در مقابل سیم‌پیچ باعث چرخش می‌شود. به‌طورکلی تفاوت عمده میان موتورهای دارای زغال و بدون زغال در نحوه‌ي تغيير قطب مغناطيسي است.

ساختار موتور‌هاي زغالي و بدون زغال

اجزای موتور‌هاي داراي جاروبک شامل آهنرباي دائمي (Permanent Magnets)، آرماتور (Armature)، کماتاتور (Commutator) و جاروبک‌‌ها (Brushes) هستند.

قسمت آهنربا ( استاتور)

میدان مغناطیسی در مکانيزم خارجي موتور را 2 آهنربا تشکيل مي‌دهند که یکی دارای بار مثبت و دیگری دارای بار منفی است و در جاي خود ثابت هستند.

آرماتور

آرماتور به مجموع‌هاي از سیم‌پیچ‌ها گفته می‌شود که در زمان اتصال دستگاه به برق، داراي نيروي الکترومغناطيسي مي‌شوند. جنس آرماتور عموماً از مس و گاهي اوقات نيز آلومينيوم است.

کموتاتور

این قطعات که به‌وسیله آرماتور به گردش درمی‌آیند، داراي پيکربندي‌هاي به شکل 2 قطبي، 4 قطبي يا قطعات بيشتر بوده و بر روي سیم‌پیچ قرار مي‌گيرند.

جاروبک یا زغال صنعتی یا زغال گرافیتی

بار الکتريکي براي جريان در هريک از قطعات کموتاتور توسط جاروبک یا زغال صنعتی که در جای ثابت خود قرار می‌گیرد، ‌تأمین می‌شود.

نحوه کارکرد موتورهای دارای زغال گرافیتی و موتورهای بدون آن

موتورهای دارای جاروبک

وجود آهنربا باعث باردارشدن سیم‌پیچ در زمان حرکت آرماتور شده و به سبب بار مخالف با قسمت آهنربايي، به جلو رانده مي‌شود.

همان‌طور که حلقه کموتاتور نيز روي آرماتور در حال چرخش است، درحرکت همواره با زغال کربني برخورد کرده و در این برخورد، قطب بار مغناطيسي خود را عوض مي‌‌کند. به این صورت که وقتی کماتاتور به جاروبک منفي مي‌رسد، قطب مثبت آهن‌ربا را جذب مي‌کند و زماني که کماتاتور به جاروبک مثبت مي‌رسد، قطب منفي آهنربا را جذب مي‌کند. زغال‌های صنعتی به‌طور جفت عمل کرده، به این صورت که سيم داراي بار مثبت به سمت قطب منفي آهنربا و در همان زمان سیم‌پیچ داراي بار منفي به سمت قطب مثبت آهنربا حرکت مي‌کند.

موتورهای بدون جاروبک

در موتور‌هاي بدون جاروبک، به جای بخش‌های کموتاتور و جاروبک‌‌ها، قسمت کنترل‌کننده الکترونيکي جایگزین شده و قسمت آهنربايي مانند يک روتر به دور محوراستاتور که سيم‌پيچ الکترومگنتي را در جاي خود قرار داده است، می‌چرخد.

در این نوع موتورها کنترل‌کننده نيرو و سیم‌پیچ هماهنگ با نيروي موردنیاز براي جذب آهن‌ربا است. برای درک بهتر باید گفت، براي جذب آهنرباي موتور توسط کنترل الکتريکي، کافی است نيرويي به همان اندازه و در خلاف جهت نيروي اصلي وارد شود. ازآنجایی‌که بار‌هاي الکتريکي در مقابل يکديگر هستند، اين روند، باعث حرکت آهن‌ربا موتور خواهد شد.

چرا موتور‌هاي بدون جاروبک گران‌قیمت‌تر هستند؟

در موتورهای بدون جاروبک، ساخت ارتباط‌دهنده الکترونيکي در داخل موتور هزینه‌بر است، اما موتور‌هاي داراي جاروبک، دارای ساختار ساده بوده و قطعات تشکیل‌دهنده آن‌‌ها قیمت زیادی ندارند.

مزایای موتور‌هاي بدون جاروبک

موتورهای به‌وسیله حذف جاروبک یا زغال صنعتی و همچنین کموتارو، مزایایی به دست می‌آورند که در ادامه به شرح آن می‌پردازیم. از برخورد کموتاتور‌ها با جاروبک‌‌ها اصطکاک ایجاد می‌شود که باعث کاهش سرعت و بالا رفتن دماي موتور مي‌شود؛ بنابراین موتور‌هاي بدون جاروبک با دماي پایین‌تر و کارايي بالاتر کار مي‌کنند.

زغال صنعتی در طول زمان مصرف‌شده و از طول آن کم می‌شود، و این کاهش طول کربن باعث ايجاد جرقه در داخل ابزار برقي می‌شود. برای جلوگیری از این جرقه‌ها، زغال صنعتی باید تعویض شود، این در صورتی است که موتورهای بدون جاروبک، معاف از این روند تعویض زغال هستند و همچنین عدم وجود جرقه در این نوع موتورها سبب شده تا در صنايعي که خطر اشتعال بسيار بالا است از این نوع موتور در ابزارها استفاده می‌شود. همچنین سایز موتورهای بدون زغال می‌تواند کوچک باشد زیرا، موتور‌هاي بدون جاروبک نياز به کنترولر الکترونيکي دارند و بنابراین ترکيب روتور و استاتور در آن‌ها بسيار کم‌حجم هستند.

حال می‌دانید که چطور کارخانه‌ها توليد ابزار مدعی تولید ابزار سبک و کم‌حجم‌تر و همچنين با سرعت بيشتر نسبت به گذشته هستند.