Harja (konetekniikka)

Harja eli nykyisin useimmiten hiiliharja toimi sähkökytkentänä, joka johtaa sähkövirran paikallaan pysyvistä johtimista sähkömoottorin liikkuville osille, jotka pyörivät yleensä akselinsa ympäri. Niiden tavallisia käyttökohteita ovat sähkömoottorit, alternaattorit ja sähkögeneraattorit.

Sanan alkuperä 
Jotta tietyntyyppiset sähkömoottorit ja generaattorit toimisivat, roottorin käämien on oltava kytkettynä, jotta virtapiiri sulkeutuu. Aluksi tarkoitukseen käytettiin kuparista tai messingistä valmistettua virrankäännintä tai luistorengasta, jossa jouset painoivat kuparijohtimesta valmistetut ”harjat” virrankääntimen kehää vasten, jolloin virta pääsi kulkemaan. Tällaisten harjojen virrankääntöominaisuudet olivat huonot niiden liikkuessa virrankääntimen kohtiolta toiselle kohtiolle. Tähän ratkaisuna olivat suurresistanssiset harjat, jotka valmistettiin grafiitista, mutta hiilen joukkoon saatettiin lisätä myös kuparia. Vaikka hiiliharjojen sähkövastus oli kymmenten milliohmien luokkaa, niiden resistanssi oli riittävän suuri siihen, että siirtymä virrankääntimen kohtiolta toiselle oli asteittainen. Käsite harja on edelleen käytössä. Harjojen kuluessa ne voidaan vaihtaa paremmin kulutusta kestäviin harjoihin. 

Myös metallikuituharjoja kehitetään. Niiden käytöstä voi olla hyötyä suurilla virroilla, mutta niitä ei ole toistaiseksi käytetty sarjatuotantosähkökoneissa.

Valmistus

Ainesten sekoitus 
Harjan tarkka koostumus riippuu käyttökohteesta, mutta yleensä käytetään hiilijauhetta. Kuparijauhetta saatetaan käyttää sähkönjohtavuuden parantamiseksi, mutta tämä on harvinaista vaihtosähkölaitteissa. Sähkönjohtavuuden ja käsittelylujuuden parantamiseksi käytetään hyvin sähköä johtavaa kuparijauhetta. Sideaineet, jotka ovat yleensä fenolia, pihkaa tai pikeä, sekoitetaan siten, että hiilijauhe pysyy kasassa puristamisen jälkeen. Muina ainesosina voidaan käyttää erilaisia metallijauheita tai voiteluaineita kuten MoS2:ta tai WS2:ta. Eri moottoreille sopivien koostumusten määrittämiseen tarvitaan paljon tietotaitoa ja tutkimusta.

Harjan puristaminen yhteen 
Harjan seos puristetaan harjaksi työkalulla, joka koostuu kahdesta meististä ja muotista, jotka puristetaan yhteen mekaanisella tai hydraulisella puristimella. Myöhemmistä prosesseista riippuen tässä vaiheessa voidaan viedä kuparijohdin automaattisesti yläosan reiän läpi, jolloin jauhe voidaan puristaa kiinteästi sen ympärille. Tässä käytetään tavallisesti elektrolyyttistä kuparijauhetta, joka voidaan pinnoittaa hopealla, jos käyttökohteessa tarvitaan korkeaa suorituskykyä. Prosessin jälkeen harja on yhä todella hauras, ja sitä kutsutaan ammattislangissa ”vihreäksi harjaksi”. 

Vihreät harjat lämpökäsitellään keinotekoisessa kaasukehässä, joka sisältää yleensä vetyä ja typpeä. Lämpötila on suunnilleen 1200 °C, ja prosessia kutsutaan sintraukseksi. Sintrauksen aikana sideaineet palavat tai hiiltyvät, ja harjan hiili, kupari ja muut aineet muodostavat kiderakenteen. Seuraavaksi harja grafitoidaan kuumuudessa. Käsittelyssä noudatetaan eri lämpökäyriä seoksen mukaan. Lämpökäyrä on harjan koostumuksen ohella hiiliharjojen valmistajien suurimpia yrityssalaisuuksia. Lämpökäsittelyn jälkeen harjan rakennetta muutetaan siten, että kilpailijat eivät pysty kopioimaan rakennetta.

Viimeistely 
Harjat kutistuvat ja taipuvat sintrauksessa, joten ne on hiottava verkon muotoisiksi. Osa valmistajista tekee harjoille muutakin viimeistelyä kuten kyllästää pinnan öljyillä, hartseilla tai rasvoilla. 

Hiiliharjojen valmistuksessa tarvitaan paljon materiaalitietoutta ja kokemusta seosten koostumuksista. Jo pienet muutaman painoprosentin muutokset harjan ainesoissa voivat muuttaa hiiliharjan ominaisuuksia ja käyttökohteeseen soveltumista merkittävästi. Maailmassa onkin vain muutamia hiiliharjojen valmistajia, ja ne ovat erikoistuneet pääosin tietyntyyppisiin harjoihin. 

Hiiliharjat ovat sähkömoottoreiden halvimpia osia. Toisaalta ne ovat avainkomponentteja, jotka määrittävät moottorin kestoiän ja suorituskyvyn. Hiiliharjojen valmistus edellyttää hyvin tarkkaa laadunvalvontaa, ja valmistusta pitää valvoa kaikissa vaiheissa.

Nestemäiset metalliharjat 
Myös nestemäisten metallien käyttöä moottoreiden kytkennöissä on tutkittu. Niiden haittapuolia ovat tarve eristää tavallisesti myrkyllinen tai syövyttävä metalli sekä induktiosta ja pyörteistä aiheutuvat tehohäviöt.

Katso myös 

 Virrankäännin 
 Yleisvirtakone

Lähteet 

Sähkömoottorit