Подготовка медной заготовки
Медный пруток твёрдотянутого профиля клиновидного (трапециевидного) сечения разрезают на заготовки-ламели нужной длины — по чертежу или по измеренному образцу демонтированного коллектора.
- // ЭЛЕКТРОПРОМРЕМОНТ
- Коллектор электродвигателя
Коллектор электродвигателя: конструкция, материалы и изготовление
Коллектор — один из самых ответственных узлов машины постоянного тока: именно он преобразует переменную электродвижущую силу обмотки якоря в постоянный ток на зажимах генератора или, наоборот, распределяет постоянный ток питания по секциям обмотки работающего двигателя. От его конструкции, материалов и состояния рабочей поверхности зависят качество щёточно-коллекторного контакта, уровень искрения и ресурс всей машины.
Эта статья объединяет два вопроса, которые на практике неразрывны: что такое коллектор, из каких элементов он состоит и почему выходит из строя, а также как его изготавливают заново на производстве и как восстанавливают при ремонте. Понимание конструкции невозможно без понимания технологии изготовления, а качественный ремонт опирается на те же принципы, по которым коллектор собирают на заводе.
Материал ориентирован на технических специалистов, обслуживающих машины постоянного тока, — электриков, механиков-ремонтников и инженеров, которым нужно разобраться в устройстве коллектора, подобрать материалы для замены ламелей или изоляции либо оценить объём ремонта после выявленных дефектов.
Что такое коллектор и какова его роль
Коллектор — это цилиндрический узел на валу якоря, собранный из отдельных медных пластин (ламелей), изолированных друг от друга. Каждая ламель соединена с определённой секцией обмотки якоря, а неподвижные щётки, прижатые пружинами к поверхности коллектора, обеспечивают скользящий электрический контакт между вращающимся якорем и внешней цепью машины.
Во время вращения якоря в магнитном поле полюсов в каждой секции обмотки индуцируется электродвижущая сила, которая поочерёдно меняет направление — проводник поочерёдно проходит под северным и южным полюсом. Если бы секцию можно было подключить к внешней цепи напрямую, на её зажимах было бы переменное напряжение. Коллектор вместе со щётками выполняет функцию механического выпрямителя: в момент, когда щётка переходит с одной ламели на соседнюю, она переключает соединение так, что на зажимах машины всегда поддерживается напряжение одной полярности, хотя ток в отдельной секции остаётся переменным.
В генераторе постоянного тока этот процесс преобразует переменную ЭДС обмотки якоря в постоянный ток нагрузки. В двигателе постоянного тока коллектор работает в обратном направлении: он распределяет постоянный ток, поступающий от источника питания через щётки, по секциям обмотки, которые сам же поочерёдно переключает, — благодаря этому в проводниках якоря поддерживается согласованный с положением полюсов переменный ток, необходимый для создания однонаправленного вращающего момента.
Момент переключения секции щёткой называют коммутацией — подробно она рассмотрена в статье об искрении щёток. Для понимания самого коллектора важно другое: именно его конструкция, геометрия и состояние поверхности определяют, насколько плавно эта коммутация происходит.
Конструкция коллектора
Коллектор состоит из ламелей — медных пластин клиновидного (трапециевидного) сечения, форма которых позволяет собрать их в сплошной цилиндр по принципу ласточкина хвоста: каждая пластина своей боковой гранью удерживает соседнюю от смещения в радиальном направлении. Число ламелей соответствует числу рабочих секций обмотки якоря (для некоторых схем обмотки — кратно ему).
Ламели и межламельная изоляция
Между соседними ламелями установлена тонкая пластина межламельной изоляции такого же профиля — традиционно это миканит, спрессованный из пластинок природной слюды на шеллачном или эпоксидном связующем; на новых и отремонтированных коллекторах всё чаще применяют армированную синтетическую слюдяную ленту или стекловолокнисто-слюдяной материал. Толщину и материал изоляции подбирают так, чтобы она изнашивалась примерно с той же скоростью, что и медь, — это необходимо для сохранения рабочей геометрии поверхности на протяжении всего срока службы.
Петушки и соединение с обмоткой якоря
С одной стороны каждая ламель имеет выступ — петушок (его также называют хвостовиком или ласточкиным хвостом вывода), в прорезь или паз которого закладывают и соединяют выводы двух смежных секций обмотки якоря. Соединение выполняют пайкой оловянно-свинцовым или серебряным припоем, а также контактной или аргонодуговой сваркой. Противоположная, цилиндрическая сторона ламелей образует рабочую поверхность, по которой скользят щётки, — именно её геометрия, чистота обработки и состояние межламельной изоляции определяют качество щёточно-коллекторного контакта.
Способы крепления ламелей
Во время вращения на каждую ламель действует центробежная сила, стремящаяся оторвать её от оси, поэтому отдельные медные пластины необходимо надёжно стянуть в монолит и зафиксировать относительно вала. В промышленных коллекторах применяют три основных конструктивных решения.
| Конструкция | Принцип фиксации | Особенности ремонтопригодности |
|---|---|---|
| Стяжная (конусно-бандажная) | Два изолированных конусных кольца стягивают ласточкин хвост ламелей с торцов; натяжение поддерживает стяжная гайка или напрессованный бандаж | Пригодна для разборки, замены отдельных ламелей и изоляции с последующим повторным стягиванием пакета |
| Болтовая (шпилечная) | Изолированные стяжные шпильки проходят сквозь отверстия в ламелях и стягивают пакет между двумя торцевыми кольцами | Удобна для разборки при ремонте, распространена на коллекторах среднего размера |
| Прессованная (формованная, литой коллектор) | Ламели и слюда запрессованы и залиты термореактивной смолой в монолит без металлического стяжного кольца | Практически не ремонтопригодна; при разрушении пакета коллектор обычно заменяют целиком |
Выбор конструкции определяется размером машины, её назначением и серийностью производства. В промышленном ремонте преобладают стяжная и болтовая конструкции — они позволяют разобрать коллектор, заменить отдельную ламель или изоляцию и собрать узел заново под тем же стяжным усилием.
Установка на вал и изоляция коллектора
Коллектор напрессовывают на вал якоря непосредственно или, чаще, на отдельную втулку (ступицу), которая затем насаживается на вал с натягом и фиксируется шпонкой или посадкой на конус. Поскольку соседние ламели находятся под разным электрическим напряжением, а вал должен оставаться при потенциале корпуса, весь токопроводящий пакет коллектора изолируют от втулки и вала цилиндрической или конусной втулкой — раньше прессованной из миканита, сегодня чаще из стеклотекстолита или другого слоистого диэлектрика с высокой механической и тепловой стойкостью.
Качество этой изоляции проверяют отдельно от межламельной — пробоем здесь может стать не только постепенное старение материала, но и механическое повреждение при напрессовке, попадание влаги или угольной пыли вдоль поверхности втулки. Именно поэтому измерение сопротивления изоляции коллектора всегда включает проверку «ламели — вал», а не только «ламель — ламель».
Материалы коллектора
Материалы коллектора подбирают не только по электрической проводимости, но и по механической прочности, твёрдости и стойкости к нагреву во время искрения или кратковременной перегрузки.
| Материал | Применение | Основное преимущество |
|---|---|---|
| Медь М1 (электролитическая, твёрдотянутая) | Стандартные коллекторы общепромышленного назначения | Высокая проводимость, привычная технология механической обработки |
| Медь с присадкой серебра (сплав Cu-Ag) | Тяговые, прокатные, крановые и другие тяжелонагруженные двигатели | Более высокая температура размягчения, стойкость к наклёпу под щётками |
| Кадмиевая или хромовая медь (Cu-Cd, Cu-Cr) | Коллекторы с повышенной механической и тепловой нагрузкой | Повышенная твёрдость и стойкость к износу при сохранении проводимости |
| Природная слюда (мусковит, флогопит) в миканите | Межламельная изоляция | Высокая электрическая прочность, скорость износа согласована с медью |
| Стекловолокнисто-слюдяная лента | Межламельная изоляция новых и отремонтированных коллекторов | Стабильность свойств, меньшая зависимость от качества пропиточного лака |
| Стеклотекстолит, прессованный миканит | Изоляция коллектора от втулки и вала | Высокая диэлектрическая и механическая прочность при нагреве |
Для тяжелонагруженных коллекторов — тяговых, прокатных, крановых двигателей — применяют медь с присадками, повышающими температуру размягчения и стойкость к наклёпу под щётками; для коллекторов общепромышленного назначения достаточно электролитической твёрдотянутой меди. Межламельную изоляцию обязательно подбирают так, чтобы скорость её износа соответствовала скорости износа меди, — слишком твёрдая слюда остаётся выступающей, слишком мягкая вымывается преждевременно.
Как изготавливают новый коллектор
Изготовление нового коллектора — многоэтапный процесс точной механической обработки и прессовой сборки, в котором каждый этап влияет на дальнейшую работу узла.
Набор пакета ламелей и изоляции
Ламели укладывают по кругу вокруг временной или рабочей втулки, чередуя их с заранее вырезанными пластинами межламельной изоляции того же профиля, пока не сформируется полное кольцо с согласованным расположением петушков.
Прессование и термообработка пакета
Собранный пакет зажимают в осевом направлении в гидравлическом прессе под контролируемым усилием и, если изоляция на шеллачном связующем, нагревают для полимеризации — это устраняет пустоты и обеспечивает равномерное прилегание ламелей друг к другу.
Установка стяжных колец
Изолированные конусные кольца монтируют с обоих торцов пакета и фиксируют напрессовкой нагретого стяжного бандажа или затяжкой стяжной гайки либо шпилек с нормированным моментом — так образуется жёсткий прессованный барабан.
Обтачивание по наружному диаметру
Собранный барабан устанавливают в токарный станок и обтачивают сначала начерно, затем начисто до проектного диаметра, обеспечивая концентричность рабочей поверхности относительно посадочного отверстия под вал.
Фрезерование петушков
В петушках прорезают или фрезеруют пазы под выводы секций обмотки якоря и снимают заусенцы — качество этой операции напрямую влияет на надёжность последующего паяного или сварного соединения.
Продороживание межламельной изоляции
Слюду между ламелями заглубляют ниже уровня меди на проектную глубину ещё на этапе изготовления — это предупреждает преждевременное выступание изоляции в первые месяцы эксплуатации, когда рабочая поверхность ещё прирабатывается.
Контроль качества
Мегаомметром проверяют сопротивление изоляции между соседними ламелями и между ламелями и валом, индикатором часового типа — биение и овальность рабочей поверхности, лёгким простукиванием — плотность посадки каждой ламели, а момент стяжной гайки сверяют с нормативным значением.
Ремонт и восстановление коллектора в эксплуатации
Большинство коллекторов переживают несколько комплектов щёток и даже перемотку обмотки якоря при условии регулярного обслуживания. Основные ремонтные операции выполняют в такой последовательности.
Дефектация
Осматривают рабочую поверхность, петушки и межламельную изоляцию, оценивают глубину подгорания, наличие борозд, выступающих ламелей и трещин в пайках, чтобы определить объём дальнейшего ремонта.
Проточка рабочей поверхности
Лёгким чистовым проходом на токарном станке или непосредственно на машине снимают подгорание, борозды и овальность, снимая минимально возможный слой меди, чтобы сохранить остаточную толщину ламелей для последующих ремонтов.
Продороживание межламельной изоляции
Слюду повторно заглубляют ниже уровня меди пилкой соответствующей толщины или специальным инструментом для продороживания на равномерную глубину по всей окружности — после каждой проточки слюда неизбежно выступает и требует повторного заглубления.
Снятие фасок с кромок ламелей
Острые кромки, образующиеся после продороживания, скашивают мелким надфилем или специальным приспособлением — иначе они скалываются под щёткой и царапают рабочую поверхность.
Замена повреждённых ламелей
На коллекторах стяжной или болтовой конструкции, допускающих разборку, отдельные обгоревшие или треснувшие ламели и прилегающую к ним изоляцию заменяют новыми деталями, вырезанными по тому же профилю, после чего пакет прессуют и стяжное усилие восстанавливают. На прессованных (литых) коллекторах такая точечная замена обычно невозможна.
Проверка и перепайка петушков
Каждое соединение петушка с выводом секции осматривают на трещины, окисление или холодную пайку и при необходимости перепаивают либо переваривают — именно такой дефект чаще всего вызывает искрение, повторяющееся в одной точке коллектора каждый оборот.
Балансировка после обработки
Снятие слоя меди при проточке или замена отдельных ламелей меняет распределение массы, поэтому после существенного ремонта коллектор вместе с якорем проверяют и при необходимости балансируют заново.
Контрольные испытания
Перед вводом в эксплуатацию выполняют те же проверки, что и для нового коллектора: сопротивление изоляции между ламелями и относительно вала, биение рабочей поверхности и по возможности импульсное испытание обмотки якоря через ламели.
Характерные неисправности коллектора
Большинство дефектов коллектора взаимосвязаны: один недостаток обслуживания рано или поздно проявляется как другой. Ниже приведены самые распространённые неисправности именно самого коллектора — без учёта дефектов щёток и щёткодержателей, рассмотренных в отдельной статье.
| Неисправность | Вероятная причина | Что проверить или сделать |
|---|---|---|
| Сильное искрение и круговой огонь | Подробно рассмотрено в статье об искрении щёток | Проверить щёточно-коллекторный контакт, коммутацию, нагрузку |
| Выступающая слюда (недостаточное продороживание) | Изоляция не заглублена ниже меди после проточки | Измерить глубину канавок, при необходимости продорожить повторно |
| Скалывание кромок ламелей | Чрезмерное продороживание или отсутствие фасок | Осмотреть кромки ламелей, при необходимости снять фаски |
| Ослабление ламелей, дребезг | Потеря стяжного усилия, ослабление гайки или бандажа, термоциклы | Измерить биение, простучать ламели, подтянуть стяжку |
| Обгоревшие или изъеденные ламели | Предшествующее сильное искрение, круговой огонь, блуждающие токи через подшипники | Осмотреть поверхность, измерить сопротивление изоляции, оценить необходимость замены ламелей |
| Повреждение соединения петушка | Трещина или холодная пайка, вибрация, локальный перегрев | Измерить сопротивление между соседними ламелями, проверить пайку или сварной шов |
| Биение или овальность рабочей поверхности | Неправильная проточка, деформация вала, ослабление пакета, износ подшипников | Измерить биение индикатором, проверить вал и подшипники |
Методы диагностики состояния коллектора
- 01Визуальный осмотр — цвет и равномерность рабочей плёнки, отсутствие борозд, подгорания, выступающих ламелей или петушков, следов дуги между ламелями.
- 02Измерение сопротивления между соседними ламелями миллиомметром по всей окружности — значения должны быть практически одинаковыми с учётом сопротивления самой секции; отклонение в одной точке указывает на дефект секции или петушка.
- 03Импульсное испытание (сурдж-тест) через ламели обмотки якоря — выявляет межвитковое замыкание в конкретной секции, недоступное для обычного измерения сопротивления изоляции.
- 04Измерение биения и овальности индикатором часового типа во время медленного вращения на станке или непосредственно в машине, со сравнением полученного значения с допуском для данной частоты вращения.
- 05Измерение сопротивления изоляции «ламели — вал» мегаомметром, при необходимости дополненное испытанием повышенным напряжением.
- 06Тепловизионный контроль под нагрузкой — выявляет локальный нагрев отдельной ламели или петушка, незаметный при статических измерениях.
Чего не следует делать
- протачивать коллектор без последующего продороживания слюды — выступающая изоляция вызовет вибрацию и искрение щёток;
- продорожить на случайную глубину без учёта ширины канавки и состояния щёток;
- оставлять острые кромки ламелей после продороживания без снятия фасок;
- шлифовать коллектор грубым или электропроводным абразивом, оставляя токопроводящую пыль в канавках;
- подтягивать стяжную гайку или бандаж «на глаз», без контроля момента или биения;
- игнорировать ослабленные или дребезжащие ламели, продолжая эксплуатацию машины;
- заменять только одну ламель без проверки соседних и без полного восстановления стяжного усилия пакета;
- вводить отремонтированный коллектор в эксплуатацию без измерения сопротивления изоляции и без балансировки.
Частые вопросы
Чем коллектор отличается от контактных колец?
Контактные кольца сплошные и лишь передают ток к обмотке ротора, ничего не переключая. Коллектор состоит из изолированных друг от друга ламелей и выполняет механическую коммутацию — переключение секций обмотки якоря синхронно с вращением.
Почему ламели изготавливают клиновидными?
Клиновидный (трапециевидный) профиль позволяет собрать ламели в самофиксирующийся цилиндр по принципу ласточкина хвоста — каждая пластина удерживает соседнюю от радиального смещения без дополнительного крепления каждого сегмента по отдельности.
Что такое продороживание и почему его регулярно повторяют?
Это заглубление межламельной слюды ниже уровня меди. Поскольку медь и слюда изнашиваются с разной скоростью, а каждая проточка снимает часть обоих материалов, продороживание приходится повторять после каждой существенной проточки коллектора.
Можно ли отремонтировать коллектор прессованной (литой) конструкции?
Поверхностные дефекты — проточка, продороживание, снятие фасок — выполняются так же, как и на других конструкциях. Но замена отдельной ламели или восстановление стяжного усилия пакета обычно невозможны, поэтому при внутреннем повреждении такой коллектор чаще заменяют целиком.
Влияет ли материал ламелей на стойкость к искрению?
Да. Медь с присадками серебра, кадмия или хрома имеет более высокую температуру размягчения и лучше противостоит наклёпу и оплавлению под щёткой при кратковременном сильном искрении, хотя правильный подбор щёток и настройка коммутации остаются основным фактором.
Как часто нужно проверять состояние коллектора?
В рамках планового обслуживания щёточно-коллекторного узла, а также обязательно — при появлении искрения, вибрации, повышенного нагрева коллектора или после замены щёток либо ремонта якоря.
Можно ли оценить состояние коллектора без разборки двигателя?
Значительную часть проверок — визуальный осмотр, измерение сопротивления между ламелями, тепловое изображение под нагрузкой, а часто и биение — можно выполнить через смотровые окна или сняв щётки, не разбирая машину полностью.
Услуги ООО ВКФ «Электропромремонт»
ООО ВКФ «Электропромремонт» изготавливает и ремонтирует коллекторы двигателей и генераторов постоянного тока собственными силами — от точения отдельных ламелей до полного изготовления нового коллектора по чертежу или по измеренному образцу демонтированного узла.
В перечень работ входят:
- дефектация коллектора и определение объёма ремонта;
- проточка рабочей поверхности и продороживание межламельной изоляции;
- снятие фасок с кромок ламелей после продороживания;
- замена отдельных повреждённых ламелей и межламельной изоляции;
- проверка и перепайка соединений петушков с обмоткой якоря;
- изготовление нового коллектора по чертежу или по измеренному образцу;
- измерение сопротивления изоляции, биения и балансировка после ремонта.
Важное предупреждение
Материал носит информационный характер. Приведённые значения, методы диагностики, объём работ и рекомендации являются общими и не заменяют техническую документацию производителя. Окончательное решение по конкретной машине принимается по результатам её диагностики и дефектации с учётом типа, мощности, конструкции, режима работы, истории эксплуатации и применимых стандартов.
Нужен ремонт коллектора?
Проведём дефектацию коллектора, выполним проточку, продороживание или полное изготовление нового узла с контролем изоляции и геометрии.