Підготовка мідної заготовки
Мідний пруток твердотягнутого профілю клиноподібного (трапецієподібного) перерізу розрізають на заготовки-ламелі потрібної довжини — за кресленням чи за виміряним зразком демонтованого колектора.
- // ЕЛЕКТРОПРОМРЕМОНТ
- Колектор електродвигуна
Колектор електродвигуна: конструкція, матеріали та виготовлення
Колектор — один з найвідповідальніших вузлів машини постійного струму: саме він перетворює змінну електрорушійну силу обмотки якоря на постійний струм на затискачах генератора або, навпаки, розподіляє постійний струм живлення по секціях обмотки працюючого двигуна. Від його конструкції, матеріалів і стану робочої поверхні залежать якість щітково-колекторного контакту, рівень іскріння та ресурс усієї машини.
Ця стаття поєднує два питання, які на практиці нерозривні: що таке колектор, з яких елементів він складається і чому виходить з ладу, а також як його виготовляють заново на виробництві та як відновлюють під час ремонту. Розуміння конструкції неможливе без розуміння технології виготовлення, а якісний ремонт спирається на ті самі принципи, за якими колектор збирають на заводі.
Матеріал орієнтований на технічних фахівців, які обслуговують машини постійного струму, — електриків, механіків-ремонтників та інженерів, яким потрібно розібратися в будові колектора, підібрати матеріали для заміни ламелей чи ізоляції або оцінити обсяг ремонту після виявлених дефектів.
Що таке колектор і яка його роль
Колектор — це циліндричний вузол на валу якоря, зібраний з окремих мідних пластин (ламелей), ізольованих одна від одної. Кожна ламель з’єднана з певною секцією обмотки якоря, а нерухомі щітки, притиснуті пружинами до поверхні колектора, забезпечують ковзний електричний контакт між обертовим якорем і зовнішнім колом машини.
Під час обертання якоря в магнітному полі полюсів у кожній секції обмотки індукується електрорушійна сила, яка по черзі змінює напрямок — провідник почергово проходить під північним і південним полюсом. Якби секцію можна було підключити до зовнішнього кола напряму, на затискачах була б змінна напруга. Колектор разом зі щітками виконує функцію механічного випрямляча: у момент, коли щітка переходить з однієї ламелі на сусідню, вона перемикає з’єднання так, що на затискачах машини завжди підтримується напруга однієї полярності, хоча струм в окремій секції залишається змінним.
У генераторі постійного струму цей процес перетворює змінну ЕРС обмотки якоря на постійний струм навантаження. У двигуні постійного струму колектор працює у зворотному напрямку: він розподіляє постійний струм, що надходить від джерела живлення через щітки, по секціях обмотки, які сам же по черзі перемикає, — завдяки цьому в провідниках якоря підтримується узгоджений із положенням полюсів змінний струм, необхідний для утворення однонапрямленого обертального моменту.
Момент перемикання секції щіткою називають комутацією — детально вона розглянута в статті про іскріння щіток. Для розуміння самого колектора важливо інше: саме його конструкція, геометрія та стан поверхні визначають, наскільки плавно ця комутація відбувається.
Конструкція колектора
Колектор складається з ламелей — мідних пластин клиноподібного (трапецієподібного) перерізу, форма яких дозволяє зібрати їх у суцільний циліндр за принципом ластівчиного хвоста: кожна пластина своєю бічною гранню утримує сусідню від зміщення в радіальному напрямку. Кількість ламелей відповідає числу робочих секцій обмотки якоря (для деяких схем обмотки — кратна йому).
Ламелі та міжламельна ізоляція
Між сусідніми ламелями встановлено тонку пластину міжламельної ізоляції такого самого профілю — традиційно це міканіт, спресований з пластинок природної слюди на шелаковому чи епоксидному зв’язуючому; на нових і відремонтованих колекторах дедалі частіше застосовують армовану синтетичну слюдяну стрічку чи скловолокнисто-слюдяний матеріал. Товщину й матеріал ізоляції підбирають так, щоб вона зношувалася приблизно з тією самою швидкістю, що й мідь, — це необхідно для збереження робочої геометрії поверхні протягом усього терміну служби.
Петушки і з’єднання з обмоткою якоря
З одного боку кожна ламель має виступ — петушок (його ще називають хвостовиком чи ластівчиним хвостом виводу), у прорізь чи паз якого закладають і з’єднують виводи двох суміжних секцій обмотки якоря. З’єднання виконують пайкою олов’яно-свинцевим або срібним припоєм, а також контактним чи аргонодуговим зварюванням. Протилежний, циліндричний бік ламелей утворює робочу поверхню, якою ковзають щітки, — саме її геометрія, чистота обробки й стан міжламельної ізоляції визначають якість щітково-колекторного контакту.
Способи кріплення ламелей
Під час обертання на кожну ламель діє відцентрова сила, що намагається відірвати її від осі, тому окремі мідні пластини необхідно надійно стягнути в моноліт і зафіксувати відносно вала. У промислових колекторах застосовують три основні конструктивні рішення.
| Конструкція | Принцип фіксації | Особливості ремонтопридатності |
|---|---|---|
| Стяжна (конусно-бандажна) | Два ізольовані конусні кільця стягують ластівчин хвіст ламелей з торців; натяг підтримує стяжна гайка або напресований бандаж | Придатна до розбирання, заміни окремих ламелей та ізоляції з подальшим повторним стягуванням пакета |
| Болтова (шпилькова) | Ізольовані стяжні шпильки проходять крізь отвори в ламелях і стягують пакет між двома торцевими кільцями | Зручна для розбирання при ремонті, поширена на колекторах середнього розміру |
| Пресована (формована, литий колектор) | Ламелі та слюда запресовані й залиті термореактивною смолою в моноліт без металевого стяжного кільця | Практично не ремонтопридатна; при руйнуванні пакета колектор зазвичай замінюють цілком |
Вибір конструкції визначається розміром машини, її призначенням і серійністю виробництва. У промисловому ремонті переважають стяжна та болтова конструкції — вони дозволяють розібрати колектор, замінити окрему ламель чи ізоляцію та зібрати вузол заново під тим самим стяжним зусиллям.
Встановлення на вал та ізоляція колектора
Колектор напресовують на вал якоря безпосередньо або, частіше, на окрему маточину (втулку), яка потім насаджується на вал з натягом і фіксується шпонкою чи посадкою на конус. Оскільки сусідні ламелі перебувають під різною електричною напругою, а вал повинен залишатися при потенціалі корпуса, весь струмопровідний пакет колектора ізолюють від маточини й вала циліндричною або конусною втулкою — раніше пресованою з міканіту, сьогодні частіше зі склотекстоліту чи іншого шаруватого діелектрика з високою механічною й тепловою стійкістю.
Якість цієї ізоляції перевіряють окремо від міжламельної — пробоєм тут може стати не лише поступове старіння матеріалу, а й механічне пошкодження під час напресування, попадання вологи чи вугільного пилу вздовж поверхні втулки. Саме тому вимірювання опору ізоляції колектора завжди включає перевірку «ламелі — вал», а не лише «ламель — ламель».
Матеріали колектора
Матеріали колектора підбирають не лише за електричною провідністю, а й за механічною міцністю, твердістю та стійкістю до нагрівання під час іскріння чи короткочасного перевантаження.
| Матеріал | Застосування | Основна перевага |
|---|---|---|
| Мідь М1 (електролітична, тверда тягнута) | Стандартні колектори загальнопромислового призначення | Висока провідність, звична технологія механічної обробки |
| Мідь з домішкою срібла (сплав Cu-Ag) | Тягові, прокатні, кранові та інші важконавантажені двигуни | Вища температура розм’якшення, стійкість до наклепу під щітками |
| Кадмієва чи хромова мідь (Cu-Cd, Cu-Cr) | Колектори з підвищеною механічною та тепловою напругою | Підвищена твердість і стійкість до зношення при збереженні провідності |
| Природна слюда (мусковіт, флогопіт) у міканіті | Міжламельна ізоляція | Висока електрична міцність, швидкість зношування узгоджена з міддю |
| Скловолокнисто-слюдяна стрічка | Міжламельна ізоляція нових і відремонтованих колекторів | Стабільність властивостей, менша залежність від якості просочувального лаку |
| Склотекстоліт, пресований міканіт | Ізоляція колектора від маточини й вала | Висока діелектрична та механічна міцність при нагріванні |
Для важконавантажених колекторів — тягових, прокатних, кранових двигунів — застосовують мідь з домішками, що підвищують температуру розм’якшення й стійкість до наклепу під щітками; для колекторів загальнопромислового призначення достатньо електролітичної твердотягнутої міді. Міжламельну ізоляцію обов’язково підбирають так, щоб швидкість її зношування відповідала швидкості зношування міді, — надто тверда слюда залишається виступаючою, надто м’яка вимивається передчасно.
Як виготовляють новий колектор
Виготовлення нового колектора — багатоетапний процес точної механічної обробки та пресового складання, у якому кожен етап впливає на подальшу роботу вузла.
Набір пакета ламелей та ізоляції
Ламелі укладають по колу навколо тимчасової чи робочої втулки, чергуючи їх з попередньо вирізаними пластинами міжламельної ізоляції такого самого профілю, доки не сформується повне кільце з узгодженим розташуванням петушків.
Пресування та термообробка пакета
Зібраний пакет затискають в осьовому напрямку в гідравлічному пресі під контрольованим зусиллям і, якщо ізоляція на шелаковому зв’язуючому, нагрівають для полімеризації — це усуває порожнини і забезпечує рівномірне прилягання ламелей одна до одної.
Встановлення стяжних кілець
Ізольовані конусні кільця монтують з обох торців пакета і фіксують напресуванням нагрітого стяжного бандажа або затягуванням стяжної гайки чи шпильок з нормованим моментом — так утворюється жорсткий пресований барабан.
Обточування за зовнішнім діаметром
Зібраний барабан встановлюють у токарний верстат і обточують спочатку начорно, потім начисто до проєктного діаметра, забезпечуючи концентричність робочої поверхні відносно посадкового отвору під вал.
Фрезерування петушків
У петушках прорізають чи фрезерують пази під виводи секцій обмотки якоря і знімають задирки — якість цієї операції прямо впливає на надійність подальшого паяного чи зварного з’єднання.
Продорожування міжламельної ізоляції
Слюду між ламелями заглиблюють нижче рівня міді на проєктну глибину ще на етапі виготовлення — це попереджає передчасне виступання ізоляції в перші місяці експлуатації, коли робоча поверхня ще прироблюється.
Контроль якості
Мегаомметром перевіряють опір ізоляції між сусідніми ламелями та між ламелями й валом, індикатором годинникового типу — биття й овальність робочої поверхні, легкими постукуваннями — щільність посадки кожної ламелі, а момент стяжної гайки звіряють з нормативним значенням.
Ремонт і відновлення колектора в експлуатації
Більшість колекторів переживають кілька комплектів щіток і навіть перемотування обмотки якоря за умови регулярного обслуговування. Основні ремонтні операції виконують у такій послідовності.
Дефектація
Оглядають робочу поверхню, петушки та міжламельну ізоляцію, оцінюють глибину підгоряння, наявність борозен, виступаючих ламелей і тріщин у пайках, щоб визначити обсяг подальшого ремонту.
Проточування робочої поверхні
Легким чистовим проходом на токарному верстаті чи безпосередньо на машині знімають підгоряння, борозни та овальність, знімаючи мінімально можливий шар міді, щоб зберегти залишкову товщину ламелей для наступних ремонтів.
Продорожування міжламельної ізоляції
Слюду повторно заглиблюють нижче рівня міді пилкою відповідної товщини чи спеціальним інструментом для продорожування на рівномірну глибину по всьому колу — після кожного проточування слюда неминуче виступає й потребує повторного заглиблення.
Зняття фасок з країв ламелей
Гострі кромки, які утворюються після продорожування, скошують дрібним надфілем чи спеціальним пристроєм, — інакше вони сколюються під щіткою й подряпують робочу поверхню.
Заміна пошкоджених ламелей
На колекторах стяжної чи болтової конструкції, які допускають розбирання, окремі обгорілі чи тріснуті ламелі та прилеглу до них ізоляцію заміняють новими деталями, вирізаними за тим самим профілем, після чого пакет пресують і стяжне зусилля відновлюють. На пресованих (литих) колекторах така точкова заміна зазвичай неможлива.
Перевірка й перепайка петушків
Кожне з’єднання петушка з виводом секції оглядають на тріщини, окислення чи холодну пайку і за потреби перепаюють або переварюють — саме такий дефект найчастіше спричиняє іскріння, що повторюється в одній точці колектора щооберту.
Балансування після обробки
Знімання шару міді при проточуванні чи заміна окремих ламелей змінює розподіл маси, тому після суттєвого ремонту колектор разом з якорем перевіряють і за потреби балансують заново.
Контрольні випробування
Перед введенням в експлуатацію виконують ті самі перевірки, що й для нового колектора: опір ізоляції між ламелями та відносно вала, биття робочої поверхні та за можливості імпульсне випробування обмотки якоря через ламелі.
Характерні несправності колектора
Більшість дефектів колектора взаємопов’язані: один недолік обслуговування рано чи пізно проявляється як інший. Нижче наведені найпоширеніші несправності саме самого колектора — без урахування дефектів щіток і щіткотримачів, розглянутих в окремій статті.
| Несправність | Ймовірна причина | Що перевірити чи зробити |
|---|---|---|
| Сильне іскріння та круговий вогонь | Детально розглянуто в статті про іскріння щіток | Перевірити щітково-колекторний контакт, комутацію, навантаження |
| Виступаюча слюда (недостатнє продорожування) | Ізоляція не заглиблена нижче міді після проточування | Виміряти глибину канавок, за потреби продорожити повторно |
| Сколювання країв ламелей | Надмірне продорожування або відсутність фасок | Оглянути краї ламелей, за потреби зняти фаски |
| Ослаблення ламелей, деренчання | Втрата стяжного зусилля, послаблення гайки чи бандажа, термоцикли | Виміряти биття, простукати ламелі, підтягнути стяжку |
| Обгорілі чи виїдені ламелі | Попереднє сильне іскріння, круговий вогонь, блукаючі струми через підшипники | Оглянути поверхню, виміряти опір ізоляції, оцінити потребу заміни ламелей |
| Пошкодження з’єднання петушка | Тріщина чи холодна пайка, вібрація, локальний перегрів | Виміряти опір між сусідніми ламелями, перевірити пайку чи зварний шов |
| Биття або овальність робочої поверхні | Неправильне проточування, деформація вала, ослаблення пакета, знос підшипників | Виміряти биття індикатором, перевірити вал і підшипники |
Методи діагностики стану колектора
- 01Візуальний огляд — колір і рівномірність робочої плівки, відсутність борозен, підгоряння, виступаючих ламелей чи петушків, слідів дуги між ламелями.
- 02Вимірювання опору між сусідніми ламелями мілліомметром по всьому колу — значення повинні бути практично однаковими з урахуванням опору самої секції; відхилення в одній точці вказує на дефект секції чи петушка.
- 03Імпульсне випробування (сурдж-тест) через ламелі обмотки якоря — виявляє міжвиткове замикання в конкретній секції, недоступне для звичайного вимірювання опору ізоляції.
- 04Вимірювання биття та овальності індикатором годинникового типу під час повільного обертання на верстаті чи безпосередньо в машині, з порівнянням отриманого значення з допуском для даної частоти обертання.
- 05Вимірювання опору ізоляції «ламелі — вал» мегаомметром, за потреби доповнене випробуванням підвищеною напругою.
- 06Тепловізійний контроль під навантаженням — виявляє локальний нагрів окремої ламелі чи петушка, непомітний під час статичних вимірювань.
Чого не слід робити
- проточувати колектор без наступного продорожування слюди — виступаюча ізоляція спричинить вібрацію та іскріння щіток;
- продорожувати на випадкову глибину без урахування ширини канавки та стану щіток;
- залишати гострі краї ламелей після продорожування без зняття фасок;
- шліфувати колектор грубим чи електропровідним абразивом, залишаючи струмопровідний пил у канавках;
- підтягувати стяжну гайку чи бандаж «на око», без контролю моменту чи биття;
- ігнорувати ослаблені або такі, що деренчать, ламелі, продовжуючи експлуатацію машини;
- заміняти лише одну ламель без перевірки суміжних і без повного відновлення стяжного зусилля пакета;
- вводити відремонтований колектор в експлуатацію без вимірювання опору ізоляції та без балансування.
Поширені запитання
Чим колектор відрізняється від контактних кілець?
Контактні кільця суцільні і лише передають струм до обмотки ротора, нічого не перемикаючи. Колектор складається з ізольованих одна від одної ламелей і виконує механічну комутацію — перемикання секцій обмотки якоря синхронно з обертанням.
Чому ламелі виготовляють клиноподібними?
Клиноподібний (трапецієподібний) профіль дозволяє зібрати ламелі в самофіксівний циліндр за принципом ластівчиного хвоста — кожна пластина утримує сусідню від радіального зміщення без додаткового кріплення кожного сегмента окремо.
Що таке продорожування і чому його регулярно повторюють?
Це заглиблення міжламельної слюди нижче рівня міді. Оскільки мідь і слюда зношуються з різною швидкістю, а кожне проточування знімає частину обох матеріалів, продорожування доводиться повторювати після кожного суттєвого проточування колектора.
Чи можна відремонтувати колектор пресованої (литої) конструкції?
Поверхневі дефекти — проточування, продорожування, зняття фасок — виконуються так само, як і на інших конструкціях. Але заміна окремої ламелі чи відновлення стяжного зусилля пакета зазвичай неможливі, тому при внутрішньому пошкодженні такий колектор частіше замінюють цілком.
Чи впливає матеріал ламелей на стійкість до іскріння?
Так. Мідь з домішками срібла, кадмію чи хрому має вищу температуру розм’якшення й краще протистоїть наклепу та оплавленню під щіткою при короткочасному сильному іскрінні, хоча правильний підбір щіток і налаштування комутації залишаються основним фактором.
Як часто потрібно перевіряти стан колектора?
У межах планового обслуговування щітково-колекторного вузла, а також обов’язково — при появі іскріння, вібрації, підвищеного нагріву колектора чи після заміни щіток або ремонту якоря.
Чи можна оцінити стан колектора без розбирання двигуна?
Значну частину перевірок — візуальний огляд, вимірювання опору між ламелями, теплове зображення під навантаженням, а часто й биття — можна виконати через оглядові вікна чи знявши щітки, не розбираючи машину повністю.
Послуги ТОВ ВКФ «Електропромремонт»
ТОВ ВКФ «Електропромремонт» виготовляє та ремонтує колектори двигунів і генераторів постійного струму власними силами — від точіння окремих ламелей до повного виготовлення нового колектора за кресленням чи за виміряним зразком демонтованого вузла.
До переліку робіт входять:
- дефектація колектора та визначення обсягу ремонту;
- проточування робочої поверхні та продорожування міжламельної ізоляції;
- зняття фасок з країв ламелей після продорожування;
- заміна окремих пошкоджених ламелей і міжламельної ізоляції;
- перевірка й перепайка з’єднань петушків з обмоткою якоря;
- виготовлення нового колектора за кресленням або за виміряним зразком;
- вимірювання опору ізоляції, биття та балансування після ремонту.
Важливе застереження
Матеріал має інформаційний характер. Наведені значення, методи діагностики, обсяг робіт та рекомендації є загальними і не замінюють технічну документацію виробника. Остаточне рішення щодо конкретної машини приймається за результатами її діагностики та дефектації з урахуванням типу, потужності, конструкції, режиму роботи, історії експлуатації та застосовних стандартів.
Потрібен ремонт колектора?
Проведемо дефектацію колектора, виконаємо проточування, продорожування чи повне виготовлення нового вузла з контролем ізоляції та геометрії.