Выводы обмоток электродвигателя — схемы соединения. Трехфазный асинхронный двигатель Особенности ремонта асинхронной машины

Во многих бытовых приборах сегодня используются электродвигатели. Главная их особенность в том, что они работают асинхронно. Это позволяет держать постоянную частоту вращения ротора даже при меняющихся нагрузках.

Все выпускаемые электродвигатели имеют разные конструктивные особенности. Каждая модификация может отличаться по количеству полюсов, типу ротора, и других составных частей. Технология перемотки электродвигателей делается по общему принципу, в некоторых нюансах могут быть различия.

Если устройство вышло из строя, то нужно обратиться в мастерскую. При ее отсутствии можно попытаться сделать перемотку двигателя в домашних условиях. Желательно иметь для этого необходимые навыки, но в целом этот процесс не такой сложный на вид.

«Движки» имеют два типа обмотки:

статорная;
роторная.

Если учесть, что конструкция и размеры устройств разные, можно дать общую инструкцию для перемотки двигателей. Остановимся на тех, которые используются в бытовых приборах и питаются от переменного тока.

Осмотр двигателя

В случае поломки следует извлечь двигатель из бытового прибора. Очистив составные элементы, проводится внешний осмотр обмоток. Главное точно определить, где произошел пробой. Иногда случается так, что сгорают роторная и статорная обмотки. И тогда нужно их полностью заменить.

Когда возникает неисправность, внутри корпуса двигателя повышается температура. Это приводит к нарушению изоляции на всех элементах. Поэтому, в ремонте электродвигателя заменяются обмотки, и изоляционные покрытия.

Подготовительные работы

Для начала разберемся, как правильно перемотать электродвигатель. Первое что следует сделать – это определить параметры провода и количество витков в катушке. Тут поможет интернет. На форумах люди обсуждают подобные проблемы, а так же рассказывают о личном опыте, как они перематывали двигатели.

ВАЖНО! Необходимо найти точно такую же модель устройства, в противном случае после ремонта «движок» может не запуститься!

При отсутствии нужной информации в интернете, можно узнать ее самостоятельно при осмотре «движка». При сильном выгорании «укладок» находим наиболее целый участок обмотки. Его нужно почистить.

Чтобы избавить провода от нагара воспользуйтесь растворителями. Теперь «катушки» не стоит жалеть, они уже не пригодны. Если не получается очистить обмотку растворителем, то можно ее обжечь.

Есть различные схемы перемотки электродвигателей. Прежде чем извлекать «катушки», следует обратить внимание, как они соединены между собой. И тогда в точности можно скопировать их сборку.

Выступающую верхушку «укладки» надо срезать. Для этого подготовим соответствующий инструмент, все зависит от сечения провода. Чем оно больше, тем серьезнее инструмент понадобится. Срезанную часть нужно разделить на отдельные провода. Так удобнее определить сечение и количество витков.

Сняв обмотку, проверяем железо, на которую она была намотана. Сталь должна быть гладкой без вмятин и заусенций. Дефекты способны повредить изоляционный слой медных проводов, что приведет к очередному пробою. Поэтому все неровности следует зачистить наждачной бумагой.

Если в стальных пазах имеется нагар, от него тоже следует избавиться. Это поможет избежать дальнейших сложностей при работе с изоляцией и проводами.

Как подобрать провод

Чтобы мощность электродвигателя была прежней, следует подбирать провод с таким же сечением, какое и было. Это позволит намотать заданное количество витков.

Если не удается этого сделать, то берется максимально приближенное сечение. Следует помнить о законе Ома, чем меньше диаметр проводника, тем выше его сопротивление.

ВАЖНО! К подбору проводов относятся очень серьезно. Неправильное сечение приведет к перегреву двигателя, изоляционный лак будет плавиться и как следствие приведет к замыканию!

Наматывать обмотку нужно с помощью шаблона, который изготавливается самостоятельно из картона. Он должен соответствовать размерам «железа». Чтобы добиться аккуратного расположения витков используют специальный станок для намотки провода. Это все, что нужно для перемотки двигателя.

Укладка, выполненная вручную, может иметь дефекты. Возникает вероятность уложить провода не плотно, что приведет к увеличению размеров обмотки, и трудностям ее монтажа.

Монтаж и пропитка

Перемотка статора электродвигателя своими руками не представляет особых трудностей. Главное в этом деле – аккуратность.

ВАЖНО! Вставленная в пазы изоляция не должна торчать. Поэтому лишнюю часть обрезают, иначе в процессе работы двигателя, она может задевать ротор!

Чтобы сделать полную изоляцию всех токопроводящих частей применяют специальный лак. На рынке он представлен в большом ассортименте. Но по факту он разделяется на два типа. Первый засыхает при обычных температурах, а второй только после термической обработки.

Проверка и включение

Перед первым после ремонта запуском двигателя его нужно как следует проверить. Для начала все вставленные «катушки» прозванивают. Это поможет узнать наличие обрыва или плохого контакта. Между «укладками» замеряется сопротивление, чтобы при включении не возникло короткого замыкания.

Сразу подавать 220 В на двигатель не стоит, лучше подать пониженное напряжение. Пусть ротор крутится медленно, тут главное выяснить, не греется ли двигатель. Если все прошло хорошо, и не появился дым, значит, ремонт двигателя прошел удачно.

В интернете есть много фото по перемотке двигателей. Это поможет новичкам наглядно ознакомиться с процессом.

Фото процесса перемотки электродвигателей

Однофазный асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором должен иметь пусковую и рабочую обмотки. Их расчет производят так же, как расчет обмоток трехфазных асинхронных двигателей.

Число проводников в пазу рабочей обмотки (укладывается в 2/3 пазов статора)
N р = (0.5 ÷ 0.7) x N x U с / U ,
где N - число проводников в пазу трехфазного электродвигателя;
U с - напряжение однофазной сети, В;
U - номинальное напряжение фазы трехфазного двигателя, В.

Меньшие значения коэффициента берутся для двигателей большей мощности (около 1 кВт) с кратковременным и повторно-кратковременным режимами работы.

Диаметр (мм) провода по меди рабочей обмотки
,
где d - диаметр провода по меди трехфазного двигателя, мм.

Пусковая обмотка укладывается в 1/3 пазов.

Наиболее распространены два варианта пусковых обмоток: с бифилярными катушками и с дополнительным внешним сопротивлением.

Обмотка с бифилярными катушками наматывается из двух параллельных проводников с разным направлением тока (индуктивное сопротивление рассеяния бифилярных обмоток близко к нулю).

Пусковая обмотка с бифилярными катушками

1. Число проводников в пазу для основной секции
N п ′ = (1,3 ÷ 1,6) N р.

2. Число проводников в пазу для бифилярнои секции
N п ′′ = (0,45 ÷ 0,25) N п ′.

3. Общее число проводников в пазу
N п = N п ′ + N п ′′

4. Сечение проводов
s п ′ = s п ′′ ≈ 0.5s р, где s р - сечение рабочей обмотки.

Пусковая обмотка с внешним сопротивлением

1. Число проводников в пазу
N п = (0.7 ÷ 1) N р.

2. Сечение проводов
s п = (1,4 ÷ 1) s р.

3. Добавочное сопротивление (окончательно уточняется при испытаниях двигателя) (Ом)
R д = (1,6 ÷ 8) x 10 -3 x U с / s п,
где U с - напряжение однофазной сети, В.

Для получения большого пускового момента предпочтение следует отдать второму варианту пусковой обмотки, так как в этом случае существует возможность получения наибольшего пускового момента путем изменения внешнего сопротивления.

Ток однофазного электродвигателя определяют по вычисленному сечению для рабочей обмотки и плотности тока в обмотке трехфазного двигателя I 1 = s р δ , где δ - допустимая плотность тока (6-10 А/мм²).

Мощность однофазного электродвигателя Р = U x I x cos φ x η

Таблица. Произведение cos φ на кпд

При мощности двигателя свыше 500 Вт значения η и cos φ можно брать как для трехфазных асинхронных двигателей, снизив мощность однофазного двигателя по приведенной выше формуле на 10-15%.

Пример пересчета трехфазного двигателя на однофазную обмотку

Пересчитать трехфазный двигатель на однофазную обмотку. Мощность электродвигателя 0,125 кВт, напряжение 220/380 В, синхронная частота вращения 3000 об/мин; число проводников в пазу 270, число пазов статора 18. Провод марки ПЭВ-2, диаметр по меди 0,355 мм, сечение 0,0989 мм 2 . Заданное напряжение однофазного двигателя 220 В.

1. Рабочая обмотка занимает 2/3 пазов, а пусковая 1/3 пазов
(z р = 12, z п = 6).

2. Число проводников в пазу рабочей обмотки
N р = 0.6 x N x U с / U = 0.6 x 270 x 220 / 220 = 162.

3. Диаметр провода рабочей обмотки по меди
мм,
где d = 0.355 мм - диаметр провода по меди трехфазного двигателя.
Берем провод ПЭВ-2, d p = 0,45 мм, s р = 0,159 мм².

4. Пусковую обмотку принимаем с внешним сопротивлением.

5. Число проводников в пазу
N п = 0.8 x N р = 0.8 x 162 ≈ 128.

6. Сечение проводов пусковой обмотки
s п ′ = 1.1 x s р = 1.1 x 0.159 = 0,168 мм².

Берем провод ПЭВ-2 диаметром по меди
d п = 0,475 мм, s п = 0,1771 мм².

7. Добавочное сопротивление
R д = 4 x 10 -3 x U с / s п = 4 x 10 -3 x 220 / 0,1771 ≈ 5 Ом.

8. Ток однофазного электродвигателя
при δ = 8 А/мм² I 1 = s р δ = 0,159 x 8 = 1,28 А.

9. Мощность однофазного электродвигателя
Р = U x I x cos φ x η = 220 x 1,28 x 0,4 = 110 Вт.

Во многих бытовых устройствах и самодельных конструкциях в качестве привода используются электрические машины небольшой мощности. Несмотря на высокую надежность электромоторов, их выход из строя по ряду причин – не редкость. Учитывая относительно высокую стоимость этих устройств, практичнее осуществлять их ремонт, а не замену. Предлагаем рассмотреть возможность перемотки электродвигателей в домашних условиях.

Виды электродвигателей и особенности их ремонта

Как правило, в быту используются коллекторные моторы постоянного тока и бесколлекторные асинхронные двигатели переменного тока. Именно ремонт этих приводов мы и будем рассматривать. Информацию о принципе действия и конструктивных особенностях асинхронных и коллекторных машин можно найти на нашем сайте.

Что касается синхронных приводов, то в быту они практически не используются, поэтому в данной публикации эта тема не затрагивается.

Особенности ремонта асинхронной машины

Проблемы с двигателем любого типа могут иметь механический или электрический характер. В первом случае свидетельствовать о неисправности может сильная вибрация и характерный шум, как правило, это говорит о проблемах с подшипником (обычно в торцевой крышке). Если вовремя не устранить неисправность, вал может заклинить, что неминуемо приведет к выходу из строя обмоток статора. При этом тепловая защита автоматического выключателя может не успеть сработать.

Исходя из практики, в 90% выход из строя асинхронных машин возникают проблемы с обмоткой статора (обрыв, межвитковое замыкание, КЗ на корпус). При этом короткозамкнутый якорь, как правило, остается в рабочем состоянии. Поэтому даже при механическом характере повреждений необходимо произвести проверку электрической части.

Проверка обмотки

В большинстве случаев проблема может быть обнаружена по внешнему виду и характерному запаху (см. рис. 1). Если эмпирическим путем неисправность установить не удается, переходим к диагностике, которая начинается с прозвонки на обрыв. Если таковая обнаруживается, выполняется разборка двигателя (этот процесс будет описан отдельно) и тщательный осмотр соединений. Когда дефект не обнаружен, можно констатировать обрыв в одной из катушек, что требует перемотки.

Если прозвонка не показала обрыва, следует переходить к измерению сопротивления обмоток, при этом учитывать следующие нюансы:

сопротивление изоляции катушек на корпус должно стремиться к бесконечности;
у трехфазного привода обмотки должны показывать одинаковое сопротивление;
у однофазных машин сопротивление пусковых катушек превышает данные показания рабочих обмоток.

Помимо этого следует учитывать, что сопротивление статорных катушек довольно низкое, поэтому для его измерения бессмысленно использовать приборы с низким классом точности, к таковым относятся большинство мультиметров. Исправить ситуацию можно собрав несложную схему на потенциометре с добавлением дополнительного источника питания, например автомобильной аккумуляторной батареи.

Методика измерений следующая:

Подключается катушка привода к схеме, представленной выше.
Потенциометром устанавливается ток 1 А.
Производится расчет сопротивления катушке по следующей формуле: , где R К и U ПИТ были описаны на рисунке 2. R – сопротивление потенциометра, – падение напряжения на измеряемой катушке (показывает вольтметр на схеме).

Стоит также рассказать о методике, позволяющей определить место межвиткового замыкания. Это делается следующим образом:

Статор, освобожденный от ротора, подключается через трансформатор к пониженному питанию, предварительно поместив к нему стальной шарик (например, от подшипника). Если катушки рабочие, шарик будет циклически двигаться по внутренней поверхности безостановочно. При наличии межвиткового КЗ, он «прилипнет» к этому месту.

Особенности ремонта коллекторных приводов

У данного типа электромашин чаще возникают механические неисправности. Например, стирание щеток или засорение контактов коллектора. В таких ситуациях ремонт сводится к чистке контактного механизма или замене графитовых щеток.

Тестирование электрической части сводится к проверке сопротивления обмотки якоря. В этом случае щупы прибора двум соседним контактам (ламелям) коллектора, после снятия показаний производится измерение далее по кругу.

Отображенное сопротивление должно быть примерно одинаковым (с учетом погрешности прибора). Если наблюдается серьезное отклонение, то это говорит, что имеет место быть межвитковое КЗ или обрыв, следовательно, необходима перемотка.

Обмоточные данные электродвигателей

Это справочные данные, поэтому самый надежный способ получить такую информацию – обратиться к соответствующим источникам. Эти данные также могут приводиться в паспорте к изделию.

В сети можно встретить советы, в которых рекомендуют при перемотке вручную пересчитать витки и измерить диаметр провода. Это трата времени. Значительно проще и надежней по маркировке двигателя найти всю необходимую информацию, в которой будут указаны следующие параметры:

номинальные рабочие характеристики (напряжение, мощность, потребляемый ток, число оборотов и т.д.);
количество проводов для одного паза;
Ø проволоки (как правило, в данном показателе изоляция не учитывается);
информация о внешнем и внутреннем диаметре статора;
количество пазов;
с каким шагом выполняется обмотка;
размеры ротора и т.д.

Ниже представлен фрагмент таблицы с намоточными данными для электромашин типа 5A.

Пошаговая инструкция перемотки электродвигателя своими руками

Необходимо сразу предупредить, что без спецоборудования и навыков работы перемотка катушек будет, скорее всего, бесполезным занятием. С другой стороны отрицательный опыт это тоже опыт. Понимание сложности процесса является лучшим объяснением его стоимости.

Первый этап – демонтаж

Мы приводим алгоритм действий для асинхронных машин, он следующий:

Отключаем привод от сети (380 или 220 В).
Демонтируем электромотор с конструкции, где он был установлен.
Снимаем задний защитный кожух охлаждающего вентилятора.
Демонтируем крыльчатку.
Откручиваем крепление торцевых крышек, после чего снимаем их. Начинать желательно с фронтальной части, после ее демонтажа ротор легко «выйдет» с тыловой крышки.
Вытаскиваем ротор.

Данный процесс можно существенно облегчить, если использовать специальное устройство – съемник. С его помощью легко освободить вал двигателя от шкива или шестерни, в также снять торцевые крышки.

Мы не будем приводить инструкцию по разборке коллекторного двигателя, поскольку особо не отличается. Строение электромашины данного типа можно найти на нашем сайте.

Этап второй – снятие обмотки

Очередность действий следующая:

При помощи ножа снимаем бандажный крепеж и изоляционное покрытие с мест соединений проводов. В некоторых инструкциях рекомендуется зафиксировать схему соединений, например, сделав фотоснимок. Делать это особого смысла нет, поскольку это справочная информация и узнать ее по марке двигателя не составляет проблемы.
Используя зубило, сбиваем верхушки проводов с каждого торца статора.
Освобождаем пазы, используя пробойник соответствующего диаметра.
Очищаем статор от грязи, копоти, лака пропитки.

На этом этапе мы рекомендуем остановиться, взять корпус и отвезти его специалистам. Самостоятельный демонтаж позволит снизить стоимость восстановительных работ. Как уже упоминалось выше, без спецоборудования качественно перемотать катушки довольно сложно. Для понимания сложности процесса опишем его технологию, что позволит облегчить выбор.

Перемотка статора (финальная фаза)

Процесс состоит из следующих действий:

Если на восстановление сдавался только корпус, рекомендуем перед тем, как включать мотор, проверить катушки.

Перемотка якоря

Процесс замены обмотки коллекторного двигателя несколько похож за исключением небольших нюансов, связанных с особенностью исполнения. Например, на перемотку отправляют якорь, а не корпус, при условии, что проблема возникла не с катушками возбуждения. Помимо этого имеются следующие отличия:

Для намотки применяется специальный станок, более сложной конфигурации.
Обязательно необходима проточка, балансировка якоря (в финальной части процесса), а также его чистка и шлифовка.
При помощи специального фрезерного станка производится нарезка коллектора.

Для перечисленных процессов требует спецоборудование, без него перемотка электродвигателей – пустая трата времени.

Состоит из двух основных частей - статора и ротора. Статор - неподвижная часть, ротор - вращающаяся часть. Ротор размещается внутри статора. Между ротором и статором имеется небольшое расстояние, называемое воздушным зазором, обычно 0,5-2 мм.

Статор асинхронного двигателя

Ротор асинхронного двигателя

Статор состоит из корпуса и сердечника с обмоткой. Сердечник статора собирается из тонколистовой технической стали толщиной обычно 0,5 мм, покрытой изоляционным лаком. Шихтованная конструкция сердечника способствует значительному снижению вихревых токов, возникающих в процессе перемагничивания сердечника вращающимся магнитным полем. Обмотки статора располагаются в пазах сердечника.

Корпус и сердечник статора асинхронного электродвигателя

Конструкция шихтованного сердечника асинхронного двигателя

Ротор состоит из сердечника с короткозамкнутой обмоткой и вала. Сердечник ротора тоже имеет шихтованную конструкцию. При этом листы ротора не покрыты лаком, так как ток имеет небольшую частоту и оксидной пленки достаточно для ограничения вихревых токов.

Принцип работы. Вращающееся магнитное поле

Принцип действия трехфазного основан на способности трехфазной обмотки при включении ее в сеть трехфазного тока создавать вращающееся магнитное поле.

Запустить

Остановить

Вращающееся магнитное поле асинхронного электродвигателя

Частота вращения этого поля, или синхронная частота вращения прямо пропорциональна частоте переменного тока f 1 и обратно пропорциональна числу пар полюсов р трехфазной обмотки.

где n 1 – частота вращения магнитного поля статора, об/мин,
f 1 – частота переменного тока, Гц,
p – число пар полюсов

Концепция вращающегося магнитного поля

Чтобы понять феномен вращающегося магнитного поля лучше, рассмотрим упрощенную трехфазную обмотку с тремя витками. Ток текущий по проводнику создает магнитное поле вокруг него. На рисунке ниже показано поле создаваемое трехфазным переменным током в конкретный момент времени

Запустить

Остановить

Магнитное поле прямого проводника с постоянным током

Магнитное поле создаваемое обмоткой

Составляющие переменного тока будут изменяться со временем, в результате чего будет изменяться создаваемое ими магнитное поле. При этом результирующее магнитное поле трехфазной обмотки будет принимать разную ориентацию, сохраняя при этом одинаковую амплитуду.

Магнитное поле создаваемое трехфазным током в разный момент времени Ток протекающий в витках электродвигателя (сдвиг 60°)

Запустить

Остановить

Действие вращающегося магнитного поля на замкнутый виток

Теперь разместим замкнутый проводник внутри вращающегося магнитного поля. По изменяющееся магнитное поле приведет к возникновению электродвижущей силы (ЭДС) в проводнике. В свою очередь ЭДС вызовет ток в проводнике. Таким образом, в магнитном поле будет находиться замкнутый проводник с током, на который согласно будет действовать сила, в результате чего контур начнет вращаться.

Влияние вращающегося магнитного поля на замкнутый проводник с током

Короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя

По этому принципу также работает . Вместо рамки с током внутри асинхронного двигателя находится короткозамкнутый ротор по конструкции напоминающий беличье колесо. Короткозамкнутый ротор состоит из стержней накоротко замкнутых с торцов кольцами.

Короткозамкнутый ротор "беличья клетка" наиболее широко используемый в асинхронных электродвигателях (показан без вала и сердечника)

Трехфазный переменный ток, проходя по обмоткам статора, создает вращающееся магнитное поле. Таким образом, также как было описано ранее, в стержнях ротора будет индуцироваться ток, в результате чего ротор начнет вращаться. На рисунке ниже Вы можете заметить различие между индуцируемыми токами в стержнях. Это происходит из-за того что величина изменения магнитного поля отличается в разных парах стержней, из-за их разного расположения относительно поля. Изменение тока в стержнях будет изменяться со временем.

Запустить

Остановить

Вращающееся магнитное поле пронизывающее короткозамкнутый ротор

Вы также можете заметить, что стержни ротора наклонены относительно оси вращения. Это делается для того чтобы уменьшить высшие гармоники ЭДС и избавиться от пульсации момента. Если стержни были бы направлены вдоль оси вращения, то в них возникало бы пульсирующее магнитное поле из-за того, что магнитное сопротивление обмотки значительно выше магнитного сопротивления зубцов статора.

Скольжение асинхронного двигателя. Скорость вращения ротора

Отличительный признак асинхронного двигателя состоит в том, что частота вращения ротора n 2 меньше синхронной частоты вращения магнитного поля статора n 1 .

Объясняется это тем, что ЭДС в стержнях обмотки ротора индуцируется только при неравенстве частот вращения n 2

где s – скольжение асинхронного электродвигателя,
n 1 – частота вращения магнитного поля статора, об/мин,
n 2 – частота вращения ротора, об/мин,

Рассмотрим случай когда частота вращения ротора будет совпадать с частотой вращения магнитного поля статора. В таком случае относительное магнитное поле ротора будет постоянным, таким образом в стержнях ротора не будет создаваться ЭДС, а следовательно и ток. Это значит что сила действующая на ротор будет равна нулю. Таким образом ротор будет замедляться. После чего на стержни ротора опять будет действовать переменное магнитное поле, таким образом будет расти индуцируемый ток и сила. В реальности же ротор никогда не достигнет скорости вращения магнитного поля статора. Ротор будет вращаться с некоторой скоростью которая немного меньше синхронной скорости.

Скольжение асинхронного двигателя может изменяться в диапазоне от 0 до 1, т. е. 0-100%. Если s~0, то это соответствует режиму холостого хода, когда ротор двигателя практически не испытывает противодействующего момента; если s=1 - режиму короткого замыкания, при котором ротор двигателя неподвижен (n 2 = 0). Скольжение зависит от механической нагрузки на валу двигателя и с ее ростом увеличивается.

Скольжение, соответствующее номинальной нагрузке двигателя, называется номинальным скольжением. Для асинхронных двигателей малой и средней мощности номинальное скольжение изменяется в пределах от 8% до 2%.

Преобразование энергии

Полеориентированное управления асинхронным электродвигателем по датчику положения ротора

Полеориентированное управление позволяет плавно и точно управлять параметрами движения (скоростью и моментом), но при этом для его реализации требуется информация о направлениии вектора потокосцепления ротора двигателя.

полеориентированное управление по датчику;
полеориентированное управление без датчика: положение потокосцепления ротора вычисляется математически на основе той информации, которая имеется в частотном преобразователе (напряжение питания, напряжения и токи статора, сопротивление и индуктивность обмоток статора и ротора, количество пар полюсов двигателя).

Полеориентированное управления асинхронным электродвигателем без датчика положения ротора

Для повышения КПД и снижения износа щеток некоторые АДФР содержат специальное устройство (короткозамкнутый механизм), которое после запуска поднимает щетки и замыкает кольца.

При реостатном пуске достигаются благоприятные пусковые характеристики, так как высокие значения моментов достигаются при невысоких значениях пусковых токов. В настоящее время АДФР заменяются комбинацией асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором и частотным преобразователем.