В статье описаны технологические советы, упрощающие сложные и трудоемкие процессы намотки якорей и статоров электрифицированного инструмента. В статье кратко описаны конструкции электродвигателей ручного инструмента, приведены схемы обмоток и их подключение, рисунки приспособления и подробное описание технологических процессов по их ремонту и монтажу.
Большинство ручного электрифицированного инструмента (в основном, это электродрели, перфораторы, «болгарки», циркульные пилы, шуруповерты, цепные пилы и т.п.) содержит сетевые коллекторные электродвигатели, которые, в основном, состоят из статора с двумя электромагнитными полюсами, якоря (рис.1) и щеточного механизма с двумя графитными щетками. Основными причинами отказов электродвигателей являются нарушение технологии при производстве, механические перегрузки и превышение длительности непрерывной работы. В результате чего перегревается обмоточный провод, который при этом расширяется, что разрушает его изоляцию и приводит к замыканию витков. Возможны также обрывы концов обмоток от ламелей коллектора, если они не имеют бандажа. Описанные в литературе методы ремонта обмоток якорей и статоров рекомендуют сложную технологию перемотки проводом того же диаметра, в результате чего необходимо намотать 1000-2000 витков тонкого провода с помощью специальных приспособлений [1]. А это требует соответствующего опыта, знаний и кропотливого труда.
Рис. 1
Чаще всего выходят из строя якоря двигателей, которые имеют более сложную конструкцию и более плотную укладку обмоточного провода в пазах якоря. Наличие короткозамкнутых витков или обрывов концов обмоток в якоре при исправных щетках и коллекторе проявляется в виде кругового искрения щеток, быстрого нагрева инструмента и потере мощности двигателя. Обрывы концов обмоток устраняются путем пайки концов к ламелям коллектора, наложением бандажа из ниток и равномерной пропиткой его эпоксидным клеем. Сложность перемотки якоря на порядок выше по сравнению с перемоткой статора, к тому же требует его статической и динамической балансировки, поэтому чаще всего авторы публикаций предлагают заменять их новыми, заводского изготовления. Это проще всего, но дорого.
Столкнувшись с аналогичной проблемой у моей «болгарки» и определив, что ее механическая часть находится в хорошем состоянии, мне стало жалко ее выбрасывать, и было решено перемотать ее якорь, который имел обмотки с потемневшей изоляцией. О наличии короткозамкнутых витков я дополнительно убедился, измеряя индуктивность обмоток между соседними ламелями коллектора мультиметром типа MY6243 фирмы Mastech. Тестером это определить невозможно, так как доля сопротивления одного короткозамкнутого витка ничтожна по сравнению с сопротивлением целой обмотки, а вот на индуктивность обмотки коротко- замкнутый виток влияет существенно. Авторы публикаций в Интернете по ремонту электродвигателей рекомендуют выжигать обмотки якорей, так как они пропитаны клеем или лаком — просто извлечь или размотать их невозможно. Процесс выжигания требует снятия шарикоподшипников и может привести к деформации вала, что рекомендуется устранять после путем высокоточной проточки якоря на токарном станке после его перемотки. Естественно, мной это было отвергнуто и использована другая технология.
Обхватив якорь полоской толстого мягкого картона, зажал его в тиски так, чтобы он плотно держался и не деформировался. Ножовкой по металлу с мелкими зубьями вплотную к обоим торцам пазов рабочей части якоря обрезал обмотки, несколько раз проворачивая и переставляя якорь. Торцы обрезанных секций обмоток не должны выступать из пазов якоря. После этого якорь слегка зажимается в тиски торцами рабочей части. Подбирается стальной стержень с плоским торцом и диаметром, чуть меньшим ширины паза якоря. Этим стержнем и молотком выпрессовываются части обрезанных секций обмоток. При этом также выпрессовываются клинья, которыми крепятся обмотки в верхних частях пазов. Клинья необходимо сохранить. После этого якорь необходимо подготовить к намотке провода.
Для облегчения процесса намотки якоря было решено использовать более толстый, чем использованный в якоре, и имеющийся в наличии провод ПЭВ-2-0,5, в результате чего, с соответствующей перемоткой обмоток статора, двигатель станет низковольтным. Каким будет рабочее напряжение инструмента, не столь важно, и будет определено в процессе испытаний питанием его от ЛАТРа. Главное, чтобы инструмент работал. Учитывая, что двигатель будет низковольтным, было решено отказаться от изоляционных прокладок и создать изоляцию пазов и торцов якоря путем нанесением тонкого слоя эпоксидного клея. Все острые углы на стыках пазов и торцевой части якоря перед нанесением клея закругляются круглым надфилем. Желательно отполировать ламели коллектора нулевой наждачной шкуркой и прочистить зазоры между ними. Места подключения концов обмоток к ламелям необходимо зачистить и залудить. После нанесения и полимеризации клея якорь готов к намотке обмоток.
Данный якорь имеет 12 пазов и 24 коллекторные ламели. Щетки размещены перпендикулярно оси полюсов статора. Учитывая, что в якоре применена схема петлевой обмотки, в каждом пазу будет размещено по четыре секции. Схема намотки для такого варианта двигателя показана на рис.2 [2]. Вверху показаны полюса якоря, а внизу — ламели коллектора. На схеме видно, что четыре секции начинают появляться в пазу между полюсами 5 и 6, а заканчивают появляться в конце намотки между полюсами 4 и 5. Если щетки двигателя располагаются вдоль оси полюсов статора, то концы обмоток должны быть смещены на 90°, то есть концы, подпаянные к ламели 1, должны быть подпаяны к ламели 7 и т.д. Об этом важном моменте в литературе упоминается очень не внятно либо вообще не упоминается [1].
Рис. 2
Исходя из площади поперечного сечения паза, сечения нового обмоточного провода, и с учетом коэффициента заполнения, было определено, что в один паз помещается 40 витков. Количество витков одной секции будет равно 10. Малое количество витков секции и повышенный диаметр провода до 0,5 мм позволяет производить намотку якоря вручную без специальных приспособлений и больших трудозатрат. Для намотки провода якорь аккуратно через мягкие прокладки зажимается в настольные тиски крыльчаткой вентилятора коллектором к себе. Катушка с проводом располагается внизу на горизонтальном стержне. Конец провода зачищается и припаивается к ламели 1.
В начале намотки провод возле коллектора левой рукой слегка прижимается в направлении вала, а правой рукой наматывается первый виток. Прогибы концов провода возле коллектора необходимы для намотки бандажа по окончанию намотки якоря и должны быть одинаковыми. В процессе намотки необходимо постоянно контролировать отсутствие замыканий наматываемого провода на корпус, чтобы потом не перематывать все заново. Для этого на коллектор и вал якоря наматывается по несколько витков оголенных проводов, к концам которых подключается омметр. Последующие витки продолжают наматываться правой рукой, а левой рукой провод равномерно укладывается на торцах якоря и придерживается для выравнивания и укладки провода в пазы. Конец секции формуется под бандаж, зачищается, складывается вдвое, сжимается плоскогубцами, чтобы устранить петлю, припаивается к следующей ламели и является началом следующей секции.
По мере намотки якорь в тисках переставляется на нужный угол, а провод в пазах уплотняется плоской деревянной палочкой. Конец последней секции припаивается к ламели 1. После намотки всех секций на провод возле коллектора наматывается бандаж из тонких ниток. После этого необходимо обновить все пайки и сделать их по возможности одинаковыми. Это и последующая равномерная пропитка обмоток и бандажа необходимы для сохранения статической и динамической балансировки якоря. В авторском варианте ремонта это удалось. Перед пропиткой можно якорь и эпоксидный клей нагреть примерно до 40°С на комнатной батарее или масляном радиаторе. На коллектор, для защиты от попадания клея, намотать пару витков изоленты. Клей равномерно наносится узким деревянным шпателем, сначала на бандаж затем на торцевые части секций со стороны коллектора. Якорь немного подержать вертикально вверх коллектором. После этого нанести клей в пазы и вставить клинья. Далее закрепить в тисках якорь вертикально коллектором вниз за шарикоподшипник через мягкий картон и нанести клей на торцевые части секций со стороны крыльчатки вентилятора. Такое крепление даст возможность вращать якорь и следить за вытекающим клеем, чтобы своевременно убирать излишки и выравнивать его поверхность.
Шпатель для этой цели необходимо пропитать машинным маслом. Процесс полимеризации эпоксидного клея происходит медленно и длится около 4 ч, поэтому после первых 30 мин следить за процессом можно реже и периодически переворачивать якорь в вертикальном положении. После полной полимеризации клея якорь готов к установке на свое место, но после перемотки обмоток статора.
Для перемотки статор необходимо извлечь из корпуса. В авторском варианте статор плотно вставлен в сформованное для него место в корпусе, до упора задней части. Передняя его часть фиксируется пластмассовым цилиндром, который двумя выступами упирается в статор между обмотками, а четырьмя выступами — в съемный корпус редуктора. Для извлечения статора необходимо отсоединить четыре его вывода и вытянуть из корпуса.
Если статор не удается извлечь простым путем, то необходимо применить винтовой механизм, например, показанный на рис.З,
Рис. 3
где обозначены:
1 — верхняя опорная пластина;
2 — корпус статора;
3 — железо статора;
4 — центрирующая шайба;
5 — нижняя опорная пластина.
Возможно, между верхней пластиной и корпусом будет необходимо подкладывать деревянные рейки по бокам статора.
Исходя из того, что обмотки статора включены последовательно со щетками якоря, а верхняя и нижняя части обмоток якоря подключаются к щеткам параллельно, сечение провода статора должно быть в два раза больше провода якоря. Учитывая, что обмотки статора менее плотны и лучше охлаждаются, это соотношение может быть уменьшено до 1,8-1,9. Соотношение количества витков статора к количеству витков в пазу якоря в реальном двигателе равно 3,4. В этом варианте обе обмотки статора должны иметь 40×3,4=136 витков. В результате обмотки статора были намотаны проводом ПЭВ-2-0,62 по 70 витков.
Для намотки обмоток необходимо изготовить оправку. Для этого из фанеры толщиной равной ширине паза статора вырезается прямоугольник с закругленными торцами. Ширина прямоугольника равна ширине узкой части полюса плюс 5 мм, длина его на 2 см больше длины статора. Из тонкой фанеры или текстолита вырезается две щечки, ширина и длина которых на 2 см больше предыдущей детали. По углам одна щечка крепится симметрично к внутренней детали короткими шурупами (4 шт.), в которой возле внутренней детали сверлится отверстие для закрепления провода начала катушки (рис.4).
Рис. 4
Вторая щечка крепится гайкой при сборке. По центру оправки сверлится сквозное отверстие диаметром 8,2 мм. В это отверстие вставляется болт или шпилька с резьбой М8 и с помощью гаек оправка зажимается, как показано на рис.5, где обозначены:
Рис. 5
1 — шпилька;
2, 7 – гайки;
3, 5 — щечки;
4 — внутренняя деталь;
6 — шайба.
Для крепления этого приспособления используется дрель, которая любым способом крепится к столу, например, привязывается к тискам так, чтобы ее патрон выступал за край столешницы.
Приспособление зажимается в патрон, и можно приступать к намотке катушек. Перед началом намотки с обоих торцов оправки необходимо липкой стороной внутрь приклеить полоски изоленты длиной около 8 см к внутренней детали и к щечкам для закрепления витков катушки после намотки. Провод начала катушки вставляется в отверстие, закрепляется на шпильке, и производится намотка путем вращения оправки одной рукой и укладки провода другой рукой без особой натяжки. После намотки гайку 7 отвинчивают, оправку с катушкой снимают со шпильки, кладут на стол и снимают верхнюю щечку. Нижние концы изоленты укорачивают так, чтобы они не загибались при наложении на их липкую поверхность верхних концов. После этого катушку снимают и ее витки окончательно закрепляют изолентой.
Точно также наматывают вторую катушку. Выводы катушек должны быть направлены в сторону коллектора и иметь запас по длине на случай переполюсовки выводов по отношению к щеткам коллектора, если двигатель будет вращаться не в нужном направлении. Статор двигателя кладут на стол полюсом вниз. На нем монтируют первую катушку. В пазы полюсов вклеивают полоски бумажной изоляции быстросохнущим клеем. Сначала вставляют одну сторону катушки, затем путем растяжки ее по ширине вставляют вторую сторону катушки. После этого статор переворачивают и точно также монтируют вторую катушку. Очень важно, чтобы при монтаже катушек, когда они находятся внизу, их начала были с одной и той же стороны. А в собранном виде начала катушек будут диаметрально противоположны. Выступающие торцевые части катушек формуют так, как показано на рис.6, и пропитывают эпоксидным клеем вместе с боковыми частями.
Рис. 6
После полимеризации клея двигатель собирают, концы статорных обмоток подпаивают к контактам щеткодержателей по схеме рис.7, проверяют сопротивление изоляции, которое должно быть не менее 1 МОм.
Рис. 7
Графитные щетки заменяют медно-графитными, так как при той же мощности и меньшем напряжении питания увеличится ток двигателя, при котором графитные щетки будут перегреваться. В авторском варианте были использованы обработанные на заточном станке по размеру графитных щеток сработанные щетки от стартера автомобиля. После этого двигатель подключают к ЛАТРу и плавным повышением напряжения запускают. Если направление вращения окажется обратным, то необходимо выводы статора, подключенные к щеткам, поменять местами. После этого инструмент собирают окончательно и испытывают на работоспособность и нагрев в условиях реальной резки металла в течение примерно 10 мин. При этом измеряют вольтметром то напряжение, при котором инструмент работает так же, как и ранее, исходя из опыта прежней его эксплуатации. В авторском варианте инструмент нормально работает от напряжения 50 В. Для удобства эксплуатации изготовлен понижающий трансформатор с выводами вторичной обмотки 40 В, 50 В и 60 В на случаи колебаний напряжения сети. К тому же трансформатор осуществляет развязку сети 220 В от инструмента, что повышает электробезопасность работ. Если питать инструмент постоянным током, то его мощность увеличится при меньшем питающем напряжении, а нагрев уменьшится за счет отсутствия токов Фуко в статоре.
В заключение полезно отметить, что увеличение диаметра обмоточного провода повышает процент меди в пазу по отношению к его изоляции, так как несколько тонких проводников с таким же суммарным сечением содержат внутреннюю изоляцию, которая занимает больше места, чем изоляция одного толстого проводника. Соблюдая изложенные выше рекомендации и соотношение витков обмоток статора и якоря, можно таким образом ремонтировать большинство из перечисленных выше электроинструмента, а также при ремонте изготовить инструмент на напряжение 12 В и питать его от бортовой сети автомобиля в местах, где нет промышленной сети 220 В / 50 Гц.
Литература
- Кокорев А.С. Электрослесарь по ремонту электрических машин. — М.: Высшая школа, 1989. — С.40-51.
- Кремса Р.В. Ремонт якорей электродвигателей малой мощности // Электрик. — 2005. — №11-12. -С. 13.
- Хрущев В. В. Электрические машины систем автоматики. — Л.: Энергоатомиздат, 1985. — С. 124-126.
Автор: Анатолий Журенков, г. Запорожье
Источник: журнал Радиоаматор №9, 2015
