5-6. ЩЕТКИ И ЩЕТКОДЕРЖАТЕЛИ

Щетки служат для передачи тока от вращающихся пластин коллектора к неподвижным частям электродвигателя и обратно. Надежно работают только прессованные щетки из графитовых и угольных порошков. Щетки в виде медных пластинок, прилегающих к пластинам коллектора, быстро перегорают сами и сильно изнашивают пластины коллектора.

Щетки бывают квадратного или прямоугольного сечения. Щетки требуемых размеров можно выпилить лобзиком или выточить из сработанных щеток более крупных электрических машин, которые после износа выбрасывают. Для некоторых электродвигателей и генераторов, например для автомобильных генераторов, электродвигателей пылесосов и т. п., запасные щетки продаются в магазинах. Для торцевого коллектора рабочую поверхность щетки, прилегающую к коллектору, надо притереть шкуркой. Сложнее обстоит дело при цилиндрическом коллекторе. У него рабочая поверхность щетки должна быть вогнутой. Этого можно добиться, если приставить ее к вращающемуся цилиндру с шероховатой поверхностью, диаметр которого равен диаметру коллектора. Обычно для этой цели применяют деревянный барабан, оклеенный стеклянной шкуркой мелких номеров.

Щетки должны прижиматься к коллектору. Для этого служат щеткодержатели. Щеткодержатель электродвигателя заводского изготовления (рис. 2-10) состоит из латунной втулки с квадратным отверстием, в которое вставлена щетка 9. Латунная втулка опрессована пластмассой 7, которая изолирует ее от корпуса электродвигателя 10. Над щеткой помещается спиральная пружина из тонкой проволоки. Сверху на трубку навинчен колпачок 5, который удерживает щетку и пружинку от выпадания из трубки. Щеткодержатель запрессовывается в стенку корпуса электродвигателя. В двухполюсном электродвигателе должны быть два щеткодержателя со щетками. Щеткодержатели должны быть изолированы друг от друга и от корпуса электродвигателя. Для отвода тока к щеткодержателю должен быть привинчен или припаян изолированный проводник.

Для самодельного электродвигателя можно предложить более простую конструкцию щеткодержателя, показанную на рис. 5-13. Щеткодержатель состоит из двух медных или латунных пластинок, из которых одна 1 — плоская, а другая 2 — изогнутая. Она и образует окно для щетки прямоугольного сечения. Щеткодержатели привинчены винтами 3 к траверсе 4, выточенной из гетинакса или текстолита. На один из винтов надета пружина 5, которая прижимает щетку к коллектору.

Под головку другого винта зажимается провод, отводящий ток от щетки.

Траверса 4 прикрепляется двумя винтами к передней крышке электродвигателя. Для винтов сделаны продолговатые прорези 6, Благодаря этому при испытании электродвигателя можно передвигать щетки по окружности коллектора и наблюдать, в каком положении они будут меньше искрить. В этом положении траверсу закрепляют на крышке винтами.

5-7. БАЛАНСИРОВКА POТOPOB И ЯКОРЕЙ

Всякое тело вращается спокойно, если центр его тяжести лежит на оси вращения. Но при изготовлении ротора или якоря может получиться, что одна половина его тяжелее, чем другая. В якорях коллекторных электродвигателей это может произойти от неравномерного распределения проводов обмотки на торцах якоря, о чем уже было сказано в § 5-5. Но неравномерное распределение веса может произойти и оттого, что листы ротора имеют неодинаковую толщину в разных точках.

Во всех этих случаях центр тяжести ротора или якоря не будет совпадать с осью вращения. Если, например, центр тяжести смещен от оси вращения на 2 мм, то создастся центробежная сила, определяемая массой ротора, вращающегося по окружности радиусом 2 мм. Правда, окружность эта очень мала, но ротор обладает довольно большой массой и вращается со скоростью в несколько тысяч оборотов в минуту. Поэтому центробежная сила может во много раз превышать массу ротора. Эти силы при вращении будут толкать ротор в разные стороны и создавать большие нагрузки на подшипники электродвигателя. При вращении несбалансированного ротора электродвигатель сильно вибрирует.

Для устранения вибраций надо совместить центр тяжести ротора или якоря с осью вращения. Этот процесс называется балансировкой. На заводах балансировка производится на сложных машинах. Балансировку роторов и якорей самодельных электродвигателей можно производить на простом приспособлении.

Установите строго горизонтально две стальные линейки 2 (рис. 5-14). Горизонтальность линеек можно проверить, положив на них ровное стекло, на котором находится стальной шарик. Если шарик в любом положении будет стоять спокойно, то значит плоскость линеек горизонтальна. Если шарик начнет перекатываться, то надо выверить линейки, подкладывая кусочки бумаги с той стороны, в какую катится шарик. Еще точнее горизонтальность линеек можно выверить уровнем или ватерпасом, в котором воздушный пузырек перемещается в трубке и останавливается в ее середине, если корпус его лежит на горизонтальной плоскости. В выверенном положении линейки надо закрепить на дощечке.

Положите ротор 1 шейками вала на линейки 2 и, перекатывая его рукой, останавливайте в разных положениях. Если у ротора нет большого смещения центра тяжести, то он будет сохранять неподвижное состояние в любом положении. Но обычно ротор начинает перекатываться по линейкам. Он остановится тогда, когда центр его тяжести окажется в самой нижней точке. Если вывести его из этого положения, он снова в него вернется; теперь определено, в какую сторону сместился центр тяжести. Возьмите кусочек медной полоски и забейте ее в верхнюю часть паза со стороны, противоположной смещению центра тяжести. После нескольких проб можно подобрать массу кусочка так, что ротор перестанет перекатываться по линейкам. К ротору асинхронного электродвигателя можно припаивать кусочки олова на замыкающее кольцо обмотки.

Может показаться странным, как маленький кусочек металла смог уравновесить смещение центра тяжести тяжелого якоря или ротора. Это объясняется тем, что смещение центра тяжести происходит на небольшую величину, иногда на доли миллиметра. А грузик расположен на расстоянии радиуса якоря или ротора. Таким образом, момент маленького грузика относительно оси вращения оказывается равным моменту ротора относительно оси вращения.

5-8. ОБМОТКИ СТАТОРОВ

В этом параграфе описаны процессы обмотки статоров с сосредоточенной и распределенной обмотками. Процесс намотки катушки на статор П-образной формы начинается с изолировки сердечника. Для этого среднюю часть статора надо обернуть несколькими слоями пропарафиненной бумаги 1 так, чтобы общая толщина изоляции была не менее 1 мм (рис. 5-15). Затем из плотного картона надо вырезать фланцы 2, внутреннее отверстие которых должно иметь размеры сторон на 2 мм больше сторон изолированной части сердечника. С одной стороны, фланцы имеют сквозной прорез аб, чтобы их можно было надеть на сердечник статора. В одном фланце шилом надо проколоть отверстие 3 для вывода проводника от начала катушки. Намотку катушки следует производить правильными рядами, виток к витку, передвигаясь от одного фланца к другому и обратно. По окончании намотки конец катушки надо вывести через отверстие в другом фланце. Для напряжения 12 В, на которое изготовляются коллекторные электродвигатели, катушка имеет небольшое число витков и намотка ее вручную не представляет трудностей.

Асинхронные электродвигатели обычно рассчитывают на питание непосредственно от осветительной сети. Обмотка должна состоять из большого числа витков, особенно при напряжении осветительной сети 220 В. Намотку катушки тонким проводом невозможно выполнить ровно, обводя рукой с проводом вокруг статора: ее надо делать на простом приспособлении, которое легко изготовить самим (рис. 5-16).

Оно состоит из двух стоек 1, между ними находятся штифты 5, для которых в сердечнике статора надо засверлить отверстия глубиной 3—5 мм. Для удобства вращения статора рукой к нему прикреплен диск 3, выпиленный из фанеры. Высота стоек должна быть такой, чтобы самая удаленная от оси вращения точка статора не задевала за основание приспособления.

Для повышения надежности выводов катушки сначала надо провод сложить в виде петли в четыре проволоки, в месте ответвления петли зачистить изоляцию провода и все четыре проволоки туго скрутить. Тогда при обрыве одной из проволок другие будут служить проводниками. Надо обогнуть петлей вокруг статора 1—2 раза и затем уже намотать обмотку в одну проволоку. Вывод от начала катушки пропускается через отверстие во фланце и изолируется при помощи чулочка из лакированной ткани или хлорвинила. При намотке катушки через каждые три-четыре ряда надо прокладывать полоски из папиросной бумаги для повышения надежности изоляции. После намотки каждой сотни витков полезно обогнуть провод бумажным ярлычком с обозначением номера сотни. Это избавит от необходимости разматывать всю катушку, если при намотке сбились со счета витков.

Гораздо сложнее выполнение распределенной обмотки электродвигателя с встроенным пусковым сопротивлением. На рис. 3-14 представлена схема концентрической обмотки статора однофазного электродвигателя с встроенным сопротивлением со следующими данными: число пазов Z = 24, число полюсов 2р = 4.

Рассчитаем число пазов, занимаемых каждой обмоткой. Рабочая обмотка занимает (2/3)•24= 16 пазов, а пусковая (1/3)•24 = 8 пазов. Для определения шага рабочей и пусковой обмотки надо знать число пазов на полюс для каждой обмотки. У рабочей обмотки число пазов на полюс 16/4 = 4, у пусковой обмотки 8/4 = 2. Следовательно, сторона катушки рабочей обмотки занимает два паза, а пусковой обмотки один паз. Шаги обмоток надо выбрать такими, чтобы внутри катушки рабочей обмотки оставалось два свободных паза для размещения двух сторон катушек пусковой обмотки, а внутри катушки пусковой обмотки оставалось четыре свободных паза для размещения двух сторон катушек рабочей обмотки.

Для лучшего усвоения схем обмоток рекомендуется самостоятельно построить схему обмотки, показанную на рис. 3-14. На листе миллиметровой бумаги проведем 24 вертикальные черточки и пронумеруем их слева направо. Если согнуть лист бумаги в цилиндр так, чтобы изображение схемы было внутри него, то порядковые номера пазов будут читаться против часовой стрелки. Укладывать катушки можно как по часовой стрелке так и против.

Сначала изобразим катушки рабочей обмотки. Первая катушка охватывает пазы 3 и 4 и вкладывается в пазы 1, 2, 5 и 6. Вторая катушка должна лежать рядом с первой, т. е. в пазах 7, 8, 11 и 12. Третья катушка — в пазах 13, 14, 17 и 18, а четвертая — в пазах 19, 20, 23 и 24. Начало рабочей обмотки возьмем из второго паза. Если ток направлен в обмотку от зажима С1, то он будет обтекать первую катушку против часовой стрелки. Чтобы во второй катушке была другая полярность, ток должен обтекать ее по часовой стрелке. В третьей катушке направление тока должно быть таким же, как в первой, а в четвертой таким же, как во второй. Соответственно надо произвести соединения между катушками. Конец рабочей обмотки выйдет из девятнадцатого паза.

Обмотки однофазных электродвигателей обычно выполняют без паек схемы. Для этого всю рабочую обмотку наматывают на шаблон непрерывным проводом. В шаблоне вырезаны канавки для каждой катушки обмотки. Между отдельными катушками оставляют перемычки достаточной длины, чтобы катушки можно было уложить в пазы статора. Намотку отдельных катушек на станке производят в одном направлении, а для получения различных полярностей четные катушки перед укладкой в пазы перевертывают на 180°. На схеме это видно по направлению соединительных проводов между катушками, лежащими в пазах 2—5 и 1—6; 8—11 и 7—12 и т. д. У четных катушек они наклонены вправо, а у нечетных — влево. Применение обмотки без паек схемы упрощает ее выполнение и устраняет возможность перепутывания выводных концов.

Теперь перейдем к пусковой обмотке. Она должна быть уложена в оставшиеся свободными 3, 4, 9, 10, 15, 16, 21 и 22-й пазы. Для обмотки с встроенным сопротивлением каждая катушка состоит из двух секций — одна с большим количеством витков, а другая — с меньшим. Перед началом укладки в пазы в каждой катушке одну из секций (обычно вторую по ходу их намотки на шаблоне) перевертывают на 180° и получают таким образом бифилярные витки. Полярность катушки создается направлением тока в секции с большим числом витков. На схеме видны петли, выходящие из 9, 10, 21 и 22-го пазов, образовавшиеся от перевертывания секций.

Перед укладкой в пазы перевертывают четные или нечетные катушки для получения катушек разных полярностей. Пусковая обмотка должна отстоять от рабочей обмотки на 90° эл. В этом электродвигателе угол между соседними пазами составляет 2•360/24 = 30° эл. Поэтому начало пусковой обмотки надо брать из четвертого паза. Конец пусковой обмотки выйдет из третьего паза.

Как было сказано в § 3-4, однофазные электродвигатели можно реверсировать, меняя концы или у рабочей, или у пусковой обмотки. Но иногда начало рабочей и пусковой обмоток соединяют внутри электродвигателя и на дощечку зажимов выпускают только три, а в конденсаторных два выводных конца обмотки (рис. 3-10). Такой электродвигатель уже нельзя реверсировать в процессе эксплуатации, поэтому при выпуске с завода направление вращения должно соответствовать стрелке, изображенной на корпусе электродвигателя.

Направление вращения ротора можно определить по схеме обмотки статора следующим образом. Если рассматривать схему, начиная от первой катушки рабочей обмотки, то ротор будет вращаться в сторону той катушки пусковой обмотки, в которой ток имеет обратное направление. На схеме, показанной на рис. 3-14, ротор будет вращаться по часовой стрелке, т. е. от катушки рабочей обмотки, лежащей в пазах 1 и 2, в сторону катушки пусковой обмотки, лежащей в пазу.

Не следует смешивать два понятия: укладка катушек обмотки по или против часовой стрелки и направление вращения ротора по или против часовой стрелки. Между ними нет никакой зависимости.

В электродвигателях с пусковыми обмотками обычно сначала укладывают в пазы катушки рабочей обмотки, а затем катушки пусковой обмотки. Это объясняется тем, что чаще выходят из строя пусковые обмотки. В них допускается высокая плотность тока и запаздывание их отключения обычно ведет к перегоранию проводов.

5-9. ПОДШИПНИКИ

Шейки вала ротора вращаются в подшипниках. В электродвигателях малой мощности применяются подшипники скольжения и подшипники качения (шарикоподшипники). Шарикоподшипники изготовляются на специальных подшипниковых заводах. В табл. 5-1 приведены размеры шарикоподшипников. Они имеют меньшие потери на трение, чем подшипники скольжения, и более устойчивы на износ, но требуют более точной обработки шеек вала и отверстий в корпусе. Кроме того, недостаток их заключается в том, что при больших частотах вращения шарикоподшипники издают сильный свистящий шум, неприятно действующий на слух. Поэтому в самодельных электродвигателях лучше применять подшипники скольжения.

Подшипник скольжения состоит из латунной или бронзовой втулочки, которая надевается на шейку вала. Шейка должна свободно вращаться в отверстии втулки, однако зазор между отверстием втулки и валом не должен быть очень большим. Устройство подшипника скольжения показано на рис. 5-17. Втулка 1 зажата между двумя планками 2 и 3 из листовой латуни или стали. Наружная часть втулки сферическая.

В планках выдавлены углубления также сферической формы. Благодаря этому втулка всегда устанавливается по оси шейки вала 4, поэтому перекоса между втулкой и валом не может быть. В верхней части втулки просверлено отверстие 5, через которое при помощи масленки от швейной машины в подшипник периодически добавляют несколько капель масла.

Н.В. Виноградов, Ю.Н. Виноградов
Как самому рассчитать и сделать электродвигатель
Москва 1974
Содержание