Статор

Для движения электрического транспорта, лифтов высотных зданий, насосов, работы станков, медицинских томографов и хирургических роботов используются линейные двигатели. Они обеспечивают точность, скорость и надежность работы. Однако существующие конструкции нередко сталкиваются с проблемами: высокое напряжение, сложность изготовления и перегрев приводят к низкой эффективности, риску короткого замыкания и остановки оборудования. Ученые Пермского Политеха модернизировали линейный двигатель: уменьшили его размер, снизили напряжение и упростили производство, что особенно важно для мембранных насосов, которые используются в самых различных сферах – например, в системах кондиционирования для подачи топлива в двигателях, перекачки сточных вод и создания давления в дыхательных медицинских аппаратах.

Статья опубликована в журнале «Russian Electrical Engineering», том 95, №11, 2024. Проект выполнен при поддержке Федерального государственного бюджетного учреждения «Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере» (Фонд содействия инновациям), договор № 4790ГС1/80304 от 23.11.2022.

Линейные двигатели — это устройства, которые преобразуют электрическую энергию в движение без дополнительных механических передач, что повышает надежность и снижает износ составляющих. Они используются в лифтах, заводских станках, электронике и некотором медицинском оборудовании. Их конструкция состоит из неподвижной части (статор – корпус с магнитами или катушками) и подвижного элемента (ротор). Когда на катушки подается ток, создается магнитное поле, которое «бежит» подобно волне, а ротор «догоняет» его, двигаясь по прямой линии. Таким образом создается не вращение, как в обычных электродвигателях, а прямолинейное движение. Это позволяет механизму работать быстрее при меньшем износе.

Для небольших систем, где важна точность позиционирования – в мембранных насосах, вентилях, клапанах, затворах, хирургических роботах и топливных системах автомобилей – используется одна из разновидностей линейных двигателей – короткоходовые. Это «рабочие лошадки» для задач, где важны скорость, точность и миниатюрность – например, в современной микроэлектронике, медицине и высокоточном производстве.

Однако при существующем методе проектирования для равномерного длительного движения такого механизма требуется большее напряжение и меньший ток, а крупные габариты усложняют изготовление. Это ограничивает их применение в компактных устройствах, таких как мембранные насосы, которые используются во многих областях – от нефтегазовой отрасли до водоочистки и медицины.

Ученые Пермского Политеха разработали схему модернизации короткоходового линейного двигателя, которая позволит устранить эти недостатки, сделав его более компактным и надежным.

— Мы поменяли режим работы машины, что привело к изменению методики расчета. Благодаря этому габариты устройства стали меньше, само оно легче, и производство стало проще — теперь его части помещаются на небольшие токарные станки. Замена внешних подшипников на внутренние позволяет поддерживать воздушный зазор по всей длине, а установка мощных магнитов — отказаться от питания движимого штока, – комментирует Денис Опарин, старший преподаватель кафедры «Электротехника и электромеханика» ПНИПУ.

Уменьшение размеров двигателя позволяет использовать удобные крепления и не делать внутренние системы жидкостного охлаждения, ограничившись только внешними вентиляторами.

Двигатель с новой конструкцией прошел серию тестов в программе для моделирования Ansys Maxwell, где проверялась его работоспособность при различных условиях. Был создан прототип, где измерялись его максимальное усилие, ускорение и нагрев. Результаты показали увеличение силы тяги, лучшее позиционирование и стабильное функционирование даже при повышенных нагрузках. Так, максимальная сила двигателя (если кратковременно увеличить ток) составляет 50 кг, в то время как обычная рабочая сила — 41.21 кг. Он не перегревается: стабильная температура равна 51°C. При резком старте двигатель кратковременно совершает «рывок силы» на 2250 Ватт.

Модернизированный линейный двигатель с коротким ходом демонстрирует значительный прогресс в области компактных и эффективных приводов. Его улучшенные характеристики открывают новые возможности для применения в промышленности, медицине и робототехнике.

Перед установкой ротора нужно зачистить место прилегания кромки передней крышки генератора со статором по всей окружности.

Бортик статора, за счёт которого он держится между передней и задней крышек генератора так же зачищаем до блеска и ставим в переднюю крышку в правильном положении. Обмотка статора предварительно была покрыта термолаком.

Данный статор был ещё проверен, когда генератор стоял на автомобиле- мотор-тестером.

С задней крышкой генератора поступаем так же: зачистка кромок прилегания к статору.

Дополнительно нужно зачищать ещё и упоры на крышке так как слой порошка после покраски немного мешает при соединении передней крышки генератора с задней(

Точки контакта "массы" задней крышки с диодным мостом так же чистим.

Посадочное место под проставочное кольцо(колпачок) так же немного зачищаем.

Устанавливаем колпачок в заднюю крышку генератора и прикручиваем всё это 4 болтами.

Винты передней крышки использовал новые под головку на 8

Он правда немного длиннее оригинального, но в целом не критично.

Проверяем что бы обе крышки генератора плотно зажимали статор-не должно быть зазора.

На вывода статора я иногда одеваю простую термоусадочную трубку. Хотя на диодном мосту есть направляющие каналы для выводов обмоток статора, но привычка что-то добавить осталась)

Винты крепления передней крышки генератора изначально хотел использовать вот такие, но уже были заказаны недорогие аналоги оригинальных. Поэтому решил ставить аналог.

Диодный мост проверил мультиметром: плюсовые диоды 560 Ом, отрицательные 554 Ома. Диоды можно проверить и прозвонкой: в одну сторону пищит, а в другую тишина). Под нагрузкой диоды проверяю зарядным устройством и фарной лампой 12V70W-данная проверка делается так же как и проверка прозвонкой.

Зачищаем до блеска точки контакта диодного моста с задней крышкой

Контактные болты и их площадки так же зачищаем. Петельки диодного моста к которым припаиваются выводы обмоток статора зачищаем и облуживаем. Петлю диодного моста к регулятору напряжения чистим

Площадки к которым прикручивается регулятор напряжения зачищаем. Одна площадка это масса регулятора напряжения, а другая... не помню...

Регулятор отмыт и проверен на внешние дефекты.На регуляторе напряжения длина щёток составляет=11 мм. Более чем достаточно. Пружинки отличные, щётки не заедают в корпусе регулятора напряжения.

Плюсовая клемма регулятора напряжения зачищена и покрыта термолаком, кроме точки контакта.

Данный вывод часто страдает в следствии чрезмерного усилия затягивания контактной гайки диодного моста. И в результате этого клемма лопается в месте захода в корпус регулятора напряжения.

Ставим на место диодный мост и прикручиваем его тремя винтами. Поджимаем петельки контактов с выводами обмоток пассатижами и пропаиваем.

Покрываем контакты термолаком.

Паяю я не очень хорошо(

Но будем учиться)

Болт крепления диодного моста к задней крышке использовал такие-Винт 5х20 DIN 912 нержавейка А2 под внутренний шестигран+ шайба плоская 5 DIN125 нержавейка А2

Устанавливаем регулятор напряжения на место и прикручиваем его тремя винтами:

-Один винт 4х12 DIN 912 нержавейка А2+шайба плоская 4 DIN125 нержавейка А2

-Два винта 4х20 DIN 912 нерж А2+ 2 шайбы пл. 4 DIN125 нержавейка А2

Перед сборкой генератора хотел покрывать тонкой полоской электропроводной смазки плоскости прилегания передней крышки и статора, задней крышки и статора, задней крышки и диодного моста. Но что-то засомневался в этом. Написано что для клемм аккумулятора: но что имеется в виду: наносить смазку поверх клемм или же место контакта вывода аккумулятора и клеммы? В итоге оставил так.

...Продолжение следует...

Сегодня будем пробовать отремонтировать генератор на автомобильчике Рено Симбол 2004 года выпуска.

Причина обращения: низкий уровень зарядки, при включении большой нагрузки: печка+обогрев заднего стекла+ближний свет фар, начинает "пищать" ремень генератора.

Вот собственно и сам пациент:

Задняя защитная крышка уже снята-что бы проверить генератор не снимая его с автомобиля. На 100% не проверить конечно, так как диодный мост соединён со выводами статора, но если есть короткое замыкание или обрыв то это можно обнаружить. И как говориться после проверки под подозрение попал ротор(

Посмотрим по ближе:

Сразу видно, что какой-то "специалист" уже пытался что-то ковырять(

То ли при установке, то ли зачем то пытались содрать защитное покрытие на передней крышке генератора. Загадка однако?

Снимается данный генератор достаточно легко: для начала ослабляем три болта, которыми он крепится к кронштейну:

Следующий шаг: ослабляем два болта(головка на 12мм) насоса гидроусилителя руля со стороны ремня генератора и один болт со стороны свечи зажигания первого цилиндра.

Далее берём накидной ключ на 14 и отводим автоматический натяжной ролик для ослабления ремня генератора. Снимаем сам ремень.

Полностью откручиваем все три болта крепления насоса гидроусилителя руля и выводим его из кронштейна влево(если стоять перед автомобилем). В итоге датчик давления, который находится на трубке насоса гидроусилителя руля, можно будет двигать, так как он будет мешать вынуть генератор из подкапотных недр).

Откручиваем полностью три болта крепления генератора к кронштейну двигателя. Откручивая последний болт придерживаем рукой генератор, что бы он своим весом не пробрякал и не повредил что нибудь рядом. Находи положение при котором генератор можно вытащить и аккуратно его достаем. Плюсовой провод и разъём регулятора напряжения у меня был предварительно отключен.

Осматриваем корпус на внешние повреждения.

Да что смотреть-разбираем. Ломать-не строить))

После того, как разобрали генератор осматриваем все детали на наличие повреждений или других дефектов. Кто-то скажет, что грязные детали бесполезно смотреть, я частично с этим соглашусь, Но! Если вы видите, что допустим по статору надолбило ротором и пакет,в которой сидят обмотки, имеет смещение, то понятно, что данный статор уже не пригоден. И смысла отправлять его в мойку нет. Это первичная диагностика после разборки генератора на части.

Перед мойкой передней крышки генератора выпрессовываем подшипник, предварительно открутив 4 винта крепления крышки подшипника. Ротор мы не моем так как он неисправен(об этом будет доальше). Крепёж генератора: винтики, болтики и гайки мы так же не моем они будут меняться на новые. Остальное всё в мойку. Берём отмытый статор внимательно осматриваем, если всё в порядке, то распаиваем выводы обмоток.

Будем проверять сначала слаботочкой. Три обмотки двойным проводом?

Замер индуктивности: первой обмотки 1-1

Замер индуктивности первой обмотки 2-2

Замер индуктивности второй обмотки 3-3

Замер индуктивности второй обмотки 4-4

Замер индуктивности третьей обмотки 5-5

Замер индуктивности третьей обмотки 6-6

Как видим всё в пределах допуска. Далее проверка на 220Вольт и ламы на 75 Ватт. Одним проводом касаемся корпуса статора, а другим поочередно к выводу обмотки. Если лампа не моргает(светит), то статор не имеет замыкания на пакет пластин. Если наша лампа начинает моргать или даже светиться, то обмотка имеет замыкание. Данный статор можно проверить на межвитковое замыкание и без специального прибора: одним концом провода касаемся одного вывода обмотки, а другим другого вывода и если лампа не моргает(или светится), то всё в порядке. Проверяем оставшиеся обмотки таким же способом.

Проверяем ротор на межвитковое замыкание: зная сколько должно быть, можно сравнить. Это ротор наш.

А вот это ротор с другого генератора Бош. Но он полностью взаимозаменяем с нашим.

Как видно на лицо межвитковое замыкание "нашего" ротора генератора-который мы будем ремонтировать.

Подшипники в генератор мы будем ставить наши любимые FAG. Правда в последнее время они подорожали(

...Продолжение следует...