Публикации

В статье рассматриваются особенности эксплуатации и обслуживания щеточных узлов двигателей постоянного тока с плоским печатным – дисковым якорем, включая типы электрощеток, конструктивные варианты щеткодержателей, характерные проблемы контактных поверхностей коллекторов и способы их устранения.

Двигатели постоянного тока с плоским якорем находят широкое применение в тех областях, где важны компактность, высокая удельная мощность и точность управления – от транспорта до промышленной автоматизации. Большее распространение среди потребителей Российской Федерации имеют щеточные двигатели постоянного тока, с так называемым, плоским печатным - дисковым, якорем (PMG-132/ Printed Armature DC Motors или Flat Armature DC Motor/). Плоскоколлекторные щеточные двигатели с медными секциями (ламелями) «линч‑типа» (LEM-200, Agni 95R/119, ETEK, Motenergy ME0708), в РФ используются ограниченно.

Техническое обслуживание щеточных узлов плоских двигателей с печатным и ламелевым якорем имеет принципиальные различия. Несмотря на внешнюю схожесть конструкций, методы контактирования, конструкция коллекторов и требование к щеткам существенно различаются. Печатные якоря, например PMG-132, требуют точного прижима щеток, чистоты, минимального люфта ( +0,025...+0,023мм) и постоянного усилия пружин (~20-35Н), тогда как ламелевые диски допускают проточку коллектора.

Щеточный узел двигателя постоянного тока, независимо от вида якоря (плоский или цилиндрический, ламелевый или дисковый), включает в себя три основных компонента:

• Якорь.
• Щеткодержатель – корпус с механизмом подачи щетки на коллектор (пружина, траверса и т.п), обеспечивающий стабильное давление щетки на коллектор и надежный электрический контакт.
• Электрощетка – токопроводящий элемент из графитированного материала различных форм, используемый для передачи электрического тока в щеточно-коллекторных узлах двигателей и генераторов.

Самые распространенные типовые модели: PMG‑132, PLG‑130, двигатели Printed Motor Works, некоторые Emoteq, ThinGap.

Печатный якорь – это разновидность якоря (ротора), в котором обмотка выполнена в виде плоской печатной схемы, напоминающей по конструкции печатную плату. Форма – диск или набора дисков, расположенных на валу. В отличие от традиционного цилиндрического якоря с намотанной медной обмоткой, обмотка печатного якоря это медные дорожки(трассы) на изоляционной поверхности.

Под основу(подложку) используется термостойкий диэлектрик, – полиамидные пленки (например, Kapton), стеклотекстолит, керамика.

Токопроводящий слой – медь. Наносится методом ламинирования фольги, гальваническим способом, вакуумным напылением.

Формирование обмотки производится фотолитографией или химическим травлением. Конфигурация дорожек задает количество полюсов и коммутационные секции.

Изоляционные и защитные слои: после травления дорожки покрываются лаком, полиимидным покрытием, фторполимером.

Ремонт печатного якоря во вне условий производителя почти невозможен. Или, не подлежит ремонту по экономическим причинам. В большинстве устройств это одноразовый компонент. При выходе из строя, придется менять весь двигатель или роторный узел целиком.

Основные причины неремонтнопригодности печатных якорей:

• Тонкость и плотность токопроводящих дорожек: невозможно восстановить повреждения обычной пайкой.
• Термочувствительные слои: при пайке или замене слои перегреваются и разрушаются.
• Формирование обмотки фотолитографией - трудно воспроизводимо в мастерских условиях.
• Невозможность восстановления баланса: даже малейшие изменения нарушают динамику.

Динамический баланс – это равномерное распределение массы вращающегося объекта относительно его оси вращения, чтобы при вращении не возникало вибраций, биения и неравномерной нагрузки на подшипники и конструкцию в целом.

Печатный якорь – тонкая, как правило, дисковая структура, вращающаяся на высоких скоростях. Даже небольшие неоднородности в массе, например капля припоя, след от пайки, износ дорожки приводят к микровибрациям, биению ротора, преждевременному износу щеток, подшипников, снижению точности и ресурса работы. Печатный якорь балансируется при изготовлении на заводе добавлением или снятием микрокапель компаунда, лазерной подрезкой или шлифовкой. При вмешательстве в конструкцию - например, починка дорожки пайкой или замена изоляции - нарушается исходный баланс. Исправить дисбаланс в реальности без специального оборудования почти невозможно.

Долговечность безобслуживаемой работы печатного якоря заложена в высокоточной, но малоремонтнопригодной конструкции. При нормальных условиях эксплуатации срок службы, - до нескольких десятков тысяч часов. В миниатюрных двигателях – до 10-20 тыс.ч.

Срок службы зависит от:

• Щеток. Именно щетки являются основным источником износа коллектора. Износ щеток создает графитовую пыль. Печатный якорь имеет очень высокую чувствительность к загрязнению.
• Температура. Перегрев разрушает полиимидные покрытия, искажает геометрию диска.
• Механическая нагрузка. Вибрации и удары повреждают тонкие дорожки и приводят к микротрещинам.
• Токовая нагрузка. Нерегламентированное повышение тока вызывает перегрев и выгорание токопроводящих дорожек.
• Среда эксплуатации. Влага, пыль, агрессивные газы могут быть причиной коррозии и пробоев.

Обязательные операции при обслуживании:

• Осмотр каждые 30-50 моточасов,
• Очистка мягкой щеткой / изопропанолом/ сухим сжатым воздухом. Следует избегать замасливания.
• Замена щеток при длине < 50% от начальной,
• Полировка контактной поверхности - без абразива вручную/ мягкой шкуркой Р1000-Р2000.
• Проверка на соответствие рекомендаций в сопутствующей технической документации двигателя точности посадки щетки и клиренс держателя, усилия давления пружин.

Ремонт щеткодержателя для печатного якоря

Особенность щеткодержателей - адаптированы для взаимодействия с плоскими печатными контактными дорожками. Требуют строжайшей геометрии посадки и защиты от загрязнения. Основные производители; Helwig Carbon, Mersen.

Из многолетнего опыта технического обслуживания и ремонта, нами выявлено слабое звено: латунная крышка щеточного гнезда, фиксирующая щетку, ломается уже после второго цикла отгибания при замене щеток.

Мы переработали конструкцию щеточного гнезда и изменили под него конструкцию щетки, тем самым исключив уязвимый элемент. Предлагаем рынку новую полностью совместимую схему, которая заменит старую конструкцию без перенастройки оборудования и без изменения в самом двигателе.

В результате:

• Увеличивается ресурс щеточного узла,
• Исключается необходимость полной замены щетодержателя.

Наша компания готова провести инженерное обследование и предложить решения по модернизации щеточных узлов печатных якорей с гарантией надежности.

Щеткодержатели с несъемными пружинами подлежат полной замене.

Изготовление электрощеток для плоского двигателя с печатным якорем

В щеточных узлах данного типа эксплуатируются электрощетки круглой, прямоугольной, трапециевидной формы. Материал, – меднографитированый, электрографитированный, в микродвигателях серебрографитированный, меднографитированный.

Особенности эксплуатации печатных якорей предусматривают адаптированную конструкцию щеткодержателя удерживающую щетку строго в определенном направлении с минимальным люфтом для предотвращения искрения. Это налагает определенные требования к соблюдению размеров и геометрии щетки при ее изготовлении.

Наша компания готова изготовить щетки нужного типоразмера и формы для щеточных узлов двигателей с печатным якорем. Также, мы способны изготовить меднографитированные щетки особо маленького размера от 1,5мм тангенциальной, аксиальной длины с пружиной из фосфористой бронзы.

Источник: Резникова Людмила Александровна.