Электричество прочно вошло во все сферы нашей жизни. В быту оно используется для решения двух основных задач: освещения и преобразования электрической энергии в механическую.
Вторую группу задач физически реализуют электрические двигатели. Возможны и иные бытовые применения электричества, но они встречаются гораздо реже.
Большой срок применения электрических двигателей, история которых насчитывает почти 200 лет, привел к тому, что:
- на практике наблюдается большое разнообразие разновидностей таких устройств;
- современные электродвигатели отличаются высокой надежностью.
Известно, однако, что даже самая совершенная техника иногда выходит из строя. Соответственно, появляется проблема точной диагностики причины неисправности, от которой уже зависят дальнейшие действия, крайние из которых сводятся к необходимости покупки нового устройства или все дело в отошедшем контакте.
Важными ограничивающими факторами при выполнении подобных проверок становится:
- возможность самостоятельной диагностики без обращения в специализированные ремонтные организации или вызова частного мастера из соображений экономии времени и денег;
- выполнения полного комплекса проверок для однозначной достоверной локализацией причины отказа с помощью подручных средств, самым сложным из которых является бытовой мультиметр.
Принцип работы электродвигателя
В основу функционирования электродвигателя положен закон Ампера, согласно которому на провод, который находится в магнитном поле и через который протекает электрический ток, всегда воздействует механическая сила F.
Ее направление определяется известным по школьному курсу физики правилом левой руки, то есть зависит от соотношения направлений протекания тока и ориентации силовых линий магнитного поля, а значение – от силы тока и значения индукции магнитного поля в области его взаимодействия с проводником.
Еще одним средством увеличения силы, действующей на проводник, является наращивание его эффективной длины, для чего цепь протекания тока формируется в форме многовитковой обмотки. За счет этого усилие, развиваемое отдельными витками, суммируется.
Разновидность источника магнитного поля значения не имеет. Это может быть как постоянный магнит, так и его электромагнитный аналог.
Эффективность функционирования электромагнита наращивается сердечником, который фактически концентрирует магнитное поле и подает его в ту область, которая соответствует наибольшему развиваемому усилию.
Ключевые конструктивные особенности, базовые подходы к выполнению его проверок
Любой электродвигатель, вне зависимости от его исполнения, всегда содержит стационарную часть, которую традиционно называют статором, и взаимодействующий с ним вращающийся элемент конструкции, который обычно называют ротором.
Иногда для обозначения ротора привлекается термин якорь. В подавляющем большинстве двигателей ротор находится внутри статора.
Механическая работа снимается с ротора, превращение вращательного движения в прямолинейное или иное перемещение возлагается на иные внешние известные механизмы, рассмотрение которых выходит за рамки данной статьи.
Равным образом не рассматриваются так называемые линейные электродвигатели, которые обеспечивают линейное перемещение подвижной части его конструкции без выполнения промежуточного преобразования вращательного движения.
Подробнее — как работает шаговый двигатель.
Статор включает одну или несколько статорных обмоток, при протекании тока через которую (которые) формируется вращающееся магнитное поле.
Поле статора взаимодействует с полем ротора, в результате чего возникает вращающий момент, позволяющий выполнить механическую работу. Для уменьшения бесполезных потерь и наращивания КПД двигателя в целом ротор монтируется на подшипниках.
Из приведенного кратного описания немедленно следует три основных положения, которые всегда выполняются в исправном электродвигателе:
- при подаче на обмотки номинального напряжения по ним протекают рабочие токи, на которые изначально рассчитана конструкция двигателя;
- изоляция токопроводящих частей конструкции не имеет механических повреждений и обеспечивает заданное значение сопротивления;
- механическая часть системы ротор-статор в части состояния подшипников, значения зазоров, величины затяжки гаек, уровня износа щеток и аналогичные им полностью соответствуют требованиям норм.
Проверки исправности электродвигателя всегда в явной или неявной форме включают контроль этих положений, выполняемых различными способами. К таковым относятся, например, визуальный осмотр подшипников, проверка величины зазоров, легкости вращения ротора и т.д.
В дальнейшем сосредоточим свое внимание на выполнении проверок тех электрических компонентов двигателя, неисправности которых можно выявить только с помощью мультиметра.
При построении схемы соответствующих измерений необходимо обязательно учитывать конструктивные особенности проверяемого электромотора. По умолчанию считается, что двигатель подключается к сети 220 или 380 В.
Дополнительно укажем на такую особенность электродвигателя как его обратимость. Под последним понимается то, что при вращении ротора под воздействием внешнего усилия он вырабатывает электрический ток.
Читайте также:
Схемы построения электродвигателей
Функции источника энергии для двигателя может выполнять сеть постоянного и перемененного тока.
Изменение направления протекания тока, необходимое для создания вращающегося магнитного поля, обеспечивается различными способами. В частности, широко распространены коммутаторы.
Коммутатор может быть:
- внутренним механическим (он применяется в коллекторных двигателях постоянного и переменного токов);
- внутренним электронным (так называемые бесколлекторные электронные двигатели);
- внешним (на этом принципе построены однофазные и трехфазные асинхронные электродвигатели переменного тока.
Коллекторные и бесколлекторные электродвигатели
Принцип действия коллекторного электродвигателя иллюстрирует картинка ниже, на которой схематически представлено взаимодействие одного из витков роторной обмотки с магнитным полем.
В такой структуре после выполнения ротором половины оборота направление тока меняется на противоположное (правая часть изображения) и магнитное поле вместо ускорения начинает тормозить ротор.
Для устранения этого нежелательного эффекта в состав конструкции двигателя вводят механический или электронный коммутатор, который через каждую половину оборота меняет направление тока, протекающего через статорную обмотку на противоположное.
В результате этого поддерживается постоянный по направлению вращающийся момент.
Подача напряжения на обмотки ротора при наличии такой необходимости выполняется через специально предназначенные для этого токосъемные кольца, к которым подключают начало и конец соответствующей обмотки.
Управление подачей тока в коллекторных двигателях осуществляется механическим коммутатором, в бесколлекторных – эту функцию выполняет его электронный аналог.
Асинхронные электродвигатели
Асинхронные электродвигатели переменного тока используют другой принцип создания вращающего момента. Суть этой схемы состоит в том, что статором формируется вращающееся магнитного поле, которое увлекает за собой ротор. При этом в зависимости от типа сети и требуемой мощности задействуется две немного отличающихся друг от друга схемы.
В случае необходимости получения более высоких мощностей обращаются к 3-фазной сети на 380 В.
Если изначально задать угол сдвига тока (напряжения) между отдельными фазами в треть периода или 120 градусов, то образуется равномерное вращающееся магнитное поле.
3-фазную сеть можно рассматривать как комбинацию из трех источников тока, специальным образом соединенных между собой.
Сильная сторона такой конфигурации – возможность нарастить мощность по сравнению со случаем однофазной 220-вольтовой сети.
Для большинства бытовых потребителей 3-фазная сеть оказывается избыточно мощной, и они подключаются к более экономичной сети 220 В.
В этом случае для получения вращающегося магнитного поля приходится прибегать к небольшой инженерной хитрости.
Суть ее состоит в том, что конденсатор как реактивный элемент всегда имеет 90-градусный фазовый сдвиг между векторами напряжения и тока.
Таким образом, используя конденсатор как фазовращающий элемент, можно искусственно превратить однофазную сеть в квазидвухфазную, решив, тем самым, задачу получения вращающегося магнитного поля. Схематически это показано в правой части рисунка выше.
Подходы к выполнению проверки электродвигателя и контролируемые параметры
В дальнейшем предполагается, что проверяемый электродвигатель исправен с механической точки зрения: у него отсутствует люфт подшипников и имеется надлежащая смазка, зазоры между ротором и статором не выходят за пределы разрешенных допусков, не изношены щетки и ламели коллекторной системы, исправен кабель подачи питания и аналогичное им.
Основной инструмент здесь – визуальный осмотр. Полезно убедиться также в отсутствии запаха горелой изоляции.
Дополнительно – разборка конструкции при необходимости ее выполнения произведена аккуратно, без механических повреждений, с помощью специализированных инструментов.
Считается также, что известна применяемая разновидность электродвигателя: постоянного или переменного тока, коллекторный и т.д. Для этого привлекаются данные с фирменной таблички-шильдика на корпусе и сопроводительная документация.
При необходимости соответствующая информация находится в сети Интернет.
С учетом принципа функционирования электродвигателя проверке подлежат
- наличие обрывов обмоток и коротких (межвитковых) замыканий в них на роторе и статоре;
- отсутствие пробоев изоляции на корпус и иные металлические элементы конструкции;
- состояние конденсатора однофазных электродвигателей.
Общая схема выполнения проверок для всех разновидностей электродвигателей отличается мало.
Поэтому далее она рассматривается с единых позиций, нюансы, возникающие из-за особенностей конструкции, при необходимости обсуждаются отдельно.
Исправность обмоток статора
Для выполнения этой проверки мультиметр переводится в режим измерения сопротивления с максимальной чувствительностью (диапазон 200 Ом или аналогичный).
Трехфазный двигатель
Наиболее сложный случай – 3-фазный электродвигатель, на корпус которого выведено 6 клемм, каждая из которых отвечает за начало и конец конкретной обмотки.
В схематической форме это показано ниже. Важно здесь то, что все обмотки одинаковы.
Порядок проверки:
- сначала мультиметром, который показывает сопротивление, определяются пары клемм, отвечающие за конкретную обмотку;
- точно замеряется сопротивление каждой из них, а полученные значения сравнивается между собой. Отсутствие разницы свидетельствует об исправности обмоток, а также о том, что у них отсутствуют межвитковые замыкания соответствующей обмотки.
Однофазный двигатель
В отличие от своего 3-фазного аналога у однофазного, кроме снижения рабочего напряжения до 220 В, до двух уменьшается также количество обмоток: одна из них считается рабочей, а вторая – пусковой.
При этом примерно равной популярностью пользуются две схемы их соединения, которые условно показаны ниже и внешне отличаются друг от друга количеством клемм.
На практике с одной из таких схем можно столкнуться на таком популярном бытовой устройстве как стиральная машина.
Вне зависимости от схемы соединения обмоток, которые выбрал разработчик машинки, выполнением нескольких измерений можно проверить сопротивление каждой из обмоток. Более мощная рабочая обмотка будет иметь меньшее сопротивление.
4-контактная схема потребует выполнения шести измерений (АВ, АС, АD, BC, BD и CD – при указании, например, АВ считается, что мультиметр подключается к точкам А и В).
Важно при этом то, что:
- изменение положения щупов на противоположное не должно менять показаний мультиметра (AB = BA);
- у исправного двигателя только два измерения дадут конечное значение сопротивления максимум в десятки Ом (например, AB и CD), остальные покажут разрыв.
Для трехконтактной схемы всего будет получено три результата. Наибольшее сопротивление относится к последовательному соединению двух обмоток (оно измеряется между точками А и С на правом эскизе рисунка, показанного выше), среднее – характерно для пусковой обмотки и наименьшее – для рабочей.
Проверка пробоев и утечек на корпус
Штатным прибором для определения сопротивления изоляции является мегаомметр. Бытовой мультиметр эту функцию не реализует из-за малого напряжения батарейки и относительно невысокой чувствительности самого устройства в части малых токов.
Поэтому с его помощью можно только убедиться в отсутствии пробоев. Например, для схемы, показанной ниже любое измерение DA, DB и DC должно показывать разрыв.
Более сложная схема показана на следующем рисунке. Суть выполняемого эксперимента состоит в искусственном увеличение тестирующего напряжения, для чего задействуется 220-вольтовая сеть.
При сборке схемы необходимо использовать обычную лампу накаливания мощностью примерно 60 Вт, которая берет на себя функции токоограничивающего резистора.
Мультиметр используется в режиме амперметра, для защиты от повреждения прибора чрезмерно высоким током измерения начинают на максимально грубой шкале, постепенно увеличивая чувствительность.
Изоляция считается исправной, если измеряемый ток I не превышает I = 1 мкА. С учетом того, что сопротивление лампы много меньше сопротивления изоляции Rиз, величину последнего находят как Rиз = 220/I МОм, причем ток в эту формулу подставляют в мкА.
При проведении описываемого эксперимента задействуется напряжение 220 В, то есть следует соблюдать все правила электробезопасности. Дополнительно двигатель должен быть демонтирован и располагаться на диэлектрическом основании.
Проверка исправности электрических цепей ротора
Различные виды электродвигателей имеют отличающуюся друг от друга конструкцию ротора. Эта особенность накладывает некоторую специфику на процесс выполнения измерений.
Синхронные двигатели
Ротор синхронного двигателя содержит несколько обмоток, концы которых штатно подключены к металлическим кольцам.
Кольца монтируются на валу ротора и имеют соответствующую изоляцию. В схематической форме этот блок конструкции электромотора изображен ниже.
Электрическая проверка ротора выполняется аналогично статору и включает в себя
- измерение сопротивлений отдельных обмоток с дополнительной проверкой их идентичности;
- контроль отсутствия межвитковых замыканий;
- тестирование изоляции на отсутствие пробоя на корпус.
Асинхронные двигатели
Ротор асинхронного двигателя выделяется на фоне других своей конструктивной простотой и выполнен в форме так называемого беличьего колеса.
Проверки мультиметром этого блока фактически бесполезны из-за его массивности и предельно малого сопротивления, которое мультиметр зачастую не в состоянии зафиксировать из-за своей относительно невысокой точности.
С учетом этой особенности ротор в данном случае проверяется визуальным осмотром на отсутствие механических повреждений.
Коллекторные двигатели с механической коммутацией
Ротор двигателей этой разновидности содержит несколько одинаковых обмоток, концы которых выведены на пластины коллектора.
Для устранения влияния на точность измерений дополнительных цепей протекания тока из двигателя удаляются щетки, после чего мультиметром, который подключается к паре пластин определяется сопротивление каждой обмотки. Равенство показаний свидетельствует об исправности обмоток.
Возможны также иные схемы индивидуальной проверки обмоток, но они сложны в реализации и поэтому не рассматриваются.
Проверка электродвигателя пылесоса
Принцип реализации этой проверки основан на обратимом характере электродвигателя, который, как уже отмечалось выше, при подключении к внешнему источнику энергии может работать в режиме генератора.
Для выполнения этой проверки, кроме мультиметра, потребуется второй исправный пылесос, а проверяемый двигатель вместе с крыльчаткой центробежного воздушного компрессора целесообразно демонтировать.
На картинке показана схема построения соответствующей конфигурации.
Работающий пылесос создает в шланге поток воздуха, который вращает крыльчатку центробежного компрессора ЦК и через него раскручивает ротор проверяемого электродвигателя.
Мультиметр, работающий в режиме измерения переменного напряжения и подключенный к клеммам исправного электродвигателя (ЭД), должен имеет показания порядка 150 – 220 В.
После отключения пылесоса частота вращения ротора ЭД быстро падает и пропорционально этому уменьшается напряжение, фиксируемое мультиметром.
Проверка конденсатора
Фазосдвигающий конденсатор, устанавливаемый в однофазных электродвигателях, предназначен для создания вращающегося магнитного поля.
Проверка его исправности может выполняться двумя различными приборами по идентичной схеме.
В обоих случаях обязательна предварительная подготовка, суть которой состоит в обесточивании и разрядке конденсатора.
Для этого конденсатор отключается от двигателя, для чего достаточно снять одну из клемм, после чего отверткой или отрезком провода закорачиваются его выводы.
Первый подход реализуется при наличии у мультиметра функции определения емкости. Измеренное фактическое значение не должно отличаться от номинала, указанного на корпусе конденсатора, более чем на 15-20% в меньшую сторону.
Аналогичным образом выполняют измерения специализированным RC-измерителем, который производящие компании часто оформляют в виде удобного для работы пинцета. Пример конструкции такого тестера показан ниже.
Определение направления навивки обмоток
Направление магнитных потоков, создаваемых при работе электродвигателя, определяется направлением навивки проводов отдельных обмоток, задается при конструировании двигателя и не подлежит изменению.
При проверке правильность коммутации, потребность в которой может возникнуть после ремонта или профилактики, следует исходить из того, что взаимодействующие через магнитные потоки обмотки допустимо рассматривать как трансформатор.
Последнее означает, что обмотки могут быть соединены как встречно, так и равнонаправленно.
Суть эксперимента, позволяющего определить взаимное направление обмоток, состоит в том, что кратковременный переменный ток можно создать простым соединением или разрывом цепи с одним источником напряжения, функции которого возлагаются на обычную батарейку.
Соответствующая схема показана ниже. В ее основу положено свойство современного мультиметра автоматически определять полярность измеряемого напряжения.
Одна из обмоток (левая для обеих конфигураций рисунка) принимается за опорную и в нее через ключ любой конструкции (вплоть до обычного провода, который подключается к выводу обмотки и снимается с него рукой) подключается батарейка.
К клеммам второй обмотки подключается мультиметр, переведенный в режим вольтметра. Если при замыкании ключа мультиметр показывает кратковременное положительное напряжение, то направления намотки проводов совпадают. Этот случай изображен слева.
Справа показан случай встречного (в том числе по направлению генерируемого магнитного поля) включения, когда вольтметр показывает отрицательное напряжение.
Полярность напряжения условно показана знаками “+” и “-“ рядом с изображением вольтметра.
Этот эксперимент несколько более удобно проводить со старыми стрелочными аналоговыми тестерами, у которых отклонение стрелки вправо соответствует положительному напряжению, а влево – отрицательному.
Техника безопасности при проведении измерений
Основная масса описанных выше измерений может быть выполнена без демонтажа электродвигателя со своего штатного места. С учетом этой особенности перед началом работы необходимо убедиться в том, что вилка шнура отключена от розетки (устройство обесточено). При наличии отдельного заземления оборудования его целесообразно оставить на своем месте.
Заключение
Как видим, достаточно качественная и всесторонняя проверка состояния электродвигателя вполне возможна без использования специальных инструментов и приборов.
Необходимыми условиями для этого являются понимание принципа работы тестируемого устройства, наличие элементарных знаний в области электротехники, а также соблюдение правил техники безопасности и аккуратности в работе.
Более сложные комплексные проверки, например, нормального функционирования под нагрузкой, потребуют применения сложных измерительных приборов типа токовых клещей и не могут быть рекомендованы для домашних условий.
К счастью, необходимость в их выполнении возникает достаточно редко.
В целом познавательная статья, как из учебника. Про проверку двигателя пылесоса не согласен. Проверяемый двигатель должен быть с постоянными магнитами. Только тогда на его выходе будет ЭДС, или на обмотки надо подавать ток подмагничивания, как это сделано в схемах старых автомобилей с генератором постоянного тока.
ВСЕ Двигатели бытовых пылесосов имеют статорную обмотку и никакой эдс при вращении якоря на выходе не будет!
Спасибо за замечание. Этот раздел обязательно пересмотрим.