Электродвигатели постоянного тока У2

Электродвигатели постоянного тока серии У2: конструкция, параметры и применение

Электродвигатели постоянного тока серии У2 представляют собой унифицированную серию машин общего промышленного назначения, разработанную в СССР и до сих пор находящую применение в различных отраслях промышленности. Данная серия является развитием и модернизацией более ранней серии П (ПН). Двигатели У2 предназначены для работы от сети постоянного тока и используются в электроприводах, требующих регулирования скорости в широком диапазоне, высокого пускового момента или частых реверсов.

Конструктивные особенности и устройство

Конструкция двигателей У2 соответствует классической схеме электромашин постоянного тока с независимым или параллельным возбуждением. Основные узлы включают:

• Статор (индуктор): Состоит из станины, изготовленной из стали, на которой крепятся главные и дополнительные полюса. Главные полюса несут обмотку возбуждения, создающую основной магнитный поток. Дополнительные полюса с последовательной обмоткой служат для улучшения коммутации и уменьшения искрения под щетками. Станина имеет лапы для крепления двигателя.
• Ротор (якорь): Сердечник якоря набран из листов электротехнической стали для снижения потерь на вихревые токи. В пазы сердечника уложена обмотка якоря, выводы которой соединены с пластинами коллектора. Коллектор — цилиндрический узел из медных пластин, изолированных друг от друга и от вала, обеспечивающий механическое выпрямление тока.
• Щеточный аппарат: Включает щеткодержатели с пружинами, в которых установлены графитовые или электрографитированные щетки. Щетки скользят по поверхности коллектора, обеспечивая электрический контакт с вращающейся обмоткой якоря.
• Подшипниковые щиты: Чугунные или стальные щиты закрывают корпус с торцов, в них установлены подшипники качения (обычно шариковые) для вала якоря. На одном из щитов расположен коробка выводов (борно) с клеммами для подключения обмоток.
• Система вентиляции: Большинство двигателей У2 выполнены в защищенном исполнении (IP22, IP23) с самовентиляцией. Вентилятор, расположенный на валу двигателя, засасывает воздух через зазоры в щитах и корпусе, обдувая активные части.

Основные технические характеристики и параметры

Серия У2 охватывает диапазон мощностей от примерно 0.25 кВт до 200 кВт при стандартных частотах вращения: 750, 1000, 1500, 3000 об/мин (синхронные скорости для сетей 50 Гц). Напряжение питания стандартизировано: 110, 220, 440 В. Важнейшими параметрами являются:

• Номинальная мощность (P_н): Мощность на валу, которую двигатель может длительно развивать без превышения допустимых температур.
• Номинальное напряжение (U_н).
• Номинальный ток якоря (I_я.н).
• Номинальная частота вращения (n_н).
• КПД (η): Для двигателей У2 варьируется от 0.75 для маломощных моделей до 0.92 для высокомощных.
• Степень защиты: В основном IP22 (защита от попадания пальцев и твердых тел диаметром >12.5 мм, от капель воды, падающих вертикально).
• Класс изоляции: Обычно класс B или F, что соответствует предельным температурам 130°C или 155°C.
• Режим работы: Продолжительный (S1).

Схемы возбуждения и их особенности

Двигатели У2 выпускались с различными типами обмоток возбуждения, определяющими их характеристики:

• Независимое возбуждение (У2-Н): Обмотка возбуждения питается от отдельного источника постоянного тока. Характеризуется жесткой механической характеристикой (скорость слабо зависит от нагрузки). Скорость эффективно регулируется изменением напряжения на якоре или тока возбуждения.
• Параллельное возбуждение (У2-П): Обмотка возбуждения включена параллельно обмотке якоря. Характеристики близки к двигателям с независимым возбуждением. Требует защиты от обрыва цепи возбуждения, чтобы предотвратить разнос двигателя.
• Последовательное возбуждение (У2-С): Обмотка возбуждения включена последовательно с якорем. Имеет мягкую характеристику: высокий пусковой момент и резкое падение скорости с ростом нагрузки. Применяется в тяговых приводах и механизмах с тяжелыми условиями пуска. Работа без нагрузки (вхолостую) недопустима.
• Смешанное возбуждение (У2-К): Имеет две обмотки возбуждения — параллельную и последовательную. Характеристики являются промежуточными между двигателями параллельного и последовательного возбуждения.

Области применения и типовые приводы

Благодаря своим регулировочным свойствам, двигатели У2 находят применение в следующих областях:

• Металлообрабатывающие станки (токарные, фрезерные, шлифовальные) для привода главного движения и подач.
• Подъемно-транспортное оборудование (краны, лебедки, экскаваторы) в системах с реверсом и регулированием скорости.
• Приводы вентиляторов и насосов с регулируемой производительностью.
• Испытательные стенды и специальное оборудование, требующее точного поддержания момента или скорости.
• Устаревшие, но еще функционирующие промышленные линии, где эти двигатели были установлены изначально.

Сравнительная таблица характеристик для двигателей У2 разной мощности (на примере 1500 об/мин)

Типоразмер (Мощность, кВт)	Напряжение, В	Номинальный ток якоря, А	КПД, %	Масса, кг (прим.)	Схема возбуждения
У2-11 (0.25 кВт)	110 / 220	3.1 / 1.55	75	~15	Н, П, С
У2-31 (3.0 кВт)	220	17.5	82.5	~70	Н, П, С, К
У2-51 (10 кВт)	220	56.5	86.5	~180	Н, П, С, К
У2-72 (55 кВт)	220	284	90.5	~700	Н, П
У2-92 (110 кВт)	440	276	92.0	~1300	Н, П

Эксплуатация, техническое обслуживание и ремонт

Надежная работа двигателя У2 зависит от соблюдения правил эксплуатации и регулярного ТО. Ключевые аспекты:

• Пуск: Для ограничения пускового тока (в 5-10 раз превышающего номинальный) обязательно применение пусковых реостатов или тиристорных систем управления с ограничением тока.
• Регулирование скорости: Основные методы — изменение напряжения на якоре (вниз от номинальной скорости) и ослабление магнитного потока (вверх от номинальной скорости).
• Обслуживание коллекторно-щеточного узла: Требует наибольшего внимания. Необходимо контролировать состояние коллектора (чистота, биение, цвет побежалости), степень износа щеток, давление пружин, отсутствие искрения. Коллектор периодически протачивается и продораживается.
• Смазка подшипников: Замена смазки производится по регламенту (обычно через 4000-10000 часов работы).
• Контроль изоляции: Регулярное измерение сопротивления изоляции мегомметром (между обмотками и на корпус).
• Вентиляция: Необходимо обеспечивать свободный приток и отток воздуха, регулярно очищать ребра станины и вентиляционные каналы от загрязнений.

Преимущества и недостатки по сравнению с асинхронными двигателями

Преимущества:

• Широкий и плавный диапазон регулирования скорости.
• Высокий пусковой момент при небольшом пусковом токе (при использовании реостата или преобразователя).
• Линейные и предсказуемые механические и регулировочные характеристики.
• Возможность работы в режиме генератора.

Недостатки:

• Более высокая стоимость из-за сложной конструкции коллекторно-щеточного узла.
• Требовательность к техническому обслуживанию (износ щеток, уход за коллектором).
• Искрение щеток, что ограничивает применение во взрывоопасных средах.
• Как правило, большие габариты и масса на единицу мощности по сравнению с асинхронными двигателями.
• Наличие «мертвой зоны» при работе от тиристорных преобразователей.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем отличается двигатель У2 от более современной серии 2П?

Серия 2П является дальнейшим развитием серии У2. Основные отличия включают использование современных изоляционных материалов (класс F и H), улучшенные массогабаритные показатели, модификации для различных климатических исполнений. Конструктивно они очень близки, но двигатели 2П считаются более надежными и имеют обновленную номенклатуру типоразмеров.

Можно ли заменить двигатель постоянного тока У2 на асинхронный с частотным преобразователем?

Да, такая замена технически возможна и часто экономически оправдана с точки зрения снижения затрат на обслуживание. Однако необходимо провести тщательный анализ: частотный преобразователь должен обеспечивать требуемый диапазон регулирования скорости, перегрузочную способность по моменту (особенно на низких скоростях) и динамические характеристики. Для замены в существующей системе с реостатным или тиристорным приводом потребуется полная модернизация системы управления.

Какое давление должны оказывать щетки на коллектор двигателя У2?

Давление щеток нормируется и обычно находится в диапазоне 15-25 кПа (≈150-250 гс/см²). Точное значение зависит от типа щетки (марки графита) и указывается в паспорте или инструкции по эксплуатации на конкретный двигатель. Неправильное давление (как чрезмерное, так и недостаточное) приводит к повышенному износу, искрению и перегреву коллектора.

Как правильно определить выводы обмоток двигателя У2, если маркировка стерта?

Для идентификации можно использовать следующие методы:
1. Измерение сопротивления: Обмотка возбуждения (параллельная или независимая) имеет высокое сопротивление (десятки-сотни Ом). Обмотка якоря — очень низкое (единицы-десятые доли Ома). Последовательная обмотка возбуждения — низкое сопротивление и имеет значительное сечение провода.
2. Подача пониженного напряжения: Подав постоянное напряжение (например, от аккумулятора) на предполагаемую обмотку возбуждения и проверяв наличие магнитного поля у полюсов. Для определения пар щеток якоря можно подать низкое напряжение на якорь и наблюдать за направлением вращения.
3. Визуальный осмотр: Толщина проводов также является индикатором: самые толстые провода ведут к якорю и последовательной обмотке.

Почему двигатель У2 при работе сильно искрит на коллекторе?

Причины повышенного искрения могут быть различными:

• Износ щеток или их неправильная притирка.
• Загрязнение или повреждение коллектора (бороздки, выступы, эллиптичность).
• Ослабление давления пружин щеткодержателей.
• Несовпадение нейтрали (смещение щеток с геометрической нейтрали).
• Неисправность обмоток (замыкание витков, обрыв в стержнях якоря).
• Перегрузка двигателя по току.
• Ослабление или поломка пружин дополнительных полюсов.

Для диагностики требуется последовательная проверка всех элементов.

Каков типичный ресурс двигателя У2 до капитального ремонта?

Ресурс сильно зависит от условий эксплуатации (режима работы, запыленности, качества обслуживания). При работе в номинальном режиме и регулярном ТО межремонтный интервал может составлять 20 000 — 40 000 часов. Критерием для ремонта обычно служит критический износ щеток и коллектора (когда проточка коллектора невозможна без выхода за минимально допустимый диаметр), ухудшение состояния изоляции или выход из строя подшипников.