Stojan silnika elektrycznego: budowa, uzwojenie i najczęstsze uszkodzenia
W silniku indukcyjnym pracują dwa zespoły. Nieruchomy stojan wytwarza wirujące pole magnetyczne, a osadzony w nim wirnik zamienia to pole na ruch obrotowy wału. Poniżej opisujemy budowę stojana, wyjaśniamy, skąd bierze się znamionowa prędkość obrotowa silnika i pokazujemy, po czym poznać uszkodzone uzwojenie.
Czym jest stojan i gdzie się znajduje
Stojan (z łaciny stator, czyli „stojący") stanowi nieruchomą część maszyny elektrycznej. W typowym silniku trójfazowym widać go od zewnątrz jako żeliwny lub aluminiowy korpus z żebrami chłodzącymi, zamknięty z obu stron tarczami łożyskowymi. Wewnątrz korpusu ukryty jest właściwy element roboczy, czyli rdzeń z nawiniętym uzwojeniem.
Warto rozróżnić dwa pojęcia, które w praktyce warsztatowej bywają mylone. Korpus pełni funkcję konstrukcyjną i odprowadza ciepło, natomiast pole magnetyczne powstaje w rdzeniu i uzwojeniu. Gdy mówimy, że „stojan się spalił", chodzi prawie zawsze o uzwojenie, a nie o odlew.
Z czego zbudowany jest stojan
Konstrukcja składa się z czterech części, z których każda spełnia inne zadanie.
- Kadłub (korpus) przenosi siły reakcji, mocuje silnik do podstawy przez łapy lub kołnierz i oddaje ciepło do otoczenia. Wykonuje się go z żeliwa szarego przy większych mocach albo z odlewu aluminiowego przy mocach mniejszych.
- Rdzeń tworzy pakiet cienkich blach elektrotechnicznych sprasowanych w walec, z wyfrezowanymi wzdłuż osi żłobkami.
- Uzwojenie to izolowany drut miedziany ułożony w żłobkach rdzenia i połączony w cewki. Po nawinięciu całość nasącza się lakierem izolacyjnym, który usztywnia zwoje i poprawia odprowadzanie ciepła.
- Skrzynka zaciskowa mieści mostek z sześcioma zaciskami, na którym wykonuje się połączenie w gwiazdę lub trójkąt.
Dlaczego rdzeń jest z blach, a nie z litej stali
Zmienne pole magnetyczne indukuje w każdym przewodniku prądy wirowe, które grzeją materiał i zamieniają energię w ciepło zamiast w moment obrotowy. Lity walec stalowy byłby pod tym względem najgorszym możliwym rozwiązaniem, bo prądy mogłyby krążyć swobodnie po całym przekroju.
Dlatego rdzeń buduje się z blach o grubości zwykle 0,5 mm, izolowanych od siebie cienką warstwą lakieru lub tlenków. Prąd wirowy zostaje wtedy zamknięty w obrębie pojedynczej blachy, a straty spadają wielokrotnie. Stosowana blacha jest krzemowa, ponieważ dodatek krzemu zwiększa rezystywność stali i dodatkowo ogranicza te straty.
Jakość pakietu blach przekłada się wprost na sprawność napędu. Różnice między klasami IE2, IE3 i IE4 biorą się w dużej mierze właśnie z materiału rdzenia i z ilości miedzi w żłobkach.
Uzwojenie stojana decyduje o prędkości obrotowej
Sposób rozłożenia cewek w żłobkach wyznacza liczbę par biegunów magnetycznych, a ta z kolei określa prędkość wirowania pola. Zależność opisuje prosty wzór, w którym n oznacza prędkość synchroniczną w obrotach na minutę, f częstotliwość sieci, a p liczbę par biegunów:
n = 60 × f / p
Przy polskiej sieci 50 Hz daje to zamknięty zbiór wartości. Silnik indukcyjny nigdy nie osiąga prędkości synchronicznej, ponieważ moment powstaje dopiero przy różnicy prędkości wirnika i pola, zwanej poślizgiem. Stąd rozbieżność między teorią a liczbą wybitą na tabliczce.
| Pary biegunów | Bieguny | Prędkość synchroniczna | Typowa prędkość znamionowa |
|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 3000 obr/min | 2800–2950 obr/min |
| 2 | 4 | 1500 obr/min | 1400–1460 obr/min |
| 3 | 6 | 1000 obr/min | 930–980 obr/min |
| 4 | 8 | 750 obr/min | 690–730 obr/min |
| 5 | 10 | 600 obr/min | 560–590 obr/min |
Z tej tabeli wynika praktyczny wniosek. Prędkości obrotowej nie da się zmienić przez wymianę wirnika ani przez dobór innego łożyska, bo jest ona wpisana w uzwojenie stojana. Jeśli aplikacja wymaga innych obrotów, pozostaje dobranie silnika o innej liczbie biegunów, zastosowanie motoreduktora albo sterowanie falownikiem, który zmienia częstotliwość zasilania.
Silniki dwubiegowe rozwiązują ten problem inaczej. Mają w stojanie dwa niezależne uzwojenia albo jedno przełączalne (układ Dahlandera), dzięki czemu pracują na przykład przy 1400 i 2900 obr/min. Więcej takich konstrukcji znajdą Państwo w kategorii silniki dwubiegowe.
Gwiazda i trójkąt, czyli jedno uzwojenie na dwa napięcia
Trzy cewki fazowe wyprowadzone są na sześć zacisków, co pozwala połączyć je na dwa sposoby. W układzie trójkąta (Δ) każde uzwojenie otrzymuje pełne napięcie międzyfazowe, a w gwieździe (Y) napięcie mniejsze około 1,73 razy. Ten sam silnik opisany jako 230/400 V pracuje więc w trójkącie przy sieci 230 V i w gwieździe przy 400 V.
Pomyłka na mostku kończy się przewidywalnie. Połączenie w trójkąt przy sieci 400 V, gdy silnik przewidziano do gwiazdy, oznacza przekroczenie napięcia znamionowego o około 73% i przepalenie uzwojenia w ciągu kilkudziesięciu sekund. Odwrotna pomyłka jest mniej groźna, ale silnik nie osiągnie wtedy momentu znamionowego. Oznaczenia odczytamy z tabliczki znamionowej.
Najczęstsze uszkodzenia stojana
Zdecydowana większość awarii silników indukcyjnych dotyczy uzwojenia, nie części mechanicznych. Poniżej zestawienie objawów, z którymi najczęściej trafiają do nas silniki.
| Objaw | Prawdopodobna przyczyna |
|---|---|
| Silnik buczy, nie rusza, po chwili zadziała zabezpieczenie | Przerwa w jednej fazie, praca dwufazowa, zwarcie międzyzwojowe |
| Wybija różnicówka zaraz po załączeniu | Doziemienie uzwojenia, przebicie izolacji do korpusu |
| Silnik grzeje się i pachnie lakierem przy normalnym obciążeniu | Częściowe zwarcie zwojów, zawilgocona izolacja, zapchane żebra chłodzące |
| Wyraźny spadek momentu, silnik „siada" pod obciążeniem | Uszkodzenie części cewek, błędne połączenie mostka |
| Ciemne, spieczone miejsce widoczne w czołach uzwojenia | Przepalenie od przeciążenia lub od pracy na dwóch fazach |
Osobną kategorią są uszkodzenia od zawilgocenia. Silnik odstawiony na kilka miesięcy w nieogrzewanej hali potrafi nabrać wilgoci w izolacji i wybijać zabezpieczenie przy pierwszym rozruchu, mimo że uzwojenie pozostaje sprawne. Wysuszenie w komorze albo przepuszczenie prądu stałego o obniżonej wartości zwykle przywraca go do pracy.
Jak sprawdzić stojan miernikiem
Podstawową diagnostykę wykonuje się w kilku minutach, bez rozbierania silnika. Przed pomiarami należy odłączyć zasilanie i rozłączyć mostek w skrzynce zaciskowej.
- Rezystancja uzwojeń. Zmierz opór każdej z trzech faz osobno. Wartości powinny być do siebie zbliżone, w praktyce rozrzut powyżej kilku procent wskazuje na uszkodzenie. Przy małych mocach opór wynosi kilkanaście omów, przy dużych spada poniżej oma i wymaga miernika o odpowiedniej rozdzielczości.
- Rezystancja izolacji. Megaomomierzem sprawdź opór między każdą fazą a korpusem. Dla silnika niskiego napięcia w dobrym stanie wynik idzie w setki megaomów, a wartości poniżej kilku megaomów oznaczają zawilgocenie lub uszkodzoną izolację.
- Ciągłość i zwarcia. Brak przewodzenia oznacza przerwę w cewce, natomiast opór bliski zeru między dwiema fazami wskazuje zwarcie.
Zwarcia międzyzwojowego często nie wykryje zwykły multimetr, bo zwarcie kilku zwojów zmienia rezystancję nieznacznie. Taki silnik rusza, grzeje się i traci moc, a rozstrzyga dopiero pomiar impedancji lub próba pod obciążeniem.
Przezwojenie czy wymiana silnika
Przezwojenie polega na usunięciu starego uzwojenia, oczyszczeniu żłobków i nawinięciu nowego drutu według oryginalnych danych. Zabieg ma sens przy większych mocach i przy konstrukcjach nietypowych, gdzie koszt nowego napędu jest wielokrotnie wyższy. Przy silnikach do kilku kilowatów rachunek zwykle wychodzi na korzyść wymiany, ponieważ robocizna stanowi większość ceny naprawy.
Trzeba też pamiętać o sprawności. Przezwojony silnik rzadko wraca do pierwotnej klasy energetycznej, bo warsztaty stosują drut o parametrach zbliżonych, lecz nie identycznych. Przy napędzie pracującym w ruchu ciągłym różnica kilku punktów procentowych sprawności potrafi w skali roku przewyższyć oszczędność na naprawie.
Jeżeli silnik nie nadaje się do naprawy, prowadzimy skup silników elektrycznych w każdym stanie, także uszkodzonych i przepalonych. Sprawne napędy w typowych mocach dostępne są od ręki w kategoriach silniki trójfazowe i silniki jednofazowe, a najczęściej wybierane wielkości to 2,2 kW, 3 kW, 5,5 kW i 7,5 kW.
Stojan a wirnik
Obie części pracują tylko razem, choć zadania mają różne. W stojanie prąd trójfazowy wytwarza pole wirujące z prędkością synchroniczną. Pole to przecina pręty klatki wirnika i indukuje w nich prąd, a oddziaływanie obu pól daje moment obrotowy. Wirnik zawsze obraca się wolniej od pola, bo przy zrównaniu prędkości zanikłoby zjawisko indukcji i moment spadłby do zera.
Konstrukcja klatkowa wirnika jest przy tym znacznie prostsza i mniej awaryjna od uzwojenia stojana, co tłumaczy proporcje w statystyce napraw. Szerzej opisaliśmy to w artykułach o budowie silnika elektrycznego i o tym, jak działa silnik elektryczny.