Обмотки статора асинхронных двигателей

 

   Обмотка в электрической цепи машины переменного  тока должна одновременно удовлетворять двум требованиям:

1. Создавать требуемую для работы машины э. д. с;
2. Образовывать необходимое магнитное поле для процесса преобразования энергии.

   Поэтому устройство каждой обмотки переменного тока должно оцениваться с точки зрения выполнения ею этих двух основных функций. 

Рис. 1. Размещение пазов в сердечнике асинхронной  машины: 1 – пазы статора; 2 – воздушный  зазор; 3 – пазы ротора 

     Проводники  обмотки размещаются в пазах сердечника на внутренней поверхности статора и внешней поверхности ротора. В асинхронных машинах пазы имеют относительно небольшие размеры и равномерно распределены по обе стороны воздушного зазора.

     В процессе преобразования электрической  энергии в механическую (или наоборот) по проводникам обмоток проходят токи, которые, взаимодействуя с магнитным полем машины, создают электромагнитный вращающий момент.

     Вес обмотки получается тем меньше чем  меньше общая длина проводников, образующих обмотку, при заданных значениях тока и наведенной в обмотке э. д. с. 

     

     Рис. 2. Виток, образующийся при последовательном соединении проводников 1 и 2, размещенных  в двух пазах пазового слоя 

     Простейшим  элементом обмотки является виток, состоящий из двух проводников (прямого и обратного), размещенных в пазах, находящихся друг от друга на расстоянии у, приблизительно равному одному полюсному делению τ. Поэтому число проводников обмотки, укладываемых в пазы, четное.

     Полюсным  делением называется часть дуги внутренней расточки статора, приходящейся на один полюс

     

,

где D – внутренний диаметр статора, р – число пар полюсов.

     Несколько последовательно соединенных витков образуют секцию обмотки, несколько секций при наличии общей изоляции – катушку; иногда катушка имеет только одну секцию.

      В многофазных обмотках проводники разбиваются  на одинаковые группы по числу фаз, симметрично расположенные в пазовом слое.

     Обмотки укладываются в пазы в один, два  или несколько слоев, поэтому  обмотки подразделяют на однослойные, двухслойные и т. д. Обмотки с числом слоев более двух применяются редко, только в специальных случаях.

      Расстояние  между пазовыми сторонами катушки, измеренное по внутренней поверхности  статора, называется шагом обмотки по пазам у₁. Шаг обмотки выражают в пазах. Шаг обмотки называется полным или диаметральным, если он равен полюсному делению:

.

      Если  шаг обмотки y₁˂τ, то он называется укороченным. Уменьшение шага катушки применяется для устранения или значительного ослабления гармоник выше третьей, главным образом пятой или седьмой. 

 

Рис. 3. Укорочение шага обмотки 

      Допустим, что кривая распределения магнитной  индукции В_δ в воздушном зазоре несинусоидальна и наряду с первой гармоникой В₁ содержит пятую В₅ (рис. 3, а). Если при этом обмотка выполнена с диаметральным шагом (рис. 3, б), то э. д. с. первой и пятой гармоник (е₁ и е₅) в обеих сторонах катушки (витка) складываются арифметически. В этом случае результирующая э. д. с. катушки е_к.д. наряду с первой содержат и пятую гармонику.

      Если  шаг катушки укоротить на 1/5 полюсного  деления (рис. 3, в), т. е. принять его равным

,

то э. д. с пятой  гармоники е₅, хотя и наводятся в пазовых сторонах катушки, будут находиться в противофазе относительно друг друга. В итоге сумма этих э. д. с. будет равна нулю и э. д. с. катушки будет содержать лишь первую (основную) э. д. с. е₁, т. е. она станет практически синусоидальной.

      Аналогично, для уничтожения э. д. с. седьмой  гармоники требуется укорочение шага катушки на 1/7 полюсного деления τ, т.е. принимаем шаг катушки равным

.

      Отношение шага обмотки у₁ к полюсному делению называют относительным шагом обмотки

.

      Обычно  относительный шаг обмотки принимают  β=0,80÷0,89, что обеспечивает значительное ослабление э. д. с. высших гармоник.

      Уменьшение  шага катушки на величину относительного укорочения

ε=1-β

вызывает ослабление не только э. д. с. высших гармоник, но и  э. д. с. первой (основной) гармоники. Объясняется это тем, что при диаметральном шаге э. д. с. первой гармоники Е_1к.д. (рис. 3,б) равна арифметической сумме э. д. с, наводимых в пазовых сторонах катушки (Е_1к.д.=2·Е₁), а при укорочении шага на величину ε (рис. 3,в) э. д. с. в пазовых сторонах катушки оказываются сдвинутыми по фазе относительно друг друга на угол ε·180̊  и э. д. с. катушки Е_1к.у. определяется геометрической суммой:

˂ Е_1к.д.

      Уменьшение  э. д. с. катушки при укорочении ее шага на величину ε=1-β учитывется коэффициентом укорочения шага

.

      Укорочение  шага обмотки по пазам возможно лишь в двухслойных обмотках. Однослойные  обмотки выполняются с диаметральным шагом, поэтому э. д. с, наводимые в них, содержат в значительной мере высшие гармоники 5-го и 7-го порядка. Это ограничивает применение однослойных обмоток в асинхронных двигателях.

     Обмотки статора разделяются на сосредоточенные  и распределенные.

      При сосредоточенной обмотке все катушки одной фазы, приходящиеся на полюс и образующие катушечную группу, укладываются в двух пазах, т. е. сосредотачиваются вместе и образуют одну большую катушку (пример рис. 4). 

Рис. 4. Сосредоточенная трехфазная обмотка: а – расположение катушек в пазах статора; б – развернутая схема обмотки 

     Сосредоточенные обмотки не получили распространения по ряду причин, одна из которых – необходимость вырубки в пластинах статора пазов большей площади, что ведет к увеличению размеров машины.

     В распределенных обмотках все катушки равномерно расположены по периметру расточки статора. При этом катушки каждой фазы, приходящиеся на полюс, т. е. катушки каждой катушечной группы, занимают более двух пазов.

     Важным  параметром обмотки статора является число пазов, приходящихся на полюс и фазу:

     

где m₁ – число фаз в обмотке, Z₁ – число пазов статора, р – число пар полюсов.

      В сосредоточенной обмотке q₁=1, в распределенной  q₁˃1.

      В случае сосредоточенной обмотки (рис. 5, а), э. д. с, наведенные в двух катушках, совпадают по фазе. Э. д . с. Катушечной группы Е_Г.С. равно арифметической сумме э. д. с. катушек:

.

      В случае распределенной обмотки (рис. 5,б) обе катушки сдвинуты в пространстве относительно друг друга на пазовый угол

.

Э. д. с, наводимые  в катушках катушечной группы, сдвинуты по фазе на угол γ.

     Исходя  из этого э. д. с. катушечной группы распределенной обмотки Е_Г.Р. равна геометрической сумме э. д. с. катушек:

     Уменьшение  э. д. с. катушечной группы при переходе от сосредоточенной обмотке к  распределенной оценивают с помощью коэффициента распределения обмотки, равный отношению геометрической суммы э. д. с. витков к их арифметической сумме:

˂1.

Рис. 5. К понятию о коэффициенте распределения 

      Уменьшение  э. д. с. основной гармоники, наведенной в обмотке статора, обусловленное укорочением шага обмотки и ее распределением характеризируется обмоточным коэффициентом:

.

      Более полно обмоточный коэффициент учитывает  k_с – коэффициент скоса паза:

,

где γ_с – угол, на который сдвинуты вход и выход паза.

      Скос  пазов применяется для ослабления зубцовых гармоник э. д. с, которые вызывают дополнительные потери в машине.

      Тогда обмоточный коэффициент равен:

.

      Однослойные и двухслойные  обмотки. Обмотки статора машин переменного тока по своей конструкции разделяются на двух- и однослойные. В двухслойной обмотке пазовая сторона катушки занимает половину паза по его высоте, а другую половину этого паза занимает пазовая сторона другой катушки (рис. 5, а). В однослойной обмотке статора пазовая сторона любой катушки занимает весь паз (рис. 8, б).

 

Рис. 8. Расположение пазовых сторон двухслойной (а) и однослойной (б) обмоток статора 

          Двухслойные обмотки  в электрических машинах переменного  тока получили наибольшее распространение. Среди их достоинств: возможность любого укорочения шага обмотки, что обеспечивает возможность максимально приблизить форму кривой э. д. с. к синусоиде. Недостатки: затруднения в применении станочной укладки обмотки, а также сложность ремонта обмотки при повреждении изоляции пазовых проводников нижнего слоя.

Однослойные обмотки статора. Если для пазового слоя сердечника заданы число пазов Z, число полюсов 2∙p, число фаз m, причем

равно целому числу, то при однослойной обмотке распределение пазов между фазами может быть произведено достаточно просто и практически безвариантно. Пример такого распределения для Z=24, 2∙p=4, m=3 показан на рис. 9. Для такой обмотки .

Рис. 9. Размещение в пазах проводников трехфазной однослойной обмотки при q=2 

      При выполнении обмотки возникает вопрос: как соединить последовательно  проводники катушек каждой фазы, например, уложенные в пазах 1, 2, 7, 8, 13, 14, 19, 20?

      Здесь может быть много вариантов, и  надо выбрать тот, который дает наименьшую затрату проводникового материала на лобовые и межкатушечные соединения, обеспечивает удобную укладку обмотки при ее изготовлении, возможность простой замены поврежденных катушек в случае ремонта, достаточную механическую прочность лобовой части обмоток. Кроме того, необходимо стремиться к тому, чтобы активные и индуктивные сопротивления фаз мало отличались друг от друга.

      Возможность различных соединений проводников, заложенных в пазы, рассмотрим на конкретных примерах. В основу примером положим трехфазную однослойную обмотку, размещенную в 24 пазах на четырех полюсных делениях (рис. 9 – 15).

      На  рис. 10 показан первый возможный  случай образования обмотки, когда  катушки каждой фазы имеют разную ширину (одна образуется из проводников 1 и 8 и имеет шаг у˃τ, другая – из проводников пазов 2 и 7 и имеет шаг у˂ τ) и располагаются концентрически. Такая обмотка называется концентрической. Лобовые части располагаются в двух плоскостях, такую обмотку называют двухплоскостной.

     На  рис. 11 показан другой вариант обмотки, когда катушки каждой фазы имеют одинаковую форму, причем у˂ τ. Лобовые части располагаются в трех плоскостях, такую обмотку называют трехплоскостной. 

     

     Рис. 10. Трехфазная однослойная обмотка (q=2) с размещением лобовых соединений в двух плоскостях 

     Рис. 11. Трехфазная однослойная обмотка (q=2) с размещением лобовых соединений в трех плоскостях 

     На  рис. 12 показан вариант обмотки, аналогичный  первому (рис. 10), с тем отличием, что  катушки в осевом направлении  имеют несимметричную форму. Такая обмотка носит название цепной.

     

     Рис. 12. Трехфазная однослойная цепная обмотка (q=2). 
 

     Эвольвентная обмотка отличается от цепной только формой лобовых частей – изогнутые лобовые части имеют вид эвольвенты (рис. 13).