Обмотки статора машины переменного тока

Виды обмоток. По конструкции катушек обмотки подразделяют на всыпные с мягкими катушками и обмотки с жесткими катушками или полукатушками. Мягкие катушки изготовляют из круглого изолированного провода. Для придания требуемой формы их предварительно наматывают на шаблоны, а затем укладывают в изолированные трапецеидальные пазы (см. рис. 3.4, в, г и 3.5, в); междуфазовые изоляционные прокладки устанавливают в процессе укладки обмотки. Затем катушки укрепляют в пазах с помощью клиньев или крышек, придают им окончательную форму (формируют лобовые части), осуществляют бандажирование обмотки и ее пропитку. Весь процесс изготовления всыпных обмоток можно полностью механизировать.

Жесткие катушки (полукатушки) изготовляют из прямоугольного изолированного провода. Окончательную форму им придают до укладки в пазы; одновременно на них накладывают корпусную и междуфазовую изоляцию. Затем катушки укладывают в предварительно изолированные открытые или полуоткрытые пазы (см. рис. 3.4, а, б и 3.5, а, б), укрепляют и подвергают пропитке.

Всыпные обмотки имеют ряд преимуществ по сравнению с обмотками с жесткими катушками:

а) возможность полной механизации всего процесса изготовления обмотки;

б) упрощение технологий изготовления машины: намотку катушечных групп, а в ряде случаев и фаз обмотки выполняют без разрыва провода, что уменьшает число паек; укладку обмотки в пазы сердечника производят вне корпуса машины, что облегчает и удешевляет процесс обмотки и пропитки;

в) уменьшение длины вылета лобовых частей, что приводит к сокращению длины активной части машины и потерь энергии в обмотке;

г) применение в машине пазов трапецеидальной формы с уменьшенной шириной его шлица, что обеспечивает улучшение использования зубцовой зоны, уменьшение магнитного сопротивления воздушного зазора, пульсации магнитного потока в нем и, как следствие, снижение величины намагничивающего тока и добавочных потерь.

Достоинством обмоток с жесткими катушками являются:

а) улучшение заполнения паза из-за применения проводов прямоугольного сечения;

б) повышение надежности обмотки из-за снижения вероятности появления производственных дефектов, так как в пазы укладывают готовые изолированные и проверенные катушки, которые подвергаются меньшим деформациям.

Поэтому всыпные обмотки получили широкое применение для асинхронных двигателей на напряжение до 1000 В и мощностью до 100 кВт. В двигателях мощностью свыше 100 кВт применение всыпных обмоток из круглого провода встречает значительные технологические трудности. Обмотки таких двигателей изготовляют в основном из жестких кату­шек, выполненных из прямоугольного провода.

По расположению катушек в пазах и размещению их лобовых частей различают однослойные, двухслойные (в том числе концентрические), одно-двухслойные обмотки.

Однослойные обмотки (рис. 3.18,а) наиболее пригодны для механизированной укладки, так как в этом случае обмотка должна быть концентрической и укладываться в пазы статора обеими сторонами катушки одновременно. Однако применение их приводит к увеличенному расходу обмоточного провода из-за значительной длины лобовых частей. Кроме того, в таких обмотках не представляется возможным выполнить укорочение шага, что приводит к ухудшению формы магнит­ного поля в воздушном зазоре, увеличению добавочных потерь, возникновению провалов в механической характеристике и повышению шума. Однако из-за своей простоты и дешевизны такие обмотки широко применяют в асинхронных двигателях небольшой мощности до 10 — 15 кВт.

Двухслойные обмотки (рис. 3.18,6) позволяют выполнить укорочение шага обмотки на любое количество зубцовых делений, благодаря чему улучшается форма магнитного поля, создаваемого обмоткой, и подавляются высшие гармонические в кривой ЭДС. Кроме того, при двухслойных обмотках получается более простая форма лобовых соединений, что упрощает изготовление обмоток. Такие обмотки применяют для двигателей мощностью свыше 100 кВт с жесткими катушками, которые укладывают вручную.

Рис. 3.18. Расположение катушек в пазах при однослойной (а) и двухслойной (б) обмотках

Одно-двухслойные концентрические обмотки сочетают в себе преимущества однослойных — возможность механизированной укладки и двухслойных — применение укорочения шага. Однако они более трудоемки, чем однослойные, и поэтому их нецелесообразно применять для машин малой мощности. Такие обмотки используют в машинах мощностью 15—100 кВт при q > 2.

Для асинхронных двигателей с q > 6 применение концентрических одно-двухслойных обмоток нецелесообразно из-за значительной длины вылета лобовых частей, размещение которых приводит к увеличению общих размеров машины. В таких двигателях применяют двухслойную концентрическую обмотку, предназначенную для механизированной укладки. Эту обмотку можно выполнить «в развалку» — с разделением каждой катушечной группы на две концентрические подгруппы, что существенно уменьшает длину вылета лобовых частей.

Однослойные обмотки. При выполнении однослойной обмотки необходимо предусматривать возможность установки ротора внутрь статора. Поэтому лобовые части, посредством которых соединяют между собой активные проводники, лежащие в пазах, должны быть отогнуты к сердечнику статора. В зависимости от способа выполнения лобовых соединений однослойные обмотки могут иметь различные конструкции. Обычно используют шаблонные и концентрические обмотки.

Рассмотрим принцип построения трехфазной однослойной обмотки на примере четырехполюсной машины (2р = 4) с минимальным числом пазов на полюс и фазу q = 2 (сосредоточенные обмотки с q = 1 не применяют). В этом случае проводники, принадлежащие одной фазе, размещают под парой полюсов в четырех пазах (рис. 3.19). Одна фаза занимает в машине восемь пазов: 2pq = 4•2 = 8;

Рис. 3.19. Схема расположения катушек на статоре трехфазной машины с однослойной обмоткой

Рис. 3.20. Схема шаблонной обмотки (а) при 2р = 4; q= 2 и z = 24 и расположение ее лобовых частей (б):1 — сердечник статора; 2 — нажимная шайба; 3 — катушки

число пазов в машине z = 2рqm = 24. На рис. 3.19 указано также мгновенное направление ЭДС, индуцированных в проводниках различных фаз длямомента времени, соответствующего максимальному значению тока в фазе АХ.

На рис. 3.20 приведена схема соединения указанных проводников при выполнении шаблонной обмотки, изготовляе­мой из заранее намотанных катушек одинаковой формы (см. рис. 3.7, а). Обычно это трапецеидальные катушки, которые в процессе намотки закладывают в пазы и соединяют между собой соответствующим образом. Для наглядности изображения поверхность статора или ротора вместе с пазами и обмоткой развертывают в плоскость и все соединения проводников изображают в виде прямых линий. Проводники, лежащие в одном пазу (т. е. каждую сторону катушки), изображают в виде линии.

При выполнении обмотки проводники, лежащие в различных пазах, соединяют между собой в витки и катушки так, чтобы индуцированные в них ЭДС складывались. Так, например, в обмотке, приведенной на рис. 3.20, а, фаза АХ состоит из четырех катушек, образованных проводниками, которые разме­щены в пазах 1—7, 2 — 8, 13 — 19 и 14 — 20; соответственно фаза BY — из четырех катушек, образованных проводниками, которые лежат в пазах 5—11, 6—12, 17—23 и 18—24,

Рис. 3.21. Схема концентрической обмотки (в) при 2р = 4, q = 2, z = 24 и расположение ее лобовых частей (б): 1 — сердечник статора; 2 — нажимная шайба; 3, 4 — катушки

а фаза CZ — из четырех катушек, образованных проводниками, кото­рые лежат в пазах 9—15, 10 — 16, 21—3 и 22 — 4.

В обмотке, показанной на рис. 3.20, а, каждая катушечная группа состоит из двух катушек. Лобовые части катушек шаблонной обмотки при выходе из пазов отгибают, как показано на рис. 3.20,6.

На рис. 3.21, а показана схема концентрической обмотки для той же машины (2р = 4; q= 2; z = 24). Здесь катушки имеют разные размеры. Однако в последовательную цепь включены те же проводники 1—24, и в электрическом отношении свойства обеих обмоток одинаковы.

Несмотря на то что при концентрической обмотке одни катушки короче, а другие длиннее, шаг обмотки остался неизменным, т. е. и в этом случае он равен полюсному делению (как и при шаблонной обмотке). В концентрической обмотке катушки, принадлежащие одной катушечной группе, располагают одну внутри другой (рис. 3.21,6). Однако катушки различных катушечных групп пересекаются, поэтому их лобовые части необходимо располагать в двух или трех плоскостях (ярусах).

Двухслойные обмотки. Выпускаемые промышленностью машины общего применения с двухслойными обмотками имеют обычно шаг у = (0,8 ÷ 0,856) τ, т. е. подавляются пятая — седьмая и кратные им гармонические. На рис. 3.22, а показано расположение проводников в пазах статора четырехполюсной машины с двухслойной обмоткой при тех же параметрах обмотки (2р = 4; q= 2; z = 24), что и в машине с однослойной обмоткой (см. рис. 3.19). Шаг обмотки по пазам принят равным у = 0,8τ.

В каждом пазу проводники располагают в два слоя, причем проводники верхнего и нижнего слоев, принадлежащие одной фазе, сдвинуты относительно друг друга на один паз. Проводники соединяют между собой в катушки так, чтобы индуцированные в них ЭДС складывались. В соот­ветствии с направлением ЭДС, показанным на рис. 3.22, а, фаза АХ в этом случае имеет восемь катушек, образованных проводниками, которые находятся в пазах 1-6, 2 - 7, 7- 12, 8-13, 13-18, 14-19, 19-24, 20-1. Одна сторона этих катушек состоит из проводников, расположенных в верхнем слое пазов 1, 2, 7 и 8 и т. д., а вторая — из проводников, расположенных в нижнем слое пазов 6, 7, 12, 13 и т. д.

В схеме двухслойной обмотки (рис. 3.22,6) все проводники, лежащие в каждом слое паза (каждая сторона катушки), изображены в виде линии. Проводники верхних слоев показаны сплошными линиями; нижних слоев - штриховыми линиями. Направление ЭДС в проводниках показано стрелками в соответствии с направлением, указанным на рис. 3.22, а. Лобовые части обмоток располагают, как показано на рис. 3.22, в. Общее число катушек при двухслойной обмотке вдвое больше, чем при однослойной, что несколько усложняет конструкцию и стоимость обмотки. Однако такая обмотка дает некоторую экономию обмоточного провода. Кроме того, все катушки совершенно одинаковы (см. рис. 3.7,6), что позволяет механизировать их изготовление.

В схемах, приведенных на рис. 3.20, а; 3.21, а; 3.22,6, все катушки одной фазы соединены последовательно. Такое соединение характерно для машин сравнительно небольшой мощности. В машинах большой мощности для уменьшения сечения отдельных проводников катушки соединяют так, чтобы образовались параллельные ветви, содержащие равное количество катушек. В этом отношении двухслойные обмотки имеют преимущество перед однослойными, так как из-за большого числа катушек облегчается распределение их по параллельным ветвям.

Обычно двухслойные обмотки выполняют с q, равным целому числу. Однако в некоторых случаях применяют обмотки с дробным q. Например, при серийном производстве двигателей переменного тока целесообразно в ряде случаев

Рис. 3.22. Схема расположения катушек двухслойной обмотки на статоре трехфазной машины (а) и их соединение между собой (б); устройство лобовых частей (в): 1 — сердечник статора; 2 — нажим­ная шайба; 3 — катушки

Рис. 3.23. Схема двухслойной концентрической обмотки при z = 24, 2р = 4, q = 2

для машины с различными числами полюсов 2р использовать одни и те же листы статора с определенным числом пазов z. При этом одно из значений 2р дает q = z/(2pm), не равное целому числу. Двухполюсные обмотки с дробным q применяют также в тихоходных (многополюсных) машинах большой мощности, например в гидрогенераторах, у которых практически невозможно выполнить обмотку статора с q > 1; в этом случае пришлось бы иметь на статоре слишком большое число зубцов z. Используя в машинах дробное значение q, можно получить такие же результаты для подавления высших гармонических МДС, как и при увеличении числа пазов на полюс и фазу.

В обмотках с дробным q катушечные группы не могут состоять из дробного числа катушек, поэтому в таких обмотках используют два типа катушечных групп: большие и малые, которые чередуются между собой с определенной периодичностью; при этом в больших катушечных группах число катушек на одну больше, чем в малых. Например, в каждой фазе одна из групп состоит из двух катушек, а другая - из одной; в результате среднее число катушек в катушечных группах q = (2 + 1)/2 = 1,5.

При механизированной укладке применяют концентрическую двухслойную обмотку. Катушечные группы этой обмотки выполнены из концентрических катушек с различными шагами (рис. 3.23). Шаг наибольшей катушки равен числу пазов, заключенных между первой и последней сторонами катушек одной катушечной группы, как у обычной двухслойной обмотки. Определенная последовательность укладки катушечных групп при выполнении такой обмотки позволяет уложить в статор все катушки без подъема ранее уложенных катушек из пазов. В концентрической двухслойной обмотке различные катушечные группы имеют неодинаковое индуктивное сопротивление, что ограничивает возможность соединения их в несколько параллельных ветвей.

Одно-двухслойные обмотки. В обычной двухслойной обмотке в некоторых пазах располагают стороны катушек, принадлежащих к одной и той же фазе (например, пазы 3, 5, 7 и другие на рис. 3.22, б), а в других - стороны катушек разных фаз. В однодвухслойной обмотке в пазах, в которых размещены стороны катушек одной и той же фазы, помещают однослойную катушку (большую с двойным числом витков), а в остальных пазах - в два слоя стороны катушек разных фаз (рис. 3.24). Такая обмотка состоит из концентрических катушек; число катушечных групп равно числу полюсов. Катушечная группа состоит из одной большой и q - 2 малых ка-

Рис. 3.24. Схема расположения катушек одной фазы на статоре трехфазной машины с одно-двухслойной обмоткой (2р = 4, q = 3, z = 36)

тушек (всего q - 1 катушка). Шаг большой катушки уб = τ - 1; шаги малых катушек ум1 = yб - 2; ум2 = yб - 4; ум3 = yб - 6.... Указанная обмотка выполнима только при q > 2. При q = 2 она превращается в концентрическую однослойную обмотку. Расчетное укорочение шага в обмотке с одной большой катушкой в каждой катушечной группе β = π (q — 2)/3q. Одно-двухслойную обмотку можно выполнить и с двумя большими катушками в катушечной группе. В этом случае общее число катушек в группе равно q - 2 и расчетное укорочение шага β = π (q - 1)/3q. Такая обмотка выполнима при q > 4.

Точные обмотки. Внекоторых видах микромашин (например, в поворотных трансформаторах) для большего приближения МДС к синусоидальной форме требуется применять более сложные - точные - обмотки (синусные, трапецеидальные и др.). При синусной обмотке в пазах, расположенных в пределах одного полюсного деления т, укладывают неодинаковое число витков данной фазы. При этом они должны быть распределены по отдельным пазам так, чтобы линейная нагрузка А (число ампер на 1 см окружности статора или ротора), а следовательно, и МДС распределялись вдоль окружности статора или ротора по синусоидальному закону.

Однако из-за ограниченного числа пазов распределение витков по пазам не может быть идеально синусоидальным,

Рис. 3.25. Диаграммы распре­деления линейной нагрузки (а) и МДС (б) для точной обмотки

а носит ступенчатый характер. Поэтому в машинах с синусными обмотками делают скос пазов на одно зубцовое деление. Это практически уничтожает зубцовые гармонические в кривых магнитного поля и ЭДС.

Поскольку выполнение синусных обмоток более трудоемко, чем равнокатушечных, часто и в микромашинах применяют равнокатушечные двухслойные обмотки с трапецеидальным распределением линейной нагрузки вдоль окружности статора. Наилучшие результаты (для равнокатушечных обмоток) дает распределение линейной нагрузки Ах в виде трапеции с верхним основанием, равным 1/3 полюсного деления (рис. 3.25, а). В этом случае полностью уничтожается третья гармоническая и значительно ослабляются пятая, седьмая и др. Так, например, при указанном на рис. 3.25, а распределении линейной нагрузки Ах кривая распределения МДС Fx (рис. 3.25,6) состоит из отрезков прямых ab, de, ef, hk и парабол bc, cd, fg, gh и весьма близка к синусоиде.

На рис. 3.26, а для примера приведена схема такой обмотки при 2р = 2 и z = 12. Обмотка выполнена двухслойной: витки фаз АХ и BY закладывают в одни и те же пазы, но числа витков одной фазы в каждом пазу различны (рис. 3.26,6). Оси обмоток различных фаз сдвинуты в пространстве на половину полюсного деления. Лобовые части обеих

Рис. 3.26. Схема двухфазной точной обмотки (а) и распределение ее проводников по пазам (б): 1 — проводники фазы АХ; 2 — проводники фазы BY

фаз при выходе из пазов изгибают в двух плоскостях, как показано на рис. 3.20.

Для машин большой мощности применение точных обмоток обычно нецелесообразно, так как они дают существенное уменьшение первой гармонической МДС.