В) Однослойные обмотки.

 Обмотка, представленная на рис. 3-6, не может считаться практически пригодной, так как лобовые части ее катушек не позволили бы ни вставить, ни вытащить ротор. Их нужно отогнуть.

На рис. 3-10 показана одна фаза трехфазной обмотки четырехполюсной машины с отогнутыми лобовыми частями. Она состоит из двух катушечных групп при их последовательном соединении. На рис. 3-11 приведена полная схема-развертка той же обмотки при 2р = 4 и q = 2. Такая схема получается, если мысленно разрезать внутреннюю цилиндрическую поверхность статора по образующей и развернуть ее в плоскость. Она дает наглядное представление о размещении катушек, соединении их в группы и соединении катушечных групп отдельных фаз между собой. Размещение ее лобовых частей показано на рис. 3-12.

Рис. 3-10. Одна фаза обмотки статора четырехполюсной машины.

Рис. 3-11. Трехфазная однослойная обмотка при 2p = 4 и q = 2.

Рис. 3-12. Размещение лобовых частей трехфазной однослойной обмотки при q = 2.

Рассмотренная обмотка называется катушечной концентрической с лобовыми частями в двух плоскостях. Она в настоящее время применяется сравнительно редко — главным образом для небольших машин (при Р  7 кВт). При большой мощности она требует больше материалов (обмоточной меди и изоляции), чем двухслойная обмотка, так как имеет более длинные лобовые части.

Из однослойных обмоток находят себе также применение, обычно для машин небольшой мощности (до 7 — 10 кВт), равнокатушечные обмотки, схемы которых аналогичны схемам двухслойных обмоток.

Г) Двухслойные обмотки.

 В настоящее время для статоров асинхронных и синхронных машин преимущественное применение получили двухслойные обмотки. Из них наиболее часто встречаются петлевые двухслойные обмотки. Они состоят из одинаковых катушек, также объединенных в группы. Катушечные стороны закладываются в пазы одна над другой.

Для машин мощностью до 50  100 кВт на статоре берутся полузакрытые (рис. 3-13,б), для машин до 250  300 кВт — полуоткрытые (рис. 3-13,в) и для больших машин — открытые пазы (рис. 3-13,г). Полузакрытые пазы по рис. 3-13,а и б применяются также и для однослойных обмоток. В этом случае изоляционная прокладка (рис. 3-13,б) не нужна.

Рис. 3-13. Пазы статора. а и б — полузакрытые; в—полуоткрытый, г—открытый.

Число катушек обмотки, очевидно, равно числу пазов Z. Число катушек в катушечной группе при q, равном целому числу, равно q. Для асинхронных машин, как правило, q равно целому числу. Поэтому здесь получаются группы с одинаковыми числами катушек. Для статоров синхронных машин большой мощности при большом числе полюсов часто q равно дробному числу, которое мы можем представить в виде:  где с и d — числа взаимно простые. В этом случае катушечные группы будут иметь неодинаковые числа катушек: часть из них будет иметь b катушек, а другая часть — (b+1) катушек. Те и другие группы должны быть распределены между фазами обмотки таким образом, чтобы фазные э.д.с. были равны по величине и сдвинуты по фазе на 120°.

Будем рассматривать петлевые двухслойные обмотки при q, равном целому числу. Схема-развертка одной из таких обмоток показана на рис. 3-14,в.

Рис. 3-14. Схема трехфазной петлевой двухслойной обмотки при Z = 24; 2p = 4; q = 2; у = 5.

Здесь цифрами обозначены номера катушечных групп, состоящих каждая из двух катушек; катушечные группы каждой фазы соединены последовательно. Шаг обмотки (ширина катушки), измеренный числом пазовых делений, у = 5, тогда как полюсное деление  = 6. Следовательно, обмотка выполнена с укороченным шагом, составляющим  Шаг для двухслойной обмотки обычно выбирается близким к 0,8.

При выполнении обмотки в пазы закладываются Z катушек. Затем делаются междукатушечные соединения таким образом, чтобы  получить  катушечных групп (для малых машин катушки часто закладываются целыми группами, поэтому здесь не приходится делать междукатушечные соединения). После этого выполняются междугрупповые соединения, т. е. соединяются между собой группы, составляющие фазы обмоток.

На рис. 3-14,а приведена условная схема той же обмотки, наглядно показывающая соединения между катушечными группами. Последние здесь обозначены короткими дугами с теми же номерами, что и на рис. 3-14,в; стрелками показаны направления э.д.с. в катушечных группах для момента времени, когда они соответствуют проекциям временных векторов  на линию времени t (рис. 3-14,б).

На рис. 3-15 представлен статор с катушечными сторонами, заложенными в пазы. Здесь же показаны три катушечные группы, состоящие каждая из трех катушек (q = 3), и дуги 1, 2, 3,..., условно обозначающие катушечные группы.

Рис. 3-15. Статор с уложенными  в пазы катушечными сторонами трехфазной двухслойной обмотки при Z = 36; 2р = 4; q = 3; y =

При помощи условной схемы, аналогичной схеме на рис. 3-14,а, легко, находятся междугрупповые соединения, осуществляющие также параллельное или последовательно-параллельное соединение катушечных групп для каждой фазы. Так, например, для фазы А мы можем получить четыре параллельные ветви, соединив параллельно группы 1, 4, 7, 10 или две параллельные ветви, из которых одна будет иметь группы 1 и 4, а другая — 7 и 10.

К преимуществу двухслойной обмотки нужно отнести то, что ее катушки можно заготовить вне машины, хорошо их изолировать (пропитать лаками или особым асфальтобитумным составом) и совершенно готовыми заложить в пазы. При этом применяются открытые пазы, позволяющие выполнить надежную изоляцию на высокие напряжения (до 20000  24000 B). При полузакрытых и полуоткрытых пазах обмотка обычно выполняется на напряжении до 660 B. В этом случае проводники катушек приходится закладывать в пазы по одному через открытие (щель) паза.

На рис. 3-16 показано размещение лобовых частей двухслойной обмотки.

 

Рис. 3-16. Лобовые части двухслойной обмотки.

Другим важным преимуществом двухслойной обмотки является то, что ее можно выполнить с укороченным шагом. При укорочении шага обмотки кривая наведенной в ней э.д.с. при несинусоидальном поле получается более близкой к синусоиде, чем при полном шаге; кривая поля, созданного такой обмоткой, тоже будет более близкой к синусоиде. Кроме того, при двухслойной обмотке с укороченным шагом сокращается расход меди и изоляционных материалов по сравнению с однослойной обмоткой (рис. 3-11) за счет уменьшения длины лобовых частей (ср. на рис. 3-5,б лобовые части витков при у =  и y < ).

Схемы однослойных равнокатушечных обмоток, имеющих q пазов на полюс и фазу, могут быть получены из схем петлевых двухслойных обмоток, имеющих q/2 пазов на полюс и фазу. Для этого нужно представить себе, что между соседними пазами двухслойной обмотки помещено еще по одному пазу и в эти пазы вынесены все катушечные стороны, лежащие в нижнем слое Тогда получается схема так называемой цепной обмотки.

Рассмотренная двухслойная обмотка применяется также для фазных роторов асинхронных машин при мощностях до 100 кВт. В этих случаях обычно применяются обмотки с полным шагом, чтобы получить более длинные лобовые части для улучшения условий охлаждения машины.

Волновые двухслойные обмотки находят себе применение для фазных роторов асинхронных машин при мощностях свыше 50100 кВт. Они выполняются из стержней, закладываемых с торцовой стороны в полузакрытые пазы. Число фаз m₂ такой обмотки, как правило, берется равным трем.

Обычная схема волновой двухслойной обмотки представлена на рис. 3-17. Здесь начала и концы фаз равномерно смещены по окружности ротора, так же как и перемычки фаз (I—II, III—IV, V— VI), что облегчает выполнение отводов к контактным кольцам и вместе с тем позволяет сохранить статическую уравновешенность ротора (совпадение центра тяжести ротора с его осью вращения). В последние годы волновые двухслойные обмотки применяются также для статоров крупных синхронных машин, имеющих большое число полюсов (генераторы, работающие на мощных гидроэлектрических станциях). В этом случае они обычно выполняются при q, равном дробному числу.

Рис. 3-17. Роторная стержневая обмотка при Z = 24; 2р = 4; q = 2 (показана только одна фаза).

д) Обмотки для короткозамкнутых роторов.

 Такие обмотки, как правило, выполняются в виде беличьих клеток, состоящих из стержней и замыкающих их на торцах колец (рис. 3-18).

 

Рис. 3-18. Короткозамкнутая обмотка ротора в виде беличьей клетки

В последние годы для машин до 100 кBт они обычно выполняются путем заливки расплавленного алюминия в пазы ротора. При этом одновременно отливаются и короткозамыкающие торцовые кольца вместе с вентиляционными крыльями (рис. 3-19).

 

Рис. 3-19. Алюминиевая короткозамкнутая обмотка ротора.

              Пазы ротора показаны на рис. 3-20.

Рис. 3-20. Пазы ротора.

е) Электродвижущие силы при несинусоидальном поле.

 На рис. 3-21 представлена кривая поля (сплошная линия), созданного, например, вращающимися полюсами.

Рис. 3-21. Кривая поля и ее гармоники.

Ее можно разложить на гармоники, причем вследствие симметрии кривой относительно оси абсцисс и максимальной ординаты в разложении будут иметь место только синусоиды нечетного порядка, показанные на рис 3-21 пунктиром.

Все гармоники поля вращаются относительно статора с одной и той же частотой, равной частоте вращения полюсов. Полюсное деление первой или основной гармоники равно , полюсное деление -й гармоники равно /ν. Таким образом, ν-я гармоника поля имеет в ν раз больше полюсов, чем первая гармоника.

Электродвижущая сила, наведенная в фазе обмотки ν-й гармоникой поля, равна:

          (3-23)

где

          (3-24)

— частота v-й гармоники э.д.с., в ν раз большая, чем частота f₁ первой гармоники э.д.с.;

          (3-25)

— поток, соответствующий v-й гармонике поля;

          (3-26)

— обмоточный коэффициент для v-й гармоники э.д.с.

Обмоточный коэффициент k₀₁ для первой гармоники, очевидно, не отличается от k₀, рассмотренного нами ранее; k_0ν для высших гармоник отличается от k₀₁, так как сдвиг по фазе э.д.с. сторон витка и э.д.с. катушек, составляющих катушечную группу, зависит от номера гармоники v.

Сдвиг по фазе э.д.с. сторон витка, наведенных v-й гармоникой поля, равен vγ, где γ — сдвиг сторон витка в электрических градусах для первой гармоники поля; следовательно,

          (3-27)

Коэффициент распределения для v-й гармоники рассчитывается по формуле

          (3-28)

Значения k_уν и k_pv для гармоник э.д.с. приведены в табл. 3-1 и 3-2.

Таблица 3-1

у/τ	kу1	kу3	kу5	kу7
1	1	1	1	1
8/9	0,985	0,866	0,643	0,342
5/6	0,966	0,707	0,259	-0,259
4/5	0,951	-0,588	0	-0,588
7/9	0,940	0,500	-0,174	-0,766
2/3	0,866	0	-0,866	-0,866

 Таблица 3-2

q	kр1	Kр3	kр5	kр7
2	0,966	0,707	0,259	-0,259
3	0,960	0,667	0,217	-0,177
4	0,958	0,654	0,205	-0,158
5	0,957	0,646	0,200	-0,149
8	0,955	0,641	0,194	-0,141
9	0,955	0,640	0,194	-0,140

 (Знаки перед значениями k_уν и k_pv учитываются при определении мгновенного значения результирующей э.д.с.)

Из табл. 3-1 следует, что путем выбора шага мы можем значительно уменьшить амплитуды высших гармоник в кривой фазной э.д.с.

Действующее значение фазной э.д.с.

.          (3-29)

Так как в обычных случаях амплитуды высших гармоник сравнительно с амплитудой первой гармоники невелики, мы можем практически считать:

          (3-30)

где f₁ и k₀₁ определяются для первой гармоники, а Ф (индекс «м» здесь и в последующем опускаем) — по первой гармонике кривой поля (или приближенно по действительной кривой поля).

Гармоники фазных э.д.с. трехфазной обмотки с номером, кратным трем, совпадают по фазе, прочие гармоники фазных э.д.с. (5, 7, 11, 13. 17, ...) той же обмотки будут сдвинуты по фазе на 120°.

Следовательно, при соединении обмотки звездой в линейной э.д.с. все гармоники с номером, кратным трем, пропадают:

.          (3-31)

При соединении обмотки треугольником мы также не будем иметь в линейном напряжении гармоник с номером, кратным трем, так как при таком соединении все эти гармоники по контуру, составленному из трех фаз об мотки, будут в любой момент времени направлены в одну и ту же сторону (фазы обмотки для гармоник с номером, кратным трем, могут рассматриваться как последовательно соединенные генераторы).

3-4. Намагничивающие силы обмоток