5. Расчет ротора

Этот раздел включает расчет размеров сердечника ротора, выбор числа пазов, расчет сечения стержней обмотки ротора, расчет размеров пазов и зубцов, выбор конструкции сердечника ротора.

5.1. Расчет фазного ротора

Для нормальной работы асинхронного двигателя необходимо, чтобы фазная обмотка ротора имела столько же фаз и столько же полюсов, сколько их имеет обмотка статора, т.е. m₂ =m₁ и р₂₌ р₁.

Число пазов ротора Z₂ должно отличаться от числа пазов статора. При расчете задаются обычно числом на полюс и фазу ротора q₂ =q₁ ±K, тогда Z₂ = Z₁q₂/q₁. В большинстве случаев К = 1 или К = 1/2. При характерном для обмоток статора асинхронных двигателей целом q₁ обмотка ротора имеет целое или дробное число q₂ со знаменателем дробности, равным 2. Обмотки ротора со знаменателем дробности, большим двух, встречаются редко (в основном в крупных многополюсных машинах).

Число витков в фазе обмотки ротора выбирают, исходя из допустимого напряжения на контактных кольцах при пуске двигателя. ЭДС фазы обмотки ротора Е₂ определяется магнитным потоком, который при постоянном уровне индукции в воздушном зазоре растет с увеличением габаритов двигателя. Поэтому в крупных машинах напряжение на контактных кольцах может достигнуть слишком большого значения и привести к перекрытию или пробою изоляции колец.

Чтобы E₂ не достигала опасного значения, обмотку роторов крупных машин выполняют с малым числом витков в фазе. В современных асинхронных двигателях наиболее распространенной обмоткой такого типа является двухслойная стержневая обмотка, при которой в пазу размещаются только два эффективных проводника. Для уменьшения количества межгрупповых соединений она выполняется волновой.

В отдельных машинах можно встретить и однослойную стержневую обмотку ротора. Она применяется как исключение в крупных машинах специального исполнения, так как требует сложной в технологическом отношении конструкции лобовых частей стержней.

В небольших по габаритам машинах опасности чрезмерного увеличения E₂ нет, так как поток в них невелик, и число витков в фазе обмотки ротора увеличивают, чтобы снизить ток через щеточные контакты, что особенно важно в двигателях с постоянно прилегающими к контактным кольцам щетками. Такие обмотки выполняют из многовитковых катушек.

Расчет обмотки фазного ротора проводят в следующей последовательности.

Для определения числа витков в фазе роторов с катушечной обмоткой предварительно задаются ЭДС фазы Е₂, при которой напряжение на контактных кольцах (U_KK) в момент пуска двигателя приблизительно равно линейному номинальному напряжению двигателя. Обмотки роторов в большинстве случаев соединяют в звезду, при этом U_KK =Е₂ =150  250 В. Если обмотку ротора соединяют в треугольник, то U_KK = Е₂.

Число витков в фазе

(5.1)

Так как E₂ выбрана приближенно и может быть несколько изменена, то, принимая отношение обмоточных коэффициентов k_ОБ1/k_ОБ2 = 1 и k_E = 1 и учитывая, что при s = 1 отношение f₁/f₂ = 1, получаем

. (5.2)

Число эффективных проводников в пазу

(5.3)

должно быть целым и при двухслойной обмотке четным, поэтому полученное значение округляют, после чего уточняют число витков в фазе:

. (5.4)

В роторах с двухслойной стержневой обмоткой u_п2 всегда равно двум, поэтому w₂ определяют без предварительного выбора Е₂:

(5.5)

После расчета w₂ необходимо проверить напряжение на контактных кольцах ротора:

(5.6)

В двигателях со стержневой обмоткой ротора U_KK обычно не превышает 800—1000В, но при расчете двигателей мощностью 1000 кВт и более могут быть получены значения U_KK более 1500—2000 В. Для снижения U_КK в обмотке ротора иногда выполняют две параллельные ветви. При этом необходимо помнить, что стержневая волновая обмотка с а = 2 может быть выполнена симметричной только при целом числе q₂.

Предварительное значение тока в обмотке фазного ротора, А:

(5.7)

где k_i — коэффициент, учитывающий влияние тока намагничивания на отношение I₁/I_2. Его приближенное значение может быть рассчитано в зависимости от номинального cos , которым задавались в начале расчета:

(5.8)

_i – коэффициент приведения токов, для двигателей с фазными роторами

(5.9)

Сечение эффективных проводников обмотки ротора, м²:

(5.10)

и при стержневой обмотке q_c = q_эф2.

Здесь J₂ — допустимая плотность тока, А/м²; в роторах с катушечной обмоткой при классах нагревостойкости изоляции В и F J₂ = (56,5)·10⁶ А/м², а в более мощных двигателях со стержневой обмоткой J₂=(4,55,5)10⁶ А/м².

Эффективные проводники независимо от их размеров на элементарные не подразделяют, так как эффект вытеснения тока в обмотке роторов при номинальных режимах асинхронных двигателей из—за малой частоты (f₂ = sf₁) не проявляется.

Окончательные размеры проводников обмотки ротора определяют одновременно с расчетом размеров пазов.

В фазных роторах с катушечной обмоткой выполняют прямоугольные открытые пазы, при стержневой обмотке — прямоугольные полузакрытые пазы с узким шлицем (рис. 5.1). Ширину паза выбирают, исходя из примерного соотношения b_П2=(0,40,45)t_Z2.

При расчете заполнения паза проводниками с изоляцией следует учитывать припуск на сборку магнитопровода (см. табл. 4.6).

Рис. 5.1. Пазы фазного ротора асинхронного двигателя:

а — открытые (катушечная обмотка); б — полузакрытые (стержневая обмотка)

Высоту клиновой части паза при расчете расположения проводников не учитывают. В двигателях с h= 280  355 мм выполняют h_к=2,5 мм и h_к = 3,5 мм при h=400 мм. Ширину шлица обычно принимают равной b_ш= 1,5 мм, а высоту h_ш = 1,0 мм.

После предварительных расчетов необходимо уточнить размер зубца ротора в наиболее узком сечении B_Z2min и проверить соответствие индукции B_Z2max ее допустимому значению для данного исполнения двигателя по табл. 4.4:

(5.11)

(5.12)

Наибольшая ширина зубца ротора с открытыми пазами (рис. 5.1, а) равна

(5.13)

Наибольшая ширина зубца ротора с полузакрытыми пазами (рис.5.1,б)

(5.14)

Расчетная высота зубцов при пазах обеих конфигураций принимается равной высоте паза: h_Z2 = h_П2.