Распределенная обмотка статора

    Простейшим конструктивным элементом распределенной обмотки является катушка (рис.21).

Рис. 21.

В распределенной обмотке в общем случае магнитные оси катушек не совпадают с результирующей магнитной осью обмотки. Катушка состоит из одного или нескольких последовательно соединенных витков, изготовленных из круглого или прямоугольного медного провода. Расстояние между сторонами катушки (витка) называется шагом катушки по пазам y и примерно равно полюсному делению τ.

Полюсным делением называется часть окружности ротора приходящаяся на один полюс: τ = πD / 2рм, где D - диаметр ротора, рм - число пар полюсов машины.

При y = τ шаг называется диаметральным, при y < τ - укороченным. Изолированные катушки укладываются в пазы в два слоя; таким образом, если одна сторона катушки находится под северным полюсом в верхнем слое паза, то другая сторона - под южном полюсом в нижнем слое паза. Такое расположение обеспечивает одинаковое (по контуру) направление ЭДС в обеих сторонах катушки и одинаковое направление моментов сил, действующих на обе стороны катушки. Катушки объединяются в группы, каждая из которых образует отдельную электрическую цепь – обмотку фазы.

Рис. 22.

Схема соединения катушек определяет число и расположение фаз и число полюсов в обмотке. На рис. 22 в качестве примера показано, как проводники одной обмотки при различной схеме соединения образуют магнитную систему с 1 или 2 парами полюсов.

Электрические машины с распределенными обмотками являются более сложными в изготовлении, чем машины с сосредоточенными обмотками. Тем не менее в машинах переменного тока в основном применяются распределенные обмотки. Объясняется это тем, что полезное преобразование энергии и сигналов в большинстве машин переменного тока идет по первой гармонике ЭДС, тока, индукции ; высшие гармоники вызывают дополнительные потери мощности или погрешности преобразования сигналов. Сосредоточенные же обмотки не обеспечивают близкого к синусоидальному закона изменения МДС (соответственно, и индукции) в пространстве и ЭДС во времени.

Рис.23

В качестве примера рассмотрим МДС двухполюсной сосредоточенной обмотки одной фазы. МДС такой обмотки 1 - 1' с числом витков w (рис. 23,а) определяется по закону полного тока: при протекании синусоидального тока с действующим значением I амплитудное значение МДС равно (рис. 23,б).

    В машине с симметричной магнитной системой и одинаковым воздушным зазором в зоне обоих полюсов половина МДС расходуется на проведение потока в зоне северного полюса и половина – в зоне южного полюса. Тогда можно принять, что любой точке полюсного деления соответствует постоянная МДС F_cx = F_c /2, знак которой соответствует знаку индукции данного полюса. Следовательно, МДС распределена вдоль окружности машины по прямоугольному закону (сплошная линия на рис.  23,б); знак МДС меняется при переходе оси паза с проводниками. Применяя разложение в ряд Фурье, представляем прямоугольное распределение в виде суммы синусоид:

F_cx = √2/2 Iw 4/π (sin πx/τ + 1/3 sin 3πx/ν +...+ 1/ sin νπx/τ)   

где x - расстояние от оси паза; ν - порядковый номер гармоники.

Как видно амплитуда первой гармоники МДС сосредоточенной обмотки равна

F_cl = 2√2/ π   

а ν -й гармоники МДС F_cν = 0,9 Iw /ν.

Графики 1, 3 и 5 гармоник МДС изображены на рис. 23,б пунктирными линиями. Как видно ν -я гармоника мдс создает вдоль расточки машины в ν раз больше магнитных полюсов, чем первая гармоника.

Анализ показывает, что амплитуды высших гармоник при сосредоточенной обмотке весьма велики. Распределение обмотки наряду с укорочением шага катушек относительно полюсного деления (y /τ), и скосом пазов относительно образующей цилиндрической расточки машины позволяет существенно уменьшить влияние высших гармоник. Однако эти же факторы приводят и к уменьшению амплитуды первой гармоники МДС и ЭДС.