Учебное пособие 800662

Полученное из (2.19) число округляют до ближайшего целого или четного в зависи-

мости от типа обмотки. В машинах с однослойной обмоткой uп должно быть целым, с

двухслойной – целым и чётным.

Принятое на данном этапе расчета число параллельных ветвей, а в дальнейшем при выборе размеров и числа элементарных проводников может быть изменено. В этом случае пропорционально изменяется также и uп

Окончательное число витков в фазе обмотки

Окончательное значение линейной нагрузки, А/м,

Оно, как правило, незначительно отличается от принятого ранее, так как его изменение определяется только отношением рассчитанного по (2.19) и принятого числа эффективных проводников в пазу uп. Полученное значение А нужно сопоставить с рекомендуемым.

Обмоточный коэффициент. Данный коэффициент kоб учитывает уменьшение ЭДС pacпределенной обмотки по сравнению с ЭДС обмотки с тем же числом витков, но имеющих диаметральный шаг и сосредоточенных в одной катушке на каждом полюсе.

Для расчета и анализа обмоток kоб удобно представлять в виде произведения коэффициента укорочения ky на коэффициент распределения kР.:

Коэффициент укорочения. Этот коэффициент учитывает уменьшение ЭДС каждого витка по сравнению с алгебраической суммой ЭДС двух проводников, являющихся его сторонами, т. е. по сравнению с ЭДС витка при диаметральном шаге,

т.е он зависит от основного шага витка – его укорочения (или удлинения) по сравнению с полюсным делением машины: β = y/τ.

В равнокатушечной обмотке, в которой все катушки имеют одинаковый шаг и одинаковое число витков, коэффициент укорочения обмотки будет равен коэффициенту укорочения витка, постоянному для всех витков обмотки. В обмотках с разными шагами катушек или с разным числом витков в катушках, например, в концентрических или одно-двухслойных, укорочение витков разных катушек, уже не будет одинаковым. Поэтому для расчета коэффициента укорочения фазы обмотки пользуются не действительным шагом катушек у, а расчетным yрасч, который для различных типов обмоток определяется следующим образом.

Для двухслойных обмоток, в которых шаги всех катушек по пазам одинаковы, т. е. для всех двухслойных обмоток, за исключением двухслойных концентрических, расчетный шаг равен реальному шагу катушек по пазам:

урасч = у.

Для двухслойных концентрических обмоток расчетный шаг равен среднему шагу катушек в катушечной группе:

где уб и ум — шаги по пазам наибольшей и наименьшей катушек в катушечной группе.

21

Для всех однослойных обмоток со сплошной фазной зоной, которые наиболее часто применяют в трехфазных машинах, расчетный шаг постоянен и равен полюсному делению:

Из этого следует, что коэффициент укорочения однослойных обмоток со сплошной фазной зоной всегда равен единице (ky = 1), несмотря на то, что отдельные катушки обмотки при q > 1 выполняют с шагами большими, меньшими или равными полюсному делению.

Укорочение шага рассчитывают по шагу обмотки урасч.

Расчетный шаг для различных типов обмоток определяют по (2.22)–(2.26).

Пазы сердечника статора

t1

Рис. 2.9. Катушка обмотки статора и ее шаг

После расчета kоб1 определяют значение магнитного потока Ф, Вб:

4kBw1kоб1f1

иопределяют индукцию в воздушном зазоре Вδ, Тл:

Если полученное значение Вδ выходит за пределы рекомендуемой области (см. рис. 2.6 – 2.7) более чем на ± 5 %, следует принять другое значение числа uп и повторить расчет.

Если линейная нагрузка и индукция в воздушном зазоре при принятом числе пазов и эффективных проводников в пазу находятся в рекомендуемых пределах, переходят к расчету сечения эффективного проводника и обмоточного провода.

22

Сечение эффективных проводников, м2, определяют, исходя из тока одной параллельной ветви и допустимой плотности тока в обмотке:

С точки зрения повышения использования активных материалов плотность тока J1 должна быть выбрана как можно большей, но при этом возрастают потери в меди обмотки. Увеличение потерь сказывается, во-первых, на повышении температуры обмотки и, вовторых, на КПД двигателя. В асинхронных двигателях общего назначения при принятой в них системе косвенного охлаждения влияние плотности тока на нагрев обмотки более существенно, чем на КПД. На этом основании определены качественные зависимости допустимой плотности тока в обмотках различных машин. Она повышается с уменьшением габаритов машины, с увеличением допустимого нагрева обмотки при переходе на другой, более высокий класс нагревостойкости изоляции и с повышением интенсивности охлаждения (например, в машинах защищенного исполнения по сравнению с закрытыми обдуваемыми двигателями).

Нагрев пазовой части обмотки зависит от произведения линейной нагрузки на плотность тока (AJ). Поэтому выбор допустимой плотности тока производят с учетом линейной нагрузки двигателя:

Значения (AJ) для асинхронных двигателей различных исполнения и мощности приведены на рис. 2.10.

Для всыпных обмоток могут быть использованы обмоточные провода диаметром не более 1,8 мм, однако в современных двигателях для повышения надежности обмотки и упрощения ее укладки в пазы используют провода меньшего диаметра.

В обмотках, предназначенных для механизированной укладки, диаметр изолированного провода обычно берут не более 1,4 мм, а при ручной укладке (двигатели с h > 160 мм) – не более 1,7 мм.

Если расчетное сечение эффективного проводника в машинах со всыпной обмоткой выше значений, соответствующих указанным диаметрам, то эффективный проводник делят на несколько элементарных. Для этого подбираются сечение qэл и число элементарных проводников nэл, составляющих один эффективный, таким образом, чтобы диаметр dэл элементарных проводников не выходил за указанные пределы, а их суммарная площадь сечения была близка к расчетному сечению эффективного проводника:

Обмоточные провода выпускаются круглого и прямоугольного сечения. В асинхронных двигателях общего назначения на напряжение до 1000 В применяются в основном провода с эмалевой изоляцией. Для асинхронных двигателей с мощностью до 100 кВт (h ≤ 250 мм) применяют провода круглого сечения диаметром от 0,29 до 1,62 мм, а при мощности свыше 100 кВт – провода прямоугольного сечения. Марки наиболее широко используемых обмоточных проводов приведены в табл. 2.7. Сечения проводников обмоточных проводов марки ПЭТВ представлены в Приложении 1.

Для обмоток статоров с полузакрытыми пазами рекомендуется применение следующих марок эмалированных проводов круглого поперечного сечения: ПЭТВ или ПЭТВМ при классе нагревостойкости В и ПЭТ-155 или ПЭТМ при классе нагревостойкости F.

23

При проектировании машин с обмоткой из прямоугольного провода сечение каждого проводника не должно быть взято более 17...20 мм2, так как в этом случае становится заметным возрастание потерь на вихревые токи.

Если расчетное значение qэф > 20 мм2, то прямоугольные проводники подразделяют на элементарные так, чтобы qэл ≤ 17...20 мм2.

В обмотках из прямоугольного провода, укладываемых в открытые пазы, nэл обычно не более 2. При nэл = 2 они располагаются на одном уровне по высоте паза. Обмотку с четырьмя элементарными проводниками в асинхронных двигателях применяют редко. Если обмотка выполняется из подразделенных катушек, которые укладывают в полуоткрытые пазы, то всегда образуются два элементарных проводники, так как катушки, расположенные на одной высоте в пазу, соединяются параллельно.

При прямоугольных обмоточных проводах сечение эффективного проводника не должно превышать 35...40 мм2, поэтому при большом номинальном токе в таких машинах выполняют наибольшее возможное число параллельных ветвей.

Нежелательно применение прямоугольных проводов с близкими размерами а и b, так как в этом случае провод во время намотки катушек часто перекручивается и при рихтовке может быть повреждена изоляция на его гранях. Обычно используют провода с отношением размеров b : a, близким к 2 : 1

По одной и той же площади поперечного сечения прямоугольных проводников их линейные размеры а х b могут быть различны, поэтому окончательный выбор обмоточного провода производят одновременно с расчетом размеров зубцовой зоны.

После окончательного выбора qэл, nэл и а следует уточнить плотность тока в обмотке, которая может несколько измениться по сравнению с предварительно принятой при подборе сечений элементарных проводников:

На этом расчет обмотки статора заканчивается. Некоторая корректировка, которая может потребоваться в ходе последующего расчета, как правило, не вносит существенных изменений в полученные данные.

2.2. Расчет размеров зубцовой зоны статора

Пазы статора асинхронных двигателей классифицируются по форме на прямоугольные и трапецеидальные, а по степени открытия – на открытые, полуоткрытые и полузакрытые. Прямоугольные открытые и полуоткрытые пазы применяются для жестких статорных обмоток из прямоугольного провода в двигателях мощностью свыше 100 кВт или в специальных двигателях. Для асинхронных двигателей на напряжение до 1000 В мощностью до 100 кВт со всыпными статорными обмотками из круглого провода наиболее эффективны трапецеидальные полузакрытые пазы, обеспечивающие постоянство ширины зубца статора по высоте, т. е. лучшее использование зубцовой зоны магнитопровода. Сравнительно небольшое открытие паза снижает по сравнению с открытым и полуоткрытым пазами пульсации магнитного потока в воздушном зазоре [2].

Наиболее распространенные виды трапецеидальных пазов показаны на рис. 2.11. Применение того или иного вида пазов обусловлено чисто технологическими соображениями. Трапецеидальные пазы с прямым дном (см рис. 2.11, б, в) предпочтительны при механизированной укладке обмотки. Овально-трапециидальные пазы (рис. 2.11, а) обеспечивают большую стойкость штампов и могут применяться при раздельной механизированной или ручной укладке. Трапецеидальный паз с трапециевидной клиновой частью (рис. 2.11, в) позволяет более эффективно применять профильное шлифование при изготовлении штампов.

25

Трапециидальные пазы

При расчете трапециидальных пазов сначала проводят предварительный выбор размеров, исходя из допустимой индукции в зубцах и ярме статора,

и ha по (2.34).

Рис. 2.12. Геометрические размеры трапецеидального паза, эскиз паза (с заполнением) и зубца с параллельными стенками: 1 – проводники обмотки; 2 – пазовая изоляция; 3 – межслойная прокладка; 4 – пазовый клин

Таблица 2.9 Допустимые значения индукции на различных участках магнитной цепи, Тл.

(для зубцов с параллельными стенками)

В дальнейшем, после расчета коэффициента заполнения паза проводниками обмотки кз, полученное значение bz1 уточняется. Требование выполнить зубцы с параллельными гранями накладывает дополнительные условия на возможные соотношения размеров паза. Это вызывает известные трудности расчета зубцовой зоны, который рекомендуется проводить в следующей последовательности (расчетные формулы приведены только для пазов, показанных на рис. 1.13, а; для других конфигураций они могут быть легко получены, исходя из условия сохранения постоянства ширины зубцов).

27

По допустимым индукциям в ярме и зубцах статора (см. табл. 2.9) из (2.33) и (2.34) определяют высоту ярма hа и ширину зубца bz1 статора. Далее находят размеры паза в штам-

пе (см. рис. 2.12), м,

Полученные размеры округляют до десятых долей миллиметра.

Высота шлица паза hш обычно лежит в пределах от 0,5 до 1 мм в зависимости от мощности двигателя. Следует иметь в виду, что hш должна быть достаточной для обеспечения механической прочности кромок зубцов, удерживающих в уплотненном состоянии проводники паза после заклинивания пазов. Однако увеличение hш приводит к возрастанию потока рассеяния паза, что в большинстве случаев нежелательно. Обычно в двигателях с h ≤ 132 мм принимают hш = 0,5 мм, в двигателях с h ≥ 160 мм увеличивают до hш = 1 мм.

Ширину шлица паза в статорах, рассчитанных на укладку обмотки вручную, принимают равной bш = dиз + (1,5...2) мм, где dиз - диаметр изолированного обмоточного провода, мм. Размер bш должен обеспечить возможность свободного пропуска проводников обмотки через шлиц с учетом толщины изоляционных технологических прокладок, устанавливаемых при укладке обмотки для предохранения изоляции проводников от повреждений об острые кромки шлица.

Средние значения bш для двигателей при различных h и 2р приведены в табл. 2.10.

Таблица 2.10 Средние значения ширины шлица полузакрытых пазов статоров асинхронных двигателей с обмоткой из круглого провода bш , мм

В клиновой части паза располагают пазовые крышки (в машинах с h ≤ 160 мм), а в более крупных машинах – пазовые клинья. Поэтому при расчете площади поперечного сечения паза, используемой для размещения обмотки, эти участки не учитывают.

Для расчета коэффициента заполнения паза необходимо определить площадь паза “в свету” и учесть площадь поперечного сечения паза, занимаемую корпусной изоляцией Sиз и прокладками в пазу Sпр. Размеры паза “в свету” определяют с учетом припусков на шихтовку сердечников Δbп и Δhп :

28

/

hП hП hП

где Δbп и Δhп – см. табл. 2.7.

Площадь поперечного сечения трапецеидального паза, в которой размещаются обмотка, корпусная изоляция и прокладки, м2,

Площадь, занимаемая прокладками в пазу (на дне паза, под клином и между слоями обмотки в двухслойной обмотке), м2:

для двигателей с h = 180... 250 мм:

для двигателей с h ≥ 280 мм:

Sпр = 0,6 (b1 + b2) 10-3

При отсутствии прокладок в пазу Snp = 0.

Площадь поперечного сечения паза, остающаяся свободной для размещения проводников обмотки, м2

Контролем правильности размещения обмотки в пазах является значение коэффициента заполнения паза:

Значение коэффициента заполнения паза должно находиться в пределах 0,69. ..0,71 для двигателей с 2р = 2 и 0,72. ..0,74 для двигателей с 2р ≥ 4.

Еcли полученное значение ниже указанных пределов, то площадь паза следует уменьшить за счет увеличения ha или bz, или обоих размеров одновременно в зависимости от принятого при их расчете значения индукции. Индукция в зубцах и ярме статора при этом уменьшится. Уменьшение индукции ниже пределов, указанных в табл. 2.9, показывает, что

29

главные размеры двигателя завышены и активная сталь недоиспользована. В этом случае следует уменьшить длину сердечника или перейти на ближайшую меньшую высоту оси вращения.

Значение kз выше указанных пределов недопустимо, так как при чрезмерно высоких kз проводники обмотки во время укладки приходится очень сильно уплотнять в пазах. Их изоляция может быть повреждена или, по меньшей мере, ослаблена, что вызовет резкое уменьшение надежности обмотки. Для уменьшения kз надо, взяв предельно допустимые значения Bz и Ва (см. табл. 2.9), пересчитать размеры bz и ha. К уменьшению kз приводит также уменьшение числа элементарных проводников nэл, которое возможно при одновременном пропорциональном увеличении площади поперечного сечения qэл или уменьшении числа параллельных ветвей обмотки с тем, чтобы плотность тока осталась неизменной. Если и при этом значение kз остается выше допустимого, следует сделать вывод, что принятые главные размеры двигателя занижены. Необходимо просчитать другой вариант, увеличив lδ или перейдя на большую высоту оси вращения.

Открытые прямоугольные пазы

Обмотку из подразделенных катушек в машинах общего назначения с номинальным напряжением U ≤ 660 В укладывают в открытые пазы. Ширина шлица паза bш выбирается из условия обеспечения свободной укладки полукатушек в паз, поэтому bш = 0,5 bп + (1,0...1,5) мм. Высоту шлица и высоту клиновой части паза выполняют в пределах hш = 0,6...0,8 мм и hк = 2,5...3,5 мм (большие значения берутся при широких пазах и большей мощности двигателей). Принцип расчета размеров прямоугольных пазов (рис. 2.13), выбор размеров проводников, расчет заполнения паза и определение его размеров “в свету” и в штампе производят так же, как и для трапецеидальных пазов. Ширину и расчетную высоту зубцов определяют по следующим формулам.

Рис. 2.13. Геометрические размеры прямоугольного паза, эскиз паза (с заполнением) и зубца с трапецеидальными стенками: 1 – проводники обмотки; 2 – пазовая изоляция; 3 – межслойная прокладка; 4 – пазовый клин

30