Учебное пособие 800662

Определение геометрии пазов ротора

После выбора проводников, приступают к расчёту геометрии паза. Ввиду применения круглых или прямоугольных проводников, выбирают соответствующую форму паза (рис. 3.1). Пазы формы 3.1, а и 3.1, г применяются для обмоток из круглого проводника, пазы 3.1, б и 3.1, в для стержневых обмоток из прямоугольного.

Рис. 3.1. Формы пазов фазных роторов

Расчёт грушевидного паза фазного ротора

Грушевидные полузакрытые пазы фазного ротора применяются для всыпных обмоток из проводников круглого сечения.

Расчёт паза, начинается с определения допустимых значений индукции в зубцах (BzR) и ярме (BaR) ротора (табл. 3.2). В двигателях с номинальным напряжением Uном ≥ 6000 В, значение допустимой индукции увеличивается на 10%.

Таблица 3.2 Допустимые значения индукции на различных участках магнитной цепи, Тл.

(для грушевидных и трапециевидных пазов ротора)

haR

Рис. 3.2. Размеры грушевидного паза ротора

42

Исходя из допустимой индукции в зубце и ярме находятся ширина зубца – bzR

где lст2 - длина пакета магнитопровода ротора, в случае отсутствие радиальных вен-

тиляционных каналов lст2 l .

Задаются коэффициентом заполнения паза в пределах kзR 0,7 0,74 и определяют площадь паза, занимаемую обмоткой:

Следующим этапом рассчитывают полную площадь паза, с учётом изоляции и пазового клина. Ввиду того, что на данном этапе геометрия ротора не известна, площадь паза

Высоту клиновой части паза в двигателях с h = 280...355 мм выполняют hк = 2,5 мм и hк = 3,5 мм при h ≥ 400 мм. Ширину шлица обычно принимают равной bшR dиз.R (1,5 2мм), а высоту hш = 1,0 мм.

Больший диаметр паза

Меньший диаметр паза

43

Проверяют индукцию в ярме ротора

Следует отметить, что магнитный поток может замыкаться через сталь вала, поэтому значение индукции в ярме будет уменьшаться. Значение индукции (3.20) сравнивается с допустимым, в случае, если оно больше допустимого на 5% следует изменить геометрию паза ротора.

Определяем размер паза ‘в свету’ формула (2.42). Уточняем площадь паза под обмотку

для однослойных обмоток Sпр = 0;

Sкл – площадь занимаемая пазовым клином

Проверяем коэффициент заполнения паза

После этого составляют спецификацию паза и строят эскиз паза с заполнением.

Расчёт прямоугольного открытого паза фазного ротора

В фазных роторах со стержневой обмоткой выполняют прямоугольные пазы.

Рис. 3.3. Размеры прямоугольных открытых пазов ротора

44

Высоту клиновой части паза при расчете расположения проводников не учитывают. В двигателях с h = 280...355 мм выполняют hк = 2,5 мм и hк = 3,5 мм при h ≥ 400 мм. Высоту шлица обычно принимают равной hш = 1,0 мм.

Ширину паза выбирают исходя из соотношения

Определяют ширину стержня проводника ротора

По известной из (3.11) площади стержня обмотки и таблице (приложение 2) выбирают высоту стандартного прямоугольного проводника (bпр.R).

Высота паза ротора:

После предварительных расчетов необходимо уточнить размер зубца ротора в наиболее узком сечении bz2min и проверить соответствие индукции Вz2max ее допустимому значению для данного исполнения двигателя по табл. 3.3:

Уточняем высоту ярма по формуле 3.19 и проверяем допустимую индукцию в ярме ротора по 3.20. Полученные значения, сравниваем с допустимыми (табл.3.3).

3.2. Короткозамкнутые роторы

Короткозамкнутые обмотки роторов асинхронных двигателей делятся по конструкции

итехнологии изготовления на два типа: сварные и литые.

Всварных конструкциях (рис. 3.4 и 3.5) стержни обмотки устанавливают в пазы, после чего с торцов ротора их замыкают, приваривая или припаивая замыкающие кольца. При литых конструкциях одновременно заливают как одно целое и стержни, и замыкающие кольца. На замыкающих кольцах отливают также вентиляционные лопатки, выполняющие роль вентилятора при работе машины.

45

Выбор числа пазов ротора

В результате взаимодействия токов и полей высших гармоник возникают электромагнитные моменты, которые при неблагоприятном соотношении Z1 и Z2 могут существенно ухудшать механическую характеристику двигателя, так как момент на валу машины является суммой моментов, обусловленных всеми взаимодействующими гармониками. В зависимости от соотношения Z1 и Z2 в той или иной степени проявляются синхронные или асинхронные моменты от высших гармоник. Их влияние на момент от первой гармонической приводит к появлению пиков и провалов в результирующей кривой момента. В поле зазора присутствуют также высшие гармоники, порядок которых определенным образом связан с числами пазов и полюсов машины. Это так называемые зубцовые гармоники, которые вызывают шум и вибрацию при работе двигателя при номинальном режиме. Влияние зубцовых гармоник особенно заметно при малых воздушных зазорах, характерных для асинхронных двигателей небольшой мощности.

Исследования, проведенные для изучения влияния соотношений чисел зубцов на статоре и роторе на кривую момента, а также на шумы и вибрации, позволили определить наилучшие сочетания Z1 и Z2 для короткозамкнутых двигателей с различными числами 2р. Рекомендации по выбору Z2 при известных Z1 и 2р сведены в табл. 3.4, в которой предлагается несколько возможных вариантов чисел пазов ротора при данных Z1 и 2р. В двигателях малой мощности обычно выполняют Z2 < Z1. Это объясняется рядом причин технологического характера, а также тем, что с увеличением Z2 ток в стержнях ротора уменьшается, и в двигателях небольшой мощности их сечения становятся очень малыми. В более крупных двигателях иногда выполняют Z2 > Z1, с тем чтобы ограничить чрезмерно большой ток в стержнях ротора и увеличить равномерность распределения проводников обмотки по длине расточки.

Площадь паза ротора

Для определения площади паза, сначала необходимо определить ток в стержне ротора, с учетом принятых для короткозамкнутой обмотки чисел фаз и витков в фазе, а также влияния скоса пазов коэффициент приведения токов

где kск – коэффициент скоса, учитывающий уменьшение ЭДС обмотки при скошенных пазах ротора:

47

Таблица 3.4

Рекомендуемые числа пазов роторов асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором

Примечания: 1. В скобках указаны числа пазов, при которых возможно повышение вибрации двигателей. 2. Звездочкой отмечены числа пазов, применяемые, в основном, в машинах малой мощности.

Плотность тока в стержнях ротора машин закрытого обдуваемого исполнения при заливке пазов алюминием выбирается в пределах J2 = (2,5...3,5)∙106 А/м2, а при защищенном исполнении на 10...15 % выше, при этом для машин больших мощностей следует принимать меньшие значения плотности тока.

В обмотке ротора, выполненной из медных стержней, плотность тока принимают несколько большей: J2 = (4,0...8,0)∙106 А/м2 (большие значения соответствуют машинам меньшей мощности).

48

Выбор формы паза ротора и расчёт его геометрии

Форма паза и конструкция обмотки короткозамкнутого ротора определяются требованиями к пусковым характеристикам двигателя и его мощностью. В асинхронных двигателях мощностью до 50…60 кВт обычно выполняют грушевидные пазы и литую обмотку из алюминия (рис. 3.7, а). Размеры паза выбирают такими, чтобы торцы ротора имели параллельные грани.

Роторы более крупных машин с прямоугольными пазами выполняют со вставными медными стержнями или с литой алюминиевой обмоткой (рис. 3.7, в, г). Прямоугольные открытые пазы встречаются в короткозамкнутых роторах многополюсных асинхронных двигателей. Стержни обмотки, выполненные из алюминиевых шин прямоугольного сечения (рис. 3.7, д), устанавливают в открытые пазы ротора и закрепляют, расчеканивая их верхнюю часть.

Для увеличения пусковых моментов двигателей прямоугольные пазы делают узкими и глубокими, так как эффект вытеснения тока в них возрастает с увеличением высоты стержня. Роторы с такими пазами называют глубокопазными.

В асинхронных двигателях при небольшом числе полюсов часто не удается получить требуемый пусковой момент даже при глубокопазных роторах, поэтому переходят к роторам с фигурными пазами. Применяют различные конфигурации фигурных пазов (рис. 3.7, е – и ). Все они имеют характерную особенность – уменьшенную ширину верхней части паза по сравнению с нижней, что позволяет в большей степени использовать эффект вытеснения тока при больших скольжениях.

Рис. 3.7. Конфигурации пазов короткозамкнутых асинхронных двигателей

Короткозамкнутые обмотки роторов с пазами трапецеидальной формы выполняют как с заливкой пазов алюминием (рис. 3.7, ё), так и со сварной медной клеткой (рис. 9.38, ж), для стержней которой используют шинную медь соответствующего профиля.

Обмотки со стержнями более сложной формы, например, лопаточные стержни (рис. 3.7, з), выполняют заливкой алюминием или его сплавами. Колбообразные пазы с круглой нижней частью (рис. 3.7, и) в настоящее время почти не применяют из-за менее удачного, чем при лопаточных пазах, использования стали зубцовой зоны.

Асинхронные двигатели, предназначенные для приводов механизмов с тяжелыми условиями пуска, часто выполняют с двухклеточными роторами (рис. 3.7, к, л), в которых на каждом зубцовом делении размещены один над другим два стержня. Каждая система стержней образует свою обмотку: верхние стержни, лежащие ближе к зазору, – пусковую, а нижние – рабочую.

Двойную клетку выполняют в двух вариантах: с общими замыкающими кольцами (рис. 3.8, а), когда каждое кольцо замыкает одновременно стержни и пусковой, и рабочей клеток, либо с раздельными замыкающими кольцами (рис. 3.8, б). В последнем случае с каждого торца ротора располагают по два кольца, одно из которых замыкает только стержни пусковой, а другое – стержни рабочей клетки.

Обычное исполнение двойной клетки – сварное с раздельными кольцами. Рабочую обмотку (стержни и короткозамыкающие кольца) в большинстве случаев изготовляют из ме-

49

ди, а пусковую – из латуни. Латунь для пусковой клетки применяют из-за больших по сравнению с медью удельного сопротивления и теплоемкости.

Рис. 3.8. Замыкающие кольца двухклеточных короткозамкнутых роторов асинхронных двигателей: а – общие; б – раздельные

Выбирая ту или иную конструкцию клетки, форму и размерные соотношения стержней, следует исходить из требований к пусковым характеристикам двигателей и возможности размещения паза на зубцовом делении ротора, при котором обеспечивается нормальный уровень индукции в зубцах и ярме. Кроме того, необходимо учитывать влияние размерных соотношений пазов на индуктивное сопротивление обмотки ротора. При любой конфигурации паза уменьшение ширины верхней части стержней и увеличение их высоты приводят к увеличению пускового момента, но одновременно увеличивается коэффициент магнитной проводимости паза и растет индуктивное сопротивление обмотки ротора. Это в некоторых случаях может играть положительную роль – как фактор, ограничивающий пусковые токи, но в то же и время увеличение индуктивного сопротивления ротора приводит к ухудшению коэффициента мощности при номинальном режиме работы и к снижению Мmах.

То же характерно для двигателей с двухклеточными роторами, имеющими большие пусковые моменты, но низкие коэффициенты мощности при номинальном режиме, так как поток пазового рассеяния в перемычке между стержнями рабочей и пусковой клеток достигает больших значений. Поэтому для обеспечения высоких энергетических показателей номинального режима следует, прежде всего, ориентироваться на пазы ротора с широкой верхней частью – грушевидные (см. рис. 3.7, а). Пазы других форм (прямоугольные, фигурные) или двойную клетку применяют только в том случае, когда пусковые характеристики двигателя с ротором, имеющим грушевидные пазы, не удовлетворяют требованиям, поставленным в техническом задании.

Овальные пазы

В большинстве асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором с высотой оси вращения h ≤ 250 мм выполняют овальные пазы и литую обмотку на роторе (рис. 3.9). Размерные соотношения пазов b1, b2 и h1 обеспечивают параллельность боковых граней зубцов. В двигателях с h < 160 мм пазы имеют узкую прорезь со следующими размерами: bш = 1,0 мм и hш = 0,5 мм при высоте оси вращения h < 100 мм; bш = 1,5 мм и hш = 0,75 мм при высоте вращения h = 112...132 мм. В двигателях с h = 160...250 мм выполняют трапецеидальные закрытые пазы (рис. 3.9, б) с размерами шлица bш = 1,5 мм и hш = 0,7 мм. Высота перемычки над пазом в двигателях с 2р > 4 выполняется равной h'ш =0,3 мм, в двухполюсных двигателях h'ш = 1,0...1,5 мм.

50