Електричні машини_К3С2(6) / Іспит / Літ / voldek_ai_elektricheskie_mashiny / Глава 21

т.е. b = 1, с = 1, d = 4 и q_э = bd + с = 1 · 4 + 1 = 5,

Полюсное деление

зубцовых делений.

Возьмем шаг по пазам у = 3. Тогда относительный шаг

Обмотку можно выполнить с а = 2р : d = 8 : 4= 2 параллельными ветвями.

В данном случае каждые d = 4 катушечные группы должны состоять из d — с=4 — 1 = 3 групп по b = 1 катушке и с = 1 группы по b + 1 = 1 + 1 = 2 катушки. Как уже указывалось, большие и малые группы должны быть распределены вдоль обмотки симметрично. В данном случае можно взять следующее распределение (числовой ряд) катушечных групп:

Число катушек в группе	2	1	1	1	2	1	1	1
Чередование групп	А	Z	В	X	С	Y	А	Z

В соответствии с таким распределением больших и малых катушечных групп по фазным зонам разных фаз составлена схема петлевой обмотки с а = 2, показанная на рис. 21-5. Для этой обмотки угол между векторами э.д.с. соседних пазов

На рис. 21-6, а, на котором изображена звезда э.д.с. пазов или катушек, в соответствии с рис. 21-5 помечена принадлежность верхних катушечных сторон или пазов различным фазным зонам.

На рис. 21 6, б векторы э.д.с. зон X, Y, Z повернуты на 180°, так как э.д.с. соответствующих катушек в обмотке складываются с обратным знаком. Э.д.с. каждой фазы получим, если сумму векторов э.д.с. соответствующего сектора на рис. 21-6, б разделим на а.

Отметим здесь, что распределение пазов по фазным зонам можно произвести также непосредственно на основе звезды пазовых э.д.с. путем ее разбивки на две тройки симметричных секторов, без пользования числовым рядом распределения катушечных групп. Однако при большом Z такой метод трудоемок.

Н а рис. 21-7 изображена схема стержневой волновой дробной

Рис 21-7. Схема трехфазной двухслойной волновой дробной обмотки с Z = 30,

2р = 8, , a = 1, у = 3, = 0,8

обмотки с теми же данными, что и на рис. 21-5, но с одной ветвью (а = 1). Векторные диаграммы рис. 21-6 действительны и в данном случае.

При составлении схемы волновой обмотки с целым q для каждой фазы совершаются два цикла волнообразных обхода якоря: один раз в прямом и другой раз в обратном направлении, по q обходов в каждом цикле (см. § 21-1). При дробном q приходится делать либо b, либо b + 1 обходов вокруг якоря. Если d = 2, то в прямом направлении делается, например b + 1 обходов, а в обратном — b обходов, и при этом в схему обмотки будут включены все катушки. Однако при d > 2 приходится вводить в схему добавочные перемычки, обозначенные на рис. 21-7 буквой п. Если дробь мала, то делается b обходов и в группах, содержащих b + 1 катушек, при последнем обходе с помощью перемычек совершаются возвратные переходы для включения в схему добавочных катушек больших катушечных групп (см. рис. 21-7). Если же дробь близка к единице, то совершается b + 1 обходов и при последнем обходе с помощью перемычек пропускаются малые катушечные группы. Для уменьшения количества перемычек q целесообразно брать близким к целому числу.

В некоторых случаях применяются также несимметричные дробные обмотки с отличием э.д.с. отдельных фаз по величине на 2—3% и со сдвигом их по фазе на углы 120 ± (2 ÷ 3)°.

§ 21-3. Трехфазные однослойные обмотки

К онцентрические однослойные обмотки (рис. 21-8) имеют

Рис. 21-8. Схема трехфазной двухплоскостной концентрической обмотки

с Z = 24, 2р= 4, q = 2

катушечные группы, состоящие из концентрических катушек, причем количество групп в каждой фазе равно числу пар полюсов р. Разбивка пазов по фазным зонам производится так же, как и при двухслойной обмотке. Для обмотки, изображенной на рис. 21-8, действительна звезда пазовых э.д.с. на рис. 21-2.

Пересекающиеся лобовые части обмотки (рис. 21-8) необходимо располагать в двух разных плоскостях, как видно из показанных на рис. 21-9 различных вариантов расположения лобовых частей в радиальном

Рис. 21-9. Расположение лобовых частей катушек двухплоскостной концентрической обмотки (q = 2)

1 — сердечник якоря; 2 — нажимная плита сердечника; 3 — «короткие» и

4 — «длинные» катушечные группы

сечении машины. В связи с этим такая обмотка называется двухплоскостной концентрической обмоткой. Поэтому приходится изготовлять катушечные группы двоякой формы, которые условно можно назвать «короткими» и «длинными». При четном р общее число катушечных групп Зр также четное и количество коротких и длинных групп одинаково. Однако при нечетном р количество групп Зр также нечетное и одну группу приходится делать более сложного вида — имеющей с одной стороны форму короткой, а с другой стороны форму длинной катушечной группы.

В некоторых случаях, например в двухполюсных машинах, q довольно велико (q = 6 ÷ 10) и лобовые части двухплоскостной обмотки получаются длинными. Поэтому при четном q каждую катушечную группу можно разделить на две половины и отогнуть лобовые части катушек каждой половины в разные стороны («в развалку»). Тогда получается трехплоскостная концентрическая обмотка (рис. 21-10

Р ис. 21-10. Схема трехфазной трехплоскостной концентрической обмотки

с Z = 24, 2р = 2, q = 4

и 21-11)

Р ис. 21-11 Расположение лобо-

вых частей трехплоскостной кон-

центрической обмотки

с более короткими лобовыми частями.

Трехплоскостная обмотка выполняется также для разъемного статора (рис. 21-12), но при этом лобовые части всех катушечных групп

Р ис 21-12 Схема трехфазной трехплоскостной концентрической обмотки для разъемного статора с Z = 24, 2р = 4, q = 2

при выходе из пазов отгибаются в одну сторону. Очевидно, что статор с такой обмоткой может иметь разъем по диаметру между пазами 24—1, и 12—13.

Концентрические обмотки допускают образование а = р параллельных ветвей. Однако активные и индуктивные сопротивления ветвей будут несколько различаться по величине в связи с неодинаковыми длинами катушек и, в особенности, в связи с разным положением их лобовых частей относительно сердечника. Поэтому может возникнуть нервномерная нагрузка ветвей.

Шаги катушек концентрических обмоток различны, однако катушечные стороны одной и той же фазы, лежащие под соседними полюсами, в принципе допускают пересоединение в катушки с полным шагом. Поскольку э.д.с. фазы при этом не изменится, то в электромагнитном отношении концентрические обмотки эквивалентны обмотке с полным шагом β = 1). Ввиду этого у таких обмоток для всех гармоник э.д.с. коэффициенты укорочения шага k_yv = ±1, вследствие чего подавления э.д.с. высших гармоник за счет укорочения шага не происходит. Это является одним из недостатков концентрических обмоток. Можно отметить, что в электромагнитном отношении всякая однослойная обмотка имеет полный шаг, если ее фазные зоны сплошные, т.е. не перемежаются с пазами других фаз, и если зоны каждой фазы сдвинуты относительно друг друга на расстояние τ.

Изготовление концентрических обмоток с жесткими катушками ввиду их различия по форме усложняется. По сравнению с лобовыми частями двухслойных обмоток лобовые части концентрических обмоток обычно длиннее, что влечет за собой увеличение расхода провода и увеличение потерь. Из-за перечисленных недостатков концентрические обмотки в настоящее время применяются редко. Иногда они используются в асинхронных двигателях малой мощности, так как при этом можно достичь некоторой экономии на выполнении обмоточных работ, поскольку число катушек однослойной обмотки в два раза меньше, чем у двухслойной.

Отметим, что концентрические обмотки можно выполнять также и дробными.

Шаблонные обмотки имеют катушки одинаковой ширины и формы, которые наматываются на одном и том же шаблоне, откуда и произошло название этих обмоток. Для удобства укладки катушки шаблонных обмоток обычно имеют форму трапеции (рис. 31-13).

Рис. 21-13. Катушка шаблон-

ной обмотки

Шаблонные обмотки подразделяются на следующие типы: 1) простая шаблонная обмотка; 2) шаблонная обмотка «в развалку» и 3) цепная обмотка.

Схема простой шаблонной обмотки представлена на рис. 21-14.

Р ис. 21-14. Схема трехфазной простой шаблонной обмотки с Z = 24,

2р = 4, q = 2

В этой обмотке лобовые части всей катушечной группы при выходе

из пазов отгибаются в одну сторону и шаг обмотки является полным.

У шаблонной обмотки «в развалку» (рис. 21-15) катушечная

Рис 21-15 Схема трехфазной шаблонной обмотки «в развалку»

c Z= 24,

2Р = 2, q = 4

группа при выходе из пазов делится на две половины, лобовые части которых отогнуты в разные стороны. При этом q должно быть четным числом. Такая обмотка в электромагнитном отношении также имеет полный шаг.

Ц епная обмотка (рис. 21-16) отличается от шаблонной обмотки «в

Рис. 21-16. Схема трехфазной цепной обмотки с Z = 24, 2р = 2, q = 4,

y =9

развалку» тем, что в разные стороны отгибаются не лобовые части половин катушечных групп, а лобовые части каждой пары соседних катушек. Цепная обмотка может быть выполнена как при четном, так и при нечетном q_, причем ее шаг по пазам всегда должен быть нечетным, так как одна сторона каждой ее катушки лежит в нечетном пазу, а другая — в четном (см. рис. 21-16). Шаг катушки цепной обмотки поэтому может равняться полюсному делению только при нечетном q, когда и mq = 3q равно нечетному числу.

Цепную обмотку можно выполнить с разными шагами катушек. Например, шаг катушек обмотки, изображенной на рис. 21-16, можно увеличить или уменьшить на два зубцовых деления. Однако непосредственно по шагу катушек нельзя судить о том, имеет ли обмотка в электромагнитном отношении полный или неполный шаг. Во избежание недоразумений рекомендуется судить о шаге цепной обмотки в электромагнитном отношении и вычислять обмоточные коэффициенты следующим образом.

Если фазные зоны цепной обмотки сплошные, то шаг нужно считать полным (β = 1) и соответственно k_y = 1, k_yv = ±1. Коэффициенты распределения k_pv при этом нужно рассчитывать по формулам (20-23) и (20-28), определяя q для подстановки в них также по обычным формулам.

Если же фазные зоны несплошные, т.е. q катушечных сторон данной фазы не расположены в q соседних пазах, то у нужно принимать равным действительному шагу катушки. Исходя из этого значения у, необходимо вычислить и затем по формулам (20-7) и (20-26) определить коэффициенты укорочения шага k_yv. Для вычисления k_pv при этом также нужно пользоваться формулами (20-23) и (20-28), но при нечетном q нужно подставлять его действительное значение, а при четном q — его половинное значение. Эту последнюю рекомендацию можно объяснить следующим образом. Можно представить себе, что цепная обмотка получается из двухслойной обмотки путем вынесения нижних сторон катушек в дополнительные пазы, расположенные между основными. Поэтому цепная обмотка с укороченным шагом аналогична двухслойной обмотке с вдвое меньшим q и цепная обмотка с нечетным q обладает свойствами дробной обмотки с d = 2, что, между прочим, следует иметь в виду также при анализе ее магнитного поля (см. § 22-3). Однако при d = 2 эквивалентная величина числа пазов на полюс и фазу q_э = 2q, вследствие чего для цепной обмотки с нечетным q и укороченным шагом в выражения (20-23) и (20-28) необходимо подставлять действительное значение q этой обмотки.

Очевидно, что, согласно сказанному, обмотку на рис. 21-16 в электромагнитном отношении нужно считать за обмотку с q = 2, y = 9 и .

Все шаблонные обмотки можно выполнять с числом параллельных ветвей а = р, а цепную обмотку с четным q — с а = 2р.

Расположение лобовых частей шаблонных обмоток имеет вид, показанный на рис. 21-17. Цепную обмотку можно видоизменить таким

Рис. 21-17. Лобовые части цеп-

ной обмотки

Рис. 21-18. Лобовые части эволь-

вентной обмотки

образом, что ее лобовые части, соответствующие на рис. 21-16 коротким и длинным сторонам катушек, расположатся в двух разных плоскостях, как показано на рис. 21-18. Обмотка с подобными лобовыми частями называется иногда в литературе эвольвентой, так как изогнутые лобовые части имеют вид эвольвенты. Очевидно, что лобовые части обмотки, изображенной на рис. 21-18, можно также отогнуть ближе к оси машины, и тогда они будут напоминать лобовые части двухслойной обмотки.

Шаблонные обмотки находят применение в асинхронных двигателях малой мощности, когда катушки наматываются из круглого провода диаметром до 2,2—2,5 мм. Катушки при этом легко деформируемы и называются мягкими. Лобовым частям таких катушек при их укладке в пазы можно легко придать необходимую форму.

В последнее время однослойные обмотки с формой лобовых частей, аналогичной форме лобовых частей двухслойной обмотки, начинают применять также в гидрогенераторах с внутренним водяным охлаждением обмотки, так как при этом в связи с уменьшением числа катушек вдвое осуществление водяного охлаждения упрощается.

§ 21-4. Некоторые обмотки с числом фаз, не равным трем

Однофазные обмотки, как уже указывалось в § 20-1, выполняются с фазной зоной = 120°, т.е. с заполнением 2/3 пазов. Такую обмотку получим, если в трехфазной обмотке с зоной = 60° исключим одну фазу, а концы оставшихся фаз соединим вместе (рис. 21-19). Например,

Рис 21-19 Образование однофазной обмот-

ки с фазной зоной = 120° из двух фаз

трехфазной обмотки с фазной зоной = 60°

на схеме рис. 21-1 можно соединить концы X и Z, а фазу В изъять. Подобным же образом однофазную обмотку можно получить из однослойной трехфазной обмотки.

Однофазная обмотка с зоной = 120° имеет то преимущество, что для гармоник v = 3, 9, 15..., согласно (20-15), будет k_pv = 0.

При укороченном шаге часть пазов двухслойной обмотки будет иметь только одну катушечную сторону, и тогда эти пазы нужно заполнить наполовину клиньями из непроводящего материала.

Д вухфазная обмотка со сдвигом э.д.с. фаз на 90° применяется в настоящее время почти исключительно только в различных микромашинах для автоматических устройств (см. гл. 31). На рис. 21-20

Рис. 21-20. Двухфазная двухслойная обмотка с Z = 16, 2р = 4, q = 2,

y = 3,

в качестве примера изображена схема двухслойной двухфазной обмотки с фазной зоной = 90°. В микромашинах широко используется также однослойные двухфазные обмотки.

В двухфазных обмотках в отличие от однофазных с зоной 120° необходимо также считаться с э.д.с., индуктируемой третьей пространственной гармоникой поля. Эту э.д.с. можно уничтожить, если укоротить шаг на 1/3 τ, так как при этом

Однако при таком шаге э.д.с. от гармоник v = 5, 7, 11, 13 т.д., выражаемых равенством

не ослабляются, так как для них

Поэтому укорочение шага обычно выбирается иным.

Короткозамкнутая обмотка в виде беличьей клетки. Э.д.с. и токи, индуктируемые основной гармоникой магнитного поля, в соседних стержнях беличьей клетки сдвинуты на угол

Звезда векторов э.д.с. и токов стержней беличьей клетки (рис. 21-21) в общем случае имеет лучей, где t — общий наибольший

Рис. 21-21. Диаграмма

э.д.с. и токов стержней

беличьей клетки при

Z = 18 и 2р = 4

делитель чисел Z и р. Поэтому в физическом отношении следует считать, что такая обмотка имеет фаз с t параллельными стержнями в каждой фазе. Однако при расчетах электрических машин удобнее полагать, как это и принято на практике, что каждый стержень представляет собой отдельную фазу и m = Z. При этом не будет допускаться никаких ошибок, если только учитывать, что сдвиг фаз определяется углом по формуле (21-14). При расчете э.д.с. беличьей клетки по формулам гл. 20 следует принять, что (один проводник или полвитка в фазе) и для всех гармони k_yv = k_pv = 1.

С огласно схеме электрических цепей беличьей клетки (рис.21-22,а),

Рис. 21-22. Схемы электрических цепей

беличьей клетки: а — реальная; б — экви-

валентная

последнюю можно рассматривать как многофазную обмотку, начала и концы которой соединены соответственно вместе, т.е. в замкнутую накоротко многолучевую звезду, Однако участки колец между стержнями обладают определенным сопротивлением

Z_к == r_к + jx_к,

которое соизмеримо с сопротивлением стержня

Z_ст == r_ст + jx_ст.

Поэтому соединение в звезду фактически совершается не накоротко, а через сопротивления Z_к. В связи с этим целесообразно привести реальную схему цепей (рис. 21-22, а) к эквивалентной (рис. 21-22, б), в которой участки колец лишены сопротивлений, а сопротивления стержней соответствующим образом увеличены.

Токи в участках колец сдвинуты относительно друг друга на те же углы , что и токи стержней . Соотношение между и можно установить, исходя из первого уравнения Кирхгофа для одного из узлов схемы рис. 21-22. Например, для узла, образуемого стержнем 2,

откуда

Этим соотношениям соответствует диаграмма рис. 21-23, откуда

Рис. 21-23. Соотношения между токами

стержней и участков колец беличьей клетки

и

(21-15)

Электрические потери в реальной и эквивалентной клетках должны быть равны:

Подставив сюда из (21-15), найдем

(21-16)

Если то синус можно заменить аргументом и

(21-17)

Величина r из (21-16) и (21-17) представляет собой активное сопротивление фазы обмотки вида беличьей клетки.

Стержни и участки колец клетки обладают также определенными индуктивными сопротивлениями рассеяния х_ст и х_к. Сопротивление рассеяния фазы х определяется по формулам (21-16) и (21-17) при замене в них r на х.

§ 21-5. Выполнение обмоток переменного тока

Формы сечения пазов обмоток статоров машин переменного тока показаны на рис. 21-24.

Рис 21-24 Полузакрытые (а), полуоткрытые

(б) и открытые (в) пазы статоров машин пере-

менного тока

Полузакрытые пазы обычно применяются для обмоток статоров машин мощностью до 100 кВт (при 1500 об/мин) и напряжением, до 650 В. При этом обмотка обычно изолируется от стенок паза посредством трехслойной пазовой коробочки (два слоя электротехнического картона с одним слоем лакоткани или синтетической пленки посередине) толщиной 0,35—0,65 мм на сторону. В заранее изолированные пазы укладывается так называемая мягкая всыпная обмотка, т.е. обмотка из круглых проводников диаметром до 2,2— 2,5 мм. Отдельные проводники опускаются при этом в паз по одному через щель паза. Если сечение фазы должно быть больше сечения одного такого проводника, то обмотка изготовляется с необходимым количеством параллельных ветвей. Если же и эта мера недостаточна, то каждый виток выполняется из нескольких параллельных проводников. Такие обмотки имеют изоляцию класса А. Плотность тока в таких обмотках j = 5,0 ÷ 6,5 а/мм², а при Р_н < 0,6 кВт и больше. Полуоткрытые пазы применяются для машин большой мощности (до 300—400 кВт при 1500 об/мин) при напряжениях до 650 В. В этом случае катушка по ширине паза состоит из двух полукатушек, которые наматываются из прямоугольного провода на соответствующих шаблонах и опускаются в паз по отдельности. Высоту проводника в радиальном направлении машины при f = 50 гц во избежание больших потерь на вихревые токи берут обычно не больше 5 мм. Если достаточного сечения фазы при этом не получается, то обмотка выполняется с параллельными ветвями. Плотность тока в таких обмотках 4,0—5,5 а/мм².

В машинах с большей мощностью и с большим напряжением, чем указано выше, применяются открытые пазы. Обмотка при этом также выполняется из прямоугольных проводников, но катушки изолируются еще до их укладки в пазы. При этом применяется как изоляция класса А, так и изоляция более высоких классов, чаще всего класса В. Машины с повышенной надежностью (например, для шахт) изготовляются с изоляцией высоких классов также и при меньших мощностях, и в этом случае тоже применяются открытые пазы.

Обмотки с изоляцией класса А укрепляются в пазах с помощью промасленных деревянных (бук) или фибровых клиньев. При более высоких классах изоляции применяются текстолитовые, гетинаксовые или стеклотекстолитовые клинья.

Лобовые части фазных роторных обмоток опираются на обмоткодержатели и укрепляются сверху с помощью проволочных бандажей, как и у якорей машин постоянного тока (см. § 1-2). Лобовые части обмоток статора в малых машинах не имеют особого крепления. В машинах большой мощности лобовые части крепятся с учетом того, что при коротких замыканиях, когда возникают наибольшие электромагнитные силы, между лобовыми частями обмоток ротора и статора возникают силы отталкивания. При этом применяются (рис. 21-25) бандажные кольца 1 из стали, дюралюминия или бронзы, к которым