3.2 Обмотки асинхронных машин.

Обмотка в электрической цепи машины переменного тока должна удовлетворять одновременно двум требованиям: 1) создавать требуемую для работы эдс и 2) образовывать необходимое для процесса преобразования энергии вращающееся магнитное поле.

Вращающееся поле создаётся обмоткой статора, которая подключается к сети. Большинство асинхронных машин имеют трёхфазные симметричные обмотки.

В качестве примера рассмотрим поперечный разрез двухполюсного (2р =2) асинхронного двигателя (Рис. 3.2). Рассматриваемый асинхронный двигатель имеет простейшую обмотку статора, когда каждая фаза состоит из одного витка или двух проводников (1 – фаза, проводники А и Х; 2 - я фаза, проводника В и У; 3 - я фаза, проводники С и Z).

Проводники каждого витка (фазы) расположены друг от друга на расстоянии полюсного деления:

где – диаметр внутренней расточки статора;

– число пар полюсов.

При = 2

соответственно угол по окружности статора 360°. Начало фаз А, В, С сдвинуты друг от друга на 120°, что соответствует, в данном случаи, трети окружности.

Приложим к фазам напряжения:

Примем положительное направление токов в началах фаз А, В, С за плоскость чертежа. Рассмотрим момент времени i_a = I_m, i_в = i_с = I_m, тогда распределение токов по окружности статора составят две зоны, каждая величиной τ. Причём направления в этих зонах будет противоположным (Рис. 3.2, б)

Рисунок 3.2 Поперечный разрез двухполюсного асинхронного двигателя: а) распределение токов по поверхности статора; б) направление и величины токов в фазах.

Фазы токов изменим на 30˚, тогда ,

Распределение токов по поверхности статора и в фазах (Рис. 3.3)

Рисунок 3.3 Распределение токов по поверхности статора а) и направление и величины токов в фазах б)

Токи распределены по поверхности статора синусоидально. Они создают магнитный поток проходящий через статор, ротор и воздушный зазор. При изменении фазы на 30˚ магнитный поток поворачивается на 30˚, а витки фазы направлены горизонтально, и ось магнитного потока при направлен горизонтально, когдамагнитный поток будет направлен по оси фазы В, т.е. повернётся на 120˚, а при- по оси фазы С ещё повернётся на 120˚.

Таким образом обмотки статора двухполюсной машины при питании её трёхфазным током создаёт двухполюсное вращающееся поле. При этом за период изменения тока поле поворачивается на 2τ или на 360˚ в нашем случае. Скорость вращения поля n₁=f₁ [об/сек.] – частота тока статора. Магнитное поле вращается в направлении чередования фаз А,В,С обмотки статора. Для изменения направления вращения поля на обратное достаточно переменить местами на зажимах обмотки статора концы двух проводников, идущих от питающей сети.

При 2р = 4, τ составляет четверть окружности и каждая фаза простейшей трёхфазной обмотки статора состоит из двух витков с шагом у = τ, которые сдвинуты друг относительно друга на 2τ и могут быть соединены друг с другом последовательно и параллельно. Отдельные фазы и их начала А,В,С при это также сдвинуты на 60˚ или в данном случае на 1/6 окружности. Такая обмотка создаёт кривую распределения тока и магнитное поле с 2р = 4, это поле также является вращающимся и за один период токи поворачиваются на 2τ или в данном случае на половину окружности, вследствие чего скорость поля . В общем случае можно изготовить обмотки и с 2р = 6, 8, 10 и т.д. При это будет получаться кривая распределения тока и магнитное поле с р парами полюсов. Магнитное поле вращается со скоростью об/сек или об/мин.

Линейная скорость магнитного поля .

При конструировании обмоток переменного тока стремятся к тому, чтобы распределение индукции вращающегося поля в воздушном зазоре вдоль окружности было по возможности ближе к синусоидальному. Вес обмотки получается тем меньше, чем меньше общая длина проводников, образующих обмотку при заданных значениях тока, плотности тока и наведённой в обмотке э.д.с.

В многофазных обмотках проводники разбиваются на одинаковые группы по числу фаз, симметрично расположенные в пазовом слое. Каждая фаза образует отдельную электрическую цепь обмотки, которая при больших значениях номинального фазного тока (если по условиям переключения обмотки) в свою очередь может иметь несколько параллельных (ветвей) цепей. Общее число проводников пазового слоя:

где - число последовательно включённых витков фазы;

- число её параллельных ветвей;

– число фаз.

Обмотки статора и фазные обмотки ротора асинхронной машины выполняются одно – и двухслойные. В зависимости от мощности машины применяются петлевые или волновые двухслойные обмотки. Статорные обмотки асинхронных двигателей серии 4А выполняются только петлевыми.

По способу выполнения обмотки подразделяют на: а) катушечные и б) стержневые.

Катушечные обмотки выполняются из заранее намотанных на шаблон.

Проводники обмоток размещаются в пазах сердечника на внутренней поверхности статора и внешней поверхности ротора (имеется в виду обычная конструктивная схема машины с внешним статора и внутренним ротором). В асинхронных машинах пазы имеют относительно небольшие размеры и равномерно распределены по обе стороны воздушного зазора, форма пазов бывает различной: прямоугольной, трапецеидальной, круглой, овальной и др. По степени открытия паза, т.е. ширине отверстия паза, различают пазы: а) открытые; б) полуоткрытые; в) полузакрытые и г) закрытые (Рис. 3.4)

Рисунок 3.4 Пазы асинхронных машин: а) открытые; б) полуоткрытые; в) полузакрытые; г) закрытые

Выполнение обмоток переменного тока имеет большое многообразие. Некоторые особенности построения схем симметричных однослойных и двухслойных обмоток.

Однослойные обмотки. Если заданы число пазов Z, число полюсов 2р, число фаз m, причём равно целому числу, то при однослойной обмотке распределение пазов между фазами может быть произведено достаточно просто и практически безвариантно. Напримерz = 24, 2р = 4 и m = 3, тогда q = 2.

При выполнении обмотки возникает вопрос: как соединить последовательно проводники катушек каждой фазы? Здесь может быть много вариантов и надо выбрать тот, который даёт наименьшую затрату проводникового материала на лобовые и межкатушечные соединения, обеспечивает удобную укладку обмотки при её изготовлении, возможность простой замены повреждённых катушек в случае их ремонта и достаточную механическую прочность лобовой части. Кроме того необходимо стремятся тому, чтобы активные и соответственно индуктивные сопротивления фаз мало отличались друг от друга.

Двухслойные обмотки. В машинах переменного тока широкое применение получили двухслойные обмотки, обладающие по сравнению с однослойными рядом преимуществ. Двухслойные обмотки выполняют из катушек и секций одинаковой формы и размеров, что создаёт технологические удобства при изготовлении обмоток машины и обеспечивает полную электромагнитную симметрию фаз.

Следует отметить некоторые недостатки двухслойных обмоток: более сложная укладка секций в пазы, более сложный ремонт катушек, особенно при повреждении изоляции нижнего слоя, и невозможность при наличии двухслойной обмотки осуществлять разъёмный сердечник без демонтажа секций в местах разъёма.

Изоляция обмоток. Надёжность и экономичность электрической машины во многом зависит от качества изоляции обмоток, и её электрической и механической прочности и нагревостойкости.

Для длительной безаварийной работы машины необходимо обеспечить достаточную электрическую прочность изоляции между витками обмотки, между витками и стенками пазов и другими заземлёнными частями сердечника и корпуса, между фазами внутри паза и в лобовых соединениях, где проводники различных фаз располагаются близко друг к другу. При работе электрической машины изоляция обмотки находится под длительным воздействием переменного электрического поля. При переходных и аварийных процессах изоляция может кратковременно подвергаться ещё более значительным воздействиям электрического поля. Поэтому при изготовлении машины изоляции витков, изоляции между фазами и изоляция обмотки и корпуса согласно ГОСТ испытываются повышенным напряжением.

Изоляция обмоток испытывается в течении 5 минут путём повышения напряжения машины на 30%. Изоляция относительно корпуса между фазами при номинальном напряжении U_н до 3000 В испытывается в течении одной минуты напряжением 2U_н + 1000В при U_н, в пределах 3000 – 6000В – напряжением 2.5 U_н и при U_н > 6000В напряжением 2U_н + 3000В.

Способность изоляции обмотки длительно работать при температуре, имеющей место при номинальном режиме машины, определяется нагревостойкостью изоляционных материалов. В настоящее время для основных изоляционных материалов используемых в обмотках электрических машин, установлены классы нагревостойкости (ГОСТ 8865): А - 105°С, Е- 120°, В - 130°C, F - 155°C; Н 180°С; С- больше 180°С.

В последние годы в конструировании электрических машин наметилась тенденция широкого использования электроизоляционных материалов из синтетики, обладающей при меньшей толщине более высокими электрическими, механическими показателями.

Обмотка ротора осуществляется путём заливки пазов ротора алюминием, пазы в этом случае выполняются закрытыми. Одновременно с заливкой пазов отливаются кольца, замыкающие стержни с торцов ротора и лопасти вентилятора. В двигателях с фазной обмоткой ротора в пазы ротора укладывается трёхфазная обмотка, которая соединяется звездой или треугольником и выводится к трём контактным кольцам, расположенным на валу двигателя.

В пазы статора укладывается обмотка из круглых проводников или из проводников прямоугольного сечения. В двигателях малой мощности применяется однослойная обмотка, а в двигателях большей мощности – двухслойная обмотка.