9.7. Выбор воздушного зазора

Правильный выбор воздушного зазора во многом определяет энергетические показатели асинхронного двигателя. Чем меньше воздушный зазор, тем меньше его магнитное сопротивление и магнитное напряжение, составляющее основную часть МДС магнитной цепи всей машины. Поэтому уменьшение зазора приводит к соответственному уменьшению МДС магнитной цепи и намагничиваю­щие тока двигателя, благодаря чему возрастает его cos φ и умень­шаются потери в меди обмотки статора. Но чрезмерное уменьшение приводит к возрастанию амплитуды пульсаций индукции в воздуш­ном зазоре и, как следствие этого, к увеличению поверхностных и пульсационных потерь. Поэтому КПД двигателей с очень малыми и зазорами не улучшается, а часто даже становится меньше.

В современных асинхронных двигателях зазор выбирают, исходя из минимума суммарных потерь. Так как при увеличении зазора по­тери в меди возрастают, а поверхностные и пульсационные умень­шаются, то существует оптимальное соотношение между параметра­ми, при котором сумма потерь будет наименьшей. Такие расчеты проводят на ЭВМ по оптимизационным программам. При учебном проектировании воздушный зазор следует выбирать, руководствуясь данными выпускаемых двигателей (рис. 9.31) либо следующими приближенными формулами.

Для двигателей мощностью менее 20 кВт воздушный зазор, м, равен при 2р - 2

δ ≈ (0,3 + 1,5D) 10^-3; (9.49)

при 2р > 4

δ ≈ (0,25 + D) 10^-3. (9.50)

Для двигателей средней и большой мощности

δ ≈ (9.51)

Поверхностные и пульсацион­ные потери в двигателях зависят не только от амплитуд, но и от частоты пульсаций индукции в воздушном зазоре. В быстроход­ных двигателях частота пульсаций больше, чем в тихоходных, так как она пропорциональна часто­те вращения.

Рис. 9.31. К выбору воздушного зазо­ра асинхронных двигателей

Для уменьшения этого вида потерь 8 в быстроходных двигателях выполняют большим, что уменьшает амплитуду пульса­ций.

В статорах высоковольтных машин применяют только откры­тые пазы, и при малых зазорах это может привести к большим пуль­сациям индукции, поэтому воздушный зазор в них выполняют боль­шим, обычно равным 1,5...2 мм.

Воздушный зазор, полученный по эмпирическим формулам или из графиков, следует округлять до 0,05 мм при δ < 0,5 мм и до 0,1 мм при δ > 0,5 мм. Например, зазор выбирают равным 0,35; 0,4; 0,45; 0,5; 0,6 мм и т. д.

Выбранный по приведенным рекомендациям воздушный зазор обычно превышает минимально допустимый по механическим усло­виям. Однако все же необходимо провести механический расчет вала проектируемого двигателя. Прогиб вала не должен быть боль­ше 10 % воздушного зазора.

9.8. Расчет ротора

9.8.1. Фазные роторы

Для нормальной работы асинхронного двигателя необходимо, чтобы фазная обмотка ротора имела столько же фаз и столько же полюсов, сколько их имеет обмотка статора, т. е. m₂ = m₁ и р₂ = р₁.

Число пазов ротора Z₂ должно отличаться от числа пазов стато­ра. При расчете задаются обычно числом пазов на полюс и фазу ро­тора q₂ = q₁ ± К, тогда Z₂ = Z₁ q₂/q₁. В большинстве случаев К = 1 или К = 1/2. При характерном для обмоток статора асинхронных двига­телей целом q₁ обмотка ротора имеет целое или дробное число q₂ со знаменателем дробности, равным 2. Обмотки ротора со знаменате­лем дробности, большим двух, встречаются редко (в основном в крупных многополюсных машинах).

Число витков в фазе обмотки ротора выбирают исходя из допус­тимого напряжения на контактных кольцах при пуске двигателя. ЭДС фазы обмотки ротора Е₂ определяется магнитным потоком, который при постоянном уровне индукции в воздушном зазоре рас­тет с увеличением габаритов двигателя. Поэтому в крупных маши­нах напряжение на контактных кольцах может достигнуть слишком большого значения и привести к перекрытию или пробою изоляции колец.

Чтобы Е₂ не достигала опасного значения, обмотку роторов крупных машин выполняют с малым числом витков в фазе. В совре­менных асинхронных двигателях наиболее распространенной об­моткой такого типа является двухслойная стержневая обмотка, при которой в пазу размещаются только два эффективных проводника. Для уменьшения количества межгрупповых соединений она выполняется волновой.

В отдельных машинах можно встретить и однослойную стержне­вую обмотку ротора. Она применяется как исключение в крупных машинах специального исполнения, так как требует сложной в технологическом отношении конструкции лобовых частей стержней.

В небольших по габаритам машинах опасности чрезмерного увеличения Е₂ нет, так как поток в них невелик, и число витков в фазе обмотки ротора увеличивают, чтобы снизить ток через щеточные контакты, что особенно важно в двигателях с постоянно прилегаю­щими к контактным кольцам щетками. Такие обмотки выполняют из многовитковых катушек. Описание конструкции и схем обмоток фазных роторов дано в гл. 3.

Расчет обмотки фазного ротора проводят в следующей последовательности.

Для определения числа витков в фазе роторов с катушечной обмоткой предварительно задаются ЭДС фазы Е₂, при которой напряжение на контактных кольцах (U_к.к) в момент пуска двигателя приблизительно равно линейному номинальному напряжению двигателя. Обмотки роторов в большинстве случаев соединяют в звезду

при этом U_к.к = E₂ = 150...250 В. Если обмотку ротора соединяют в треугольник, то U_к.к = Е₂.

Число витков в фазе

Так как Е₂ выбрана приближенно и может быть несколько изменена, то, принимая отношение обмоточных коэффициентов k_об1/k_об2 = 1 и k_E = 1 и учитывая, что при s = 1 отношение f₁ / f₂ = 1, получаем

w₂ = (9.52)

Число эффективных проводников в пазу

U_п2 = (9.53)

должно быть целым и при двухслойной обмотке четным, поэтому полученное значение округляют, после чего уточняют число витков в

фазе:

w₂ = u_п p₂ q₂. (9.54)

В роторах с двухслойной стержневой обмоткой u_п2 всегда равно двум, поэтому w₂ определяют без предварительного выбора Е₂:

w₂ = 2 p₂ q₂ = Z₂ /m₂. (9.55)

После расчета w₂ необходимо проверить напряжение на контакт­ных кольцах ротора:

U _к.к. = U_1ном (9.56)

В двигателях со стержневой обмоткой ротора U_к.к обычно не превышает 800... 1000 В, но при расчете двигателей мощностью 1000 кВт и более могут быть получены значения U_к.к более 1500... 2000 В. Для снижения U_к.к в обмотке ротора иногда выполня­ют две параллельные ветви. При этом необходимо помнить, что стержневая волновая обмотка с а = 2 может быть выполнена сим­метричной только при целом числе q₂.

Предварительное значение тока в обмотке фазного ротора, А,

I₂ =k_i I₁ v_i, (9.57)

где k_i — коэффициент, учитывающий влияние тока намагничивания на отношение I₁ / I₂. Его приближенное значение может быть рассчита­но в зависимости от номинального cos φ, которым задавались в нача­ле расчета:

k_i = 0,2 + 0,8 cos φ, (9.58)

v_i — коэффициент приведения токов, для двигателей с фазными роторами

. (9.59)

Сечение эффективных проводников обмотки ротора, м²,

q_эф2 = I₂ / J₂, (9.60)

и при стержневой обмотке q_c = q_эф2. Здесь J₂ — допустимая плотность тока, А/м²; в роторах с катушечной обмоткой при классах нагревостойкости изоляции В и F J₂ = (5...6,5) • 10⁶ А/м , а в более мощных двигателях со стержневой обмоткой J₂ = (4,5...5,5) • 10⁶ А/м².

Эффективные проводники независимо от их размеров на элемен­тарные не подразделяют, так как эффект вытеснения тока в обмотке роторов при номинальных режимах асинхронных двигателей из-за малой частоты (f₂ = sf₁) не проявляется.

Окончательные размеры проводников обмотки ротора опреде­ляют по таблицам приложения 3 одновременно с расчетом размеров пазов.

В фазных роторах с катушечной обмоткой выполняют прямо­угольные открытые пазы, при стержневой обмотке — прямоуголь­ные полузакрытые пазы с узким шлицем (рис. 9.32). Ширину паза выбирают исходя из соотношения (0,4...0,45)t_z2. Примеры вычисления изоляции обмоток фаз­ных роторов приведены в табл. 3.10 и 3.11.

При расчете заполнения паза проводниками с изоляцией следует учитывать припуск на сборку магнитопровода (см. табл. 9.14). Высоту клиновой части паза при расчете расположения проводников не учитывают. В двигателях с h = 280...355 мм выполняют h_к = 2,5 мм и h_к = 3,5 мм при h = 400 мм. Ширину шлица обычно принимают равной b_ш = 1,5 мм, а высоту h_ш = 1,0 мм.

После предварительных расчетов необходимо уточнить размер зубца ротора в наиболее узком сечении b_z2min и проверить соответствие индукции В_z2max ее допустимому значению для данного исполне­ния двигателя по табл. 9.12:

b_z2min = ; (9.61)

В_z2max = (9.62)

Рис. 9.32. Пазы фазного ротора асинх­ронного двигателя:

а — открытые (катушечная обмотка);

б — полузакрытые (стержневая обмотка)

Наибольшая ширина зубца ротора с открытыми пазами (рис. 9.32, а)

b_z2max = ; (9.63)

Наибольшая ширина зубца ротора с полузакрытыми пазами (рис. 9.32, 6)

b_z2max = (9.64)

Расчетная высота зубцов при пазах обеих конфигураций прини­мается равной высоте паза.