Обмотки статора и ротора электрических машин переменного тока
Обмотка электротехнического изделия (устройства) — совокупность определенным образом расположенных и соединенных витков или катушек, предназначенная для создания или использования магнитного поля, или для получения заданного значения сопротивления электротехнического изделия (устройства). Катушка обмотки электротехнического изделия (устройства) — обмотка электротехнического изделия (устройства) или ее часть, выполненные в виде отдельной конструктивной единицы (ГОСТ 18311-80).
В статье рассказано про устройство обмоток статора и ротора электрических машин переменного тока.
Пространственное расположение обмоток статора:
Статор с двенадцатью пазами, в каждый из которых уложено по одному проводнику, схематично показан на рис. 1, а. Соединения между проводниками, уложенными в пазах, указаны только для одной из трех фаз; начала фаз А, В, С обмотки обозначены С1, С2, С3; концы — С4, С5, С6. Части обмотки, уложенные в пазах (активная часть обмотки), условно показаны в виде стержней, а соединения между проводниками, находящимися в пазах (лобовые соединения),— сплошной линией.
Сердечник статора имеет вид полого цилиндра, представляющего собой пакет или ряд пакетов (разделенных вентиляционными каналами) из листов электротехнической стали. Для машин малой и средней мощности каждый лист штампуется в виде кольца с пазами вдоль внутренней окружности. На рис. 1,б дан лист статора с пазами одной из применяемых форм.
Рис. 1. Расположение обмотки в пазах статора и распределение токов в проводниках
Пусть мгновенное значение тока iA первой фазы в некоторый момент времени максимально и ток направлен от начала С1 фазы к ее концу С4. Будем считать такой ток положительным.
Определяя мгновенные токи в фазах как проекции вращающихся векторов на неподвижную ось ON (рис. 1, в), получим, что токи фаз В и С в данный момент времени отрицательны, т. е. направлены от концов фаз к началам.
Проследим по рис. 1, г образование вращающегося магнитного поля. В рассматриваемый момент времени ток фазы А направлен от ее начала к концу, т. е. если в проводниках 1 и 7 он идет от нас за плоскость чертежа, то в проводниках 4 и 10 он идет из-за плоскости чертежа к нам (см. рис. 1, а и г).
В фазе В ток в этот момент времени идет от конца фазы к ее началу. Соединив проводники второй фазы по образцу первой, можно получить, что ток фазы В проходит по проводникам 12, 9, 6, 3; при этом по проводникам 12 и 6 ток идет от нас за плоскость чертежа, а по проводникам 9 и 3 — к нам. Картину распределения токов в фазе С получим по образцу фазы В.
Направления токов даны на рис. 1,г; штриховыми линиями показаны магнитные линии поля, создаваемого токами статора; направления линий определены по правилу правого винта. Из рисунка видно, что проводники образуют четыре группы с одинаковыми направлениями тока и число полюсов 2р магнитной системы получается равным четырем. Участки статора, где магнитные линии выходят из него, представляют собой северные полюсы, а участки, где магнитные линии входят в статор, — южные полюсы. Дуга окружности статора, занятая одним полюсом, называется полюсным делением.
Магнитное поле в различных точках окружности статора различно. Картина распределения магнитного поля вдоль окружности статора повторяется периодически через каждое двойное полюсное деление. Угол дуги 2 принимается за 360 электрических градусов. Так как вдоль окружности статора размещается р двойных полюсных делений, то 360 геометрических градусов равны 360р электрическим градусам, а один геометрический градус равен р электрическим градусам.
На рис. 1, г показаны магнитные линии для некоторого фиксированного момента времени. Если же рассмотреть картину магнитного поля для ряда последовательных моментов времени, можно убедиться в том, что поле вращается с постоянной скоростью.
Найдем скорость вращения поля. По истечении времени, равного половине периода переменного тока, направления всех токов изменяются на обратные, поэтому магнитные полюсы меняются местами, т. е. за половину периода магнитное поле поворачивается на часть оборота. Скорость вращения магнитного поля статора, т. е. синхронная скорость, равна (в оборотах в минуту)
Число р пар полюсов может быть только целым, поэтому при частоте, например, 50 Гц синхронная скорость может равняться 3000; 1500; 1000 об/мин и т. д.
Рис. 2. Развернутая схема трехфазной однослойной обмотки
Обмотки машин переменного тока можно разделить на три группы:
К специальным обмоткам относятся:
а) короткозамкнутая обмотка в виде беличьей клетки;
б) обмотка асинхронного двигателя с переключением на разные числа полюсов;
в) обмотка асинхронного двигателя с противосоединеннями и т. д.
Кроме вышеуказанного деления, обмотки отличаются по ряду других признаков, а именно:
1) по характеру исполнения — ручные, шаблонные и полушаблонные;
2) по расположению в пазу — однослойные и двухслойные;
3) по числу пазов на полюс и фазу — обмотки с целым числом q пазов на полюс и фазу и обмотки с дробным числом q .
Витком называется контур, образованный двумя последовательно соединенными проводниками. Секция, или катушка, представляет собой ряд последовательно соединенных витков, лежащих в двух пазах и имеющих общую изоляцию от корпуса.
Секция имеет две активные стороны. Левую активную сторону называют началом секции (катушки), а правую — концом секции. Расстояние между активными сторонами секции называют шагом секции. Его можно измерять или числом зубцовых делений или в долях полюсного деления.
Шаг секции называют диаметральным, если он равен полюсному делению и сокращенным, если он меньше полюсного деления, так как шаг секции больше полюсного деления не делают.
Характерной величиной, определяющей выполнение обмотки, является число пазов на полюс и фазу, т. е. число пазов, занимаемых обмоткой каждой фазы в пределах одного полюсного деления:
где z— число пазов статора.
Обмотка, приведенная на рис. 1, а, имеет следующие данные:
Даже для этой простейшей обмотки пространственный чертеж проводников и их соединений получается сложным, поэтому он обычно заменяется развернутой схемой, где проводники обмотки изображаются расположенными не на цилиндрической поверхности, а на плоскости (цилиндрическая поверхность с пазами и обмоткой «развертывается» в плоскость). На рис. 2, а дана развернутая схема рассмотренной обмотки статора.
На предыдущем рисунке было для простоты показано, что часть фазы А обмотки, уложенная в пазах 1 и 4, состоит всего из двух проводников, т. е. из одного витка. В действительности же каждая такая часть обмотки, приходящаяся на один полюс, состоит из w витков, т. е. в каждой паре пазов помещается по w проводников, объединенных в одну катушку. Поэтому при обходе по развернутой схеме, например, фазы А от паза 1 нужно w раз обойти пазы 1 и 4, прежде чем перейти к пазу 7. Расстояние между сторонами витка одной катушки, или шаг обмотки, у показан на рис. 1, г; он обычно выражается в числах пазов.
Рис. 3. Щиток асинхронной машины
Приведенная на рис. 1 и 2 обмотка статора называется однослойной, так как она укладывается в каждом пазу в один слой. Для того чтобы разместить лобовые части, пересекающиеся на плоскости, их изгибают по разным поверхностям (рис. 2, б). Однослойные обмотки выполняются с шагом, равным полюсному делению (рис. 2, а), или этот шаг равен в среднем полюсному делению для разных катушек одной фазы, если y > 1 , y . В настоящее время более распространены двухслойные обмотки.
Начало и конец каждой из трех фаз обмотки выводятся на щиток машины, где имеется шесть зажимов (рис. 3). К верхним зажимам C1, С2, СЗ (начала фаз) подводятся три линейных провода от трехфазной сети. Нижние зажимы С4, С5, С6 (концы фаз) либо соединяются в одну точку двумя горизонтальными перемычками, либо каждый из этих зажимов соединяется вертикальной перемычкой с лежащим над ним верхним зажимом.
В первом случае три фазы статора образуют соединение звездой, во втором — треугольником. Если, например, одна фаза статора рассчитана на напряжение 220 В, то линейное напряжение сети, в которую включается двигатель, должно быть 220 В в случае включения статора треугольником; при включении его звездой линейное напряжение сети должно быть
При соединении статора звездой нейтральный провод не подводится, так как двигатель является для сети симметричной нагрузкой.
Ротор асинхронной машины набирается из штампованных листов изолированной электротехнической стали на валу или на специальной несущей конструкции. Радиальный зазор между статором и ротором делается возможно меньшим для обеспечения малого магнитного сопротивления на пути магнитного потока, пронизывающего обе части машины.
Наименьший зазор, допустимый по технологическим требованиям, составляет от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров в зависимости от мощности и габаритов машины. Проводники обмотки ротора располагают в пазах вдоль образующих ротора непосредственно у его поверхности с тем, чтобы обеспечить наибольшую связь обмотки ротора с вращающимся полем.
Асинхронные машины выпускаются как с фазным, так и с короткозамкнутым ротором.
Рис. 4. Фазный ротор
Фазный ротор имеет, как правило, трехфазную обмотку, выполняемую, подобно статорной, с тем же числом полюсов. Обмотка соединяется звездой или треугольником; три конца обмотки выводятся на три изолированных контактных кольца, вращающихся вместе с валом машины. Через щетки, укрепленные на неподвижной части машины и скользящие по контактным кольцам, в ротор включается трехфазный пусковой или регулировочный реостат, т. е. в каждую фазу ротора вводится активное сопротивление. Внешний вид фазного ротора представлен на рис. 4, на левом конце вала видны три контактных кольца. Асинхронные двигатели с фазным ротором применяются там, где требуется плавное регулирование скорости приводимого в движение механизма, а также при частых пусках двигателя под нагрузкой.
Конструкция короткозамкнутого ротора значительно проще, чем фазного. Для одной из конструкций на рис. 5, а показана форма листов, из которых набирается сердечник ротора. При этом отверстия вблизи наружной окружности каждого листа составляют в сердечнике продольные пазы. В эти пазы заливается алюминий, после его затвердения в роторе образуются продольные токопроводящие стержни. По обоим торцам ротора заодно отливаются алюминиевые кольца, замыкающие накоротко алюминиевые стержни. Полученная при этом токопроводящая система обычно называется беличьей клеткой.
Рис. 5. Короткозамкнутый ротор
Короткозамкнутый ротор с беличьей клеткой представлен на рис. 5,б. На торцах ротора видны вентиляционные лопатки, отливаемые заодно с короткозамыкающими кольцами. В данном случае пазы скошены на одно пазовое деление вдоль ротора. Беличья клетка проста, не имеет скользящих контактов, поэтому трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором наиболее дешевы, просты и надежны; они наиболее распространены.
ВИДЫ ОБМОТОК ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ И СПОСОБЫ ИХ ИЗОБРАЖЕНИЯ
Важная составная часть электродвигателей — ее обмотки, в которых происходят основные рабочие процессы по преобразованию энергии. В наиболее распространенных типах электрических машин можно выделить:
трехфазные обмотки машин переменного тока, используемые обычно в статорах трехфазных асинхронных и синхронных машин, а также в роторах асинхронных двигателей с контактными кольцами.
однофазные обмотки статоров асинхронных однофазных двигателей с короткозамкнутым ротором.
обмотки якорей коллекторных машин постоянного и однофазного переменного тока.
короткозамкнутые обмотки роторов асинхронных электродвигателей.
обмотки возбуждения синхронных и коллекторных машин.
Обмотки возбуждения синхронных и коллекторных машин состоят, как правило, из сравнительно простых полюсных катушек. Несложным является и устройство короткозамкнутых обмоток роторов асинхронных двигателей. Остальные же виды перечисленных выше обмоток представляют собой достаточно сложные системы размещенных в пазах изолированных проводников, соединенных по особым схемам, требующим специального изучения.
Виток обмоток:
Простейшим элементом обмотки является виток, который состоит из двух последовательно соединенных проводников, размещенных в пазах, находящихся, как правило, под соседними разноименными полюсами.
Лежащие в пазах проводники витка являются его активными сторонами, поскольку именно здесь наводится ЭДС от главного магнитного поля машины. Находящиеся вне паза части витка, соединяющие между собой активные проводники и располагающиеся по торцам магнитопровода, называются лобовыми частями.
Проводники, образующие виток, могут состоять из нескольких параллельных проводов. Обычно к этому прибегают, чтобы сделать обмотку мягкой и облегчить ее укладку в пазы.
Один или несколько последовательно соединенных витков образуют катушку или секцию обмотки. Если секция состоит из одного витка, то такую обмотку называют стержневой, так как в этом случае находящиеся в пазах проводники обычно представляют собой жесткие стержни. Обмотка, состоящая из многовитковых секций, называется катушечной.
Катушка обмотки:
Катушка, или секция обмотки, характеризуется числом витков wc и шагом y, т. е. количеством охватываемых ею зубцов магнитопровода. Так, например, если одна сторона катушки (секции) лежит в первом пазу, а вторая — в шестом, то катушка охватывает пять зубцов и шаг ее равен пяти (у = 5). Шаг, таким образом, может быть определен как разность между номерами пазов, в которые уложены обе стороны катушки (у = 6 — 1 = 5).
Зачастую в обмоточных данных и технической литературе шаг обозначают номерами пазов (начиная с первого), в которые уложены стороны катушки, т. е. в данном случае это обозначение выглядит так: у = 1 — 6.
Шаг обмотки называют диаметральным, если он равен полюсному делению τ, т. е. расстоянию между осями соседних разноименных полюсов, или, что то же самое, числу пазов (зубцов), приходящихся на один полюс. В этом случае у = τ = z/2p, где z — число пазов (зубцов) сердечника, в котором размещена обмотка; 2р — число полюсов обмотки.
Если шаг катушки меньше диаметрального, то его называют укороченным. Укорочение шага, характеризуемое коэффициентом укорочения ky = у / τ, широко применяется в обмотках статоров трехфазных асинхронных электродвигателей, так как при этом экономится обмоточный провод (за счет более коротких лобовых частей), облегчается укладка обмотки и улучшаются характеристики двигателей. Применяемое укорочение шага обычно лежит в пределах 0,85 — 0,66.
В духполюсной электрической машине центральный угол, соответствующий полюсному делению, равен 180°. Хотя в четырехполюсных машинах этот геометрический угол равен 90°, в шестиполюсных — 60° и т. д., принято считать, что между осями соседних разноименных полюсов во всех случаях угол равен 180 электрическим градусам (180 эл. град.). Иначе говоря, полюсное деление τ = 180 эл. град.
Различают однослойные обмотки, где каждый паз занят стороной одной катушки (секции), и двухслойные, где в пазах размещены стороны разных катушек (секций) в два слоя.
Способы изображения обмоток:
Способы изображения обмоток электрических машин достаточно условны и своеобразны. Обмотки содержат большое число проводников, и изобразить все соединения и проводники на чертеже практически невозможно. Поэтому приходится прибегать к изображению обмоток в виде схем.
Преимущественно пользуются двумя основными способами изображения обмоток на схемах.
При первом способе цилиндрическую поверхность сердечника вместе с обмоткой (а у коллекторных машин — вместе с коллектором) как бы мысленно разрезают по образующей и разворачивают на плоскость чертежа. Такого типа схемы называются развернутыми, или схемами-развертками (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Развернутая схема трехфазной однослойной концентрической обмотки с z = 24, 2р = 4.
При втором способе обмотку как бы проектируют на плоскость, перпендикулярную оси сердечника, показывая вид обмотки с торца (для коллекторных машин обычно со стороны коллектора). Проводники (или активные стороны секций и катушек), расположенные в пазах па поверхности сердечника, изображают кружочками и показывают торцевые (лобовые) соединения обмотки. При необходимости изображают не только видимые с данной стороны торцевые соединения обмотки, но и размещенные с обратной стороны сердечника невидимые лобовые части, причем их изображение в этом случае выносится за окружность сердечника. Схемы такого типа называют торцевыми, или круговыми (рис. 2.2).
Рис. 2.2. Торцевая схема обмотки m = 3, z = 24, 2р = 4.
Торцевая и развернутая схемы обмоток:
Наиболее распространены схемы, выполненные по первому способу. Они легче читаются и более наглядны. Для облегчения чтения и выполнения торцевых схем их выполняют упрощенным способом (рис. 2.3). Но даже после этого для обмотчика, не имеющего достаточного опыта работы с торцевыми схемами, они кажутся непонятными и неудобочитаемыми. В развернутых схемах расположение катушек и катушечных групп, соединение катушек и катушечных групп выглядит более реально и понятно.
Рис. 2.3. Торцевая схема при 2р = 4, а = 1.
Схемы дают достаточно четкое представление об устройстве и размещении на сердечнике всех элементов обмотки и соединений между ними. На схемах в основном изображают лишь проводники обмотки, стараясь по возможности опустить все остальные детали, загромождающие схему и затрудняющие ее чтение. Необходимые дополнительные технические данные приводятся на схемах в виде надписей.
Катушка, или секция на схеме изображается одной линией независимо от того, намотана она в один провод или в несколько параллельных проводов, состоит из одного витка или является многовитковой. На развернутой схеме секция или катушка изображаются в виде замкнутой, напоминающей действительную конфигурацию секции (катушки) фигуры, от которой ответвляются выводы.
В развернутых схемах двухслойных обмоток стороны катушек или секций, лежащие ближе к воздушному зазору, т. е. в верхнем слое паза, изображают сплошными линиями, а стороны, лежащие в нижнем слое, — штриховыми (пунктирными). Иногда (в книгах старых изданий) активные стороны катушек в обоих слоях паза изображают сплошными линиями, но те стороны, что лежат в верхнем слое, располагают слева, а те, что лежат в нижнем слое, — справа.
На схемах трехфазных обмоток провода разных фаз могут изображаться различающимися между собой линиями, например сплошными, штриховыми и штрихпунктирными, линиями разной расцветки или разной толщины, двойными линиями с разной штриховкой между ними.
На схемах обычно указывают номера пазов, номера коллекторных пластин, могут быть также обозначены номера секций и их сторон, номера и маркировка выводных концов катушечных групп, фаз обмотки, указаны направления токов, фазные зоны, полюса магнитного поля и т. д. (рис. 2.4 — 2.6).
Рис. 2.4. Развернутая схема двухслойной обмотки при z = 24, 2р = 4, q = 2.
Рис. 2.5. Изображение катушечных групп на схемах: а — развернутой, б – условной.
Рис. 2.6. Условные схемы двухслойной обмотки статора: а — для трех фаз при 2р = 2; б — для одной фазы при 2р = 2, в — для одной обмотки статора при 1р = 4.
Схемы необходимы не только при изучении принципа работы обмоток, их устройства, свойств и особенностей, но также и для выполнения обмоточных работ. Не имея схемы и не сверяясь с ней в процессе работы, трудно выполнить обмотку, поэтому перед началом ремонта обмотки надлежит составить ее схему или найти в справочнике аналогичную.
Упрощенные торцевые схемы:
Следует отметить, что полные развернутые и торцевые схемы сложных многополюсных обмоток с большим числом пазов получаются очень громоздкими и трудными для чтения.
В этих случаях в процессе выполнения обмоток, элементы которых повторяются, часто используют практические развернутые схемы, где изображена, например, лишь одна фаза (иногда часть фазы) трехфазной обмотки или несколько секций обмотки коллекторной машины. Широко используются также упрощенные торцевые схемы, где целые катушечные группы изображаются в виде части дуги с обозначениями выводов, а более мелкие элементы обмотки не изображают или изображают на схеме отдельно. Упрощенные торцевые схемы удобны при выполнении соединений между катушечными группами в сложных обмотках.