Обмотки асинхронных машин

Основное требование, предъявляемое к обмотке статора, заключается в образовании вращающего поля при питании обмотки трехфазным, двухфазным напряжениями или при питании обмотки от источника однофазного напряжения. В зависимости от питающего напряжения статорная обмотка может быть трехфазной, двух­фазной или однофазной. Асинхронные машины большой мощности выполняются в соответствии с описанной ранее конструкцией. Конструкции асинхронных двигателей малой мощности могут в значительной степени отличаться от приведенной ранее конструкции.

В классической конструкции двигателя статор имеет пазы, в которые укладывается обмотка. У трехфазного двигателя количество фазных статорных обмоток три. Основное требование к конструкции обмотки заключается в обеспечении синусоидального распределения индукции вращающегося поля в зазоре машины
при прохождении по обмотке электрического тока. Последнее возможно в том случае, когда эффективное количество витков, или ампервитков при прохождении тока по обмотке, распределено по статору в соответствии с синусным законом. Обмотки статоров состоят из катушек или секций, имеющих определенное количество витков медного провода. Несколько катушек, уложенных в соседние пазы, объединяются в катушечные группы. Одна фаза может содержать одну или несколько катушечных групп. Одна катушка имеет естественно две активных стороны и две лобовые. Последние не участвуют в процессе преобразования энергии.

Катушки или секции изготавливаются перед укладкой в пазы статора по специальным шаблонам. В простейшем случае в один паз статора укладывается одна активная сторона катушки. Тогда обмотка статора называется однослойной. У двигателей с улучшенными характеристиками в пазу укладывается две активные стороны секций. Такие статорные обмотки называют двухслойными.

Рассмотрим расположение активных сторон секций обмотки статора трехфазного двухполюсного двигателя, имеющего 12 пазов. Для простоты активные стороны будем обозначать в соответствии с ранее выбранной системой: катушек обмотки фазы , фазы и катушек фазы .

Рис. 6.15

На рис. 6.15 представлена двухвитковая катушка фазы для получения двухполюсного магнитного поля. При наличии 12 пазов на статоре трехфазного двигателя и однослойной обмотке на каждую фазу приходится 4 паза, в которые можно расположить 2 катушки или секции.

Рис. 6.16

Секции одной фазы располагаются в соседних пазах. Если в пазах 1 и 2 расположить активные стороны катушек фазы , тогда активные стороны этой же фазы должны быть уложены в противоположные пазы 7
и 8. Фазные обмотки двухполюсной машины должны быть расположены в пространстве под углом 120 °. Поэтому активные стороны катушек фазы должны быть уложены в пазы 5 и 6 и стороны - в па-
зы 11 и 12. Аналогично распределяем оставшиеся пазы для активных сторон фазы (рис. 6.16). Следует запомнить последовательность распределения пазов. Если следовать по статору по часовой стрелке, то последовательность пазов, в которых расположены активные проводники обмоток соответствующих фаз, следующая: .

Пусть имеется статор с 24 пазами. В этом случае для получения поля с одной парой полюсов при однослойной обмотке на одну фазу приходится пазов и распределение пазов будет таким, как показано на рис. 6.17. В данном случае уже в четырех соседних пазах должны быть расположены одноименные активные стороны катушек.

 

Рис. 6.17

 

При таком же количестве пазов статора можно получить и четырехполюсное магнитное поле. Как и прежде, на одну фазу приходится 8 пазов. На одну же фазу на одну паров полюсов приходится 4 паза и, следовательно, одноименные активные стороны катушек должны располагаться в двух соседних пазах. Следуя порядку распределения пазов , получаем следующую картину обозначения пазов (см. рис. 6.17, б).

Проводя аналогичные рассуждения, можно распределить пазы любого статора для получения магнитного поля с любым возможным количеством пар полюсов.

В общем случае число пазов по окружности статора обозначим буквой . Если под полюсным шагом подразумевать количество пазов, приходящихся на один полюс, то при пазах статора на один полюс приходится

.

Каждый полюсный шаг должен включать пазы трех фаз обмотки. Количество пазов на полюс и на фазу равно .

На рис. 6.18 дано распределение в пазах статора обмотки, образующее две пары полюсов при трех секциях в каждой группе обмоток. В приведенном примере , , .

 

Рис. 6.18

 

При укладке катушек и катушечных групп в пазы статора возникают некоторые трудности с расположением лобовых сторон катушек, от чего зависит и геометрическая форма отдельной катушки и ее геометрические размеры.

В зависимости от этого различают концентрические, шаблонные и цепные обмотки. Для исключения ошибок при монтаже составляются схемы обмоток.

На рис. 6.19, a представлена схема расположения лобовых сторон секций обмотки статора асинхронного двигателя, имеющего
2 пары полюсов при 36 пазах. На рис. 6.19, б и 6.19, в представлена электрическая схема соединений катушек обмоток. Обмотка относится к разряду концентрических обмоток, т. е. таких катушек одной катушечной группы, которые входят друг в друга при укладке. Катушечные группы одной фазы могут соединяться как последовательно (см. рис. 6.19, б), так и параллельно (см. рис. 6.19, в).

Катушки катушечных групп отдельных фаз могут располагаться более равномерно по окружности статора. Это достигается расположением катушек «вразвалку». На рис. 6.20 представлена схема концентрической обмотки «вразвалку».

в

б

а

 

Рис. 6.19 Рис. 6.20

 

Недостатком концентрических обмоток является необходимость изготовления катушек различных размеров. В двигателях малой мощности обычно используют так называемую шаблонную обмотку. Схема расположения катушек такой обмотки в пазах статора изображена на рис. 6.21. Расстояние между пазами, в которые уложены активные стороны катушек, одинаково, поэтому все катушки обмотки статора имеют одинаковые геометрические размеры и могут быть изготовлены по одному шаблону.

Для более равномерного распределения лобовых сторон катушек по статору можно использовать шаблонную обмотку «вразвалку». Схема такой обмотки двухполюсной машины при показана на рис. 6.22.

 

 

 

Рис. 6.21 Рис. 6.22

 

Распределение индукции в воздушном зазоре магнитного поля обмотки одной фазы ближе к синусоидальному в том случае, если используется цепная схема обмотки (рис. 6.23).

 

 

Рис. 6.23

 

В этом случае активные стороны катушек одной фазы располагаются не в соседних пазах как в предыдущих обмотках, а через паз, как это показано на рис. 6.24. Катушки такой обмотки имеют различные размеры. Однако двигатель с такой статорной обмоткой имеет лучшие электромеханические характеристики.

 

 

Рис. 6.24

 

Для улучшения электромеханических характеристик иногда используют двухслойные обмотки статора асинхронных двигателей (см. рис. 6.24). Использование в двухслойной обмотке секций с нормальным шагом не дает значительного улучшения характеристик двигателя. В двигателях малой мощности распространена двухслойная шаблонная обмотка с укороченным шагом.

Обмотка ротора асинхронных машин может быть выполнена двояко. Существуют асинхронные машины с фазным ротором и с короткозамкнутым ротором. У трехфазных асинхронных машин с фазным ротором обмотка ротора конструктивно выполнена по тем же правилам, что и обмотка статора. Обычно обмотка ротора соединяется «звездой» и выводы обмоток отпаяны на три контактных кольца, расположенные на оси ротора и позволяющие с помощью щеток подключить к роторной обмотке дополнительные устройства.

Наиболее надежными и дешевыми являются двигатели с короткозамкнутыми роторами. Как уже говорилось ранее, ротор представляет собой сплошной цилиндр, набранный из листов электротехнической стали, с пазами по образующей, предназначенными для укладки обмотки. Роторы двигателей помещаются в специальные формы и заливаются алюминием.

После заливки и последующей обработки обмотка ротора представляет собой два алюминиевых кольца, расположенных
по торцам магнитопровода и соединенных между собой алюминиевыми стержнями. Если рассматривать обмотку без сердечника
(без стали), то она напоминает беличье колесо.

6.6. Электродвижущие силы статорной
и роторной обмоток

Если во вращающееся магнитное поле поместить неподвижный виток обмотки, то на нем будет наводиться электродвижущая сила величиной

,

где - магнитный поток, сцепленный с витком. Среднее значение ЭДС, наводимой в витке в течение полупериода

.

Магнитный поток, сцепленный с одним витком, изменяется по синусоидальному закону.

Связь между средним и действующим значениями синусоидальной функции определяется коэффициентом формы . Для синусоидальной функции коэффициент формы .

Тогда действующее значение ЭДС, наводимой в одном витке статорной обмотки, или .

Для получения суммарной ЭДС обмотки статора, имеющей витков, необходимо учесть уменьшение ЭДС из-за геометрического расположения обмотки и из-за уменьшения ширины секций

,

где - коэффициент, учитывающий расположение секций обмотки в пазах статора.

Пока ротор остается неподвижным, его обмотка относительно вращающегося магнитного поля находится в тех же условиях, что и обмотка статора. Если поле делает оборотов в минуту и имеет пар полюсов, тогда частота ЭДС будет равна

и ЭДС неподвижного ротора определяется формулой

.

Поскольку в работающем двигателе ротор вращается в ту же сторону, что и магнитное поле, частота вращения поля относительно ротора определяется разностью частот вращения поля и рото-
ра . Следовательно, частота ЭДС ротора уменьшается до значения

.

Достаточно просто выразить частоту ЭДС ротора через частоту сети

.

Введем величину , которая выражает перемещение ротора относительно вращающегося магнитного поля и называется скольжением.

Таким образом, с учетом того, что и . Следовательно, ЭДС обмотки вращающегося ротора равна ЭДС обмотки неподвижного ротора, умноженной на скольжение. При неподвижном роторе и скольжение равно единице. При частоте вращения ротора, равной скорости магнитного поля, скольжение равно нулю.

Следует еще раз подчеркнуть, что частота тока обмотки ротора
не равняется частоте питающей сети. В двигателях, работающих в номинальном режиме, скольжение достаточно мало и составляет несколько процентов . Частота тока ротора при Гц составляет единицы Герц. Так при Гц.

В приведенных соотношениях и - частота тока статора
и ротора, и - количество витков фазных обмоток статора
и ротора, и - частота вращения магнитного поля и ротора,
а - скольжение.