Содержание
Предыдущий § Следующий

Глава двадцать первая ОБМОТКИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

§ 21-1. Трехфазные двухслойные обмотки с целым числом пазов на полюс и фазу

Общие сведения о трехфазных обмотках. Обмотки переменного тока подразделяются на однослойные и двухслойные.

В современных машинах переменного тока применяются преимущественно двухслойные обмотки.

В двухслойных обмотках, как и в якорных обмотках машин постоянного тока (см. гл. 3), стороны катушек лежат в пазах в два слоя и каждая катушка одной стороной лежит в верхнем, а другой стороной — в нижнем слое. При этом все катушки имеют одинаковые размеры и форму. Широкое применение двухслойных обмоток объясняется следующими их преимуществами: 1) возможностью укорочения шага на любое число зубцовых делений, что выгодно с точки зрения подавления высших гармоник э. д. с. и н. с. обмоток (см. § 20-3 и 22-1) и уменьшения расхода обмоточного провода; 2) одинаковыми размерами и формами всех катушек, что упрощает и облегчает изготовление обмоток; 3) относительно простой формой лобовых частей катушек (см. рис. 19-20), что также упрощает изготовление обмотки.

Как и якорные обмотки машин постоянного тока, двухслойные обмотки переменного тока делятся на петлевые и волновые, которые в электромагнитном отношении равноценны. Преимущественно

применяются петлевые обмотки. Волновые же обмотки используются обычно при числе витков в катушке w_K = 1.

В подавляющем большинстве случаев применяются трехфазные обмотки с фазной зоной а = 60°, и поэтому мы ограничимся рассмотрением этих обмоток. После изучения таких обмоток нетрудно составить также, если это потребуется, схемы обмоток с зоной а = 120°.

Обмотки могут иметь как целое, так и дробное число пазов на полюс и фазу q [(см. равенство 20-24)]. В последнем случае обмотки называются дробными.

Петлевые обмотки с целым числом пазов на полюс и фазу. В качестве примера рассмотрим обмотку с Z = 24 и 2р = 4. Тогда

Схема этой обмотки при последовательном соединении всех катушечных групп фазы изображена на рис. 21-1, причем для большей наглядности разные фазы показаны линиями разного характера. Порядок составления схемы рис. 21-1 можно пояснить следующим образом.

Сначала распределяем верхние стороны катушек (пазов) по фазным зонам по q — 2 стороны (пазов) в каждой зоне. Если пазы 1 н 2 отвести для зоны фазы А, то зоне фазы В нужно отвести пазы 5 и 6, так как фаза В должна быть сдвинута относительно фазы А на 120°, т. е. на две зоны по 60° или на 4 паза (1 +4 = 5; 2 + 4 = = 6). Зона С сдвинута относительно зоны В также на 120° и занимает пазы 5 + 4 = 9и6 + 4 = /0. На протяжении следующего двойного полюсного деления (пазы 13—24) чередование зон А, В и С происходит с такой же закономерностью (зона А — пазы 13, 14; зона В — лазы 17, 18; зона С — пазы 21, 22). Таким образом, распределена половина фазных зон и пазов верхнего слоя. Другие фазные зоны также распределяем по фазам Л, В, С и обозначаем их соответственно X, Y, Z. При этом для зон X, принадлежащих фазе Л, отводим пазы, которые сдвинуты относительно зон Л на т = 6 пазов, т, е, пазы 1+6-7, 2 + 6 = 5, 13 + 6 = 19, 14 + 6 = 20. Аналогично зонам У принадлежат пазы 5 + 6 = И, 6 + 6 = 12, 17 + 6 = 23, 18 + 6 = 24, а зонам Z — пазы 9 — 6 = 5, 10 — 6 = 4, 21 — 6 =

— 15, 22 — 6 = 16. Различие между зонами А, В, С и X, Y, Z состоит в том, что э. д. с. в соответствующих сторонах катушек (например, катушек зон А и X) сдвинуты по фазе на 180° вследствие их сдвига в магнитном поле на одно или нечетное число полюсных делений.

Рис. 21-1. Схема трехфазной двухслойной петлевой обмотки с Z — 24, m = 3, 2р = 4, q = 2, у = 5, Р = %

В результате получим распределение верхних сторон катушек (пазов) по фазным зонам, изображенное в верхнем ряду верхней части рис. 21-1.

Поскольку в рассматриваемом случае шаг укорочен на одно зубцовое деление, то нижние стороны катушек (пазов) будут сдвинуты на одно зубцовое деление влево, как это изображено в нижнем ряду верхней части рис. 21-1. Отметим, что распределение нижних сторон по зонам можно и не производить, так как оно

получится автоматически при вычерчивании лобовых соединений катушек.

Весьма важно отметить, что полученное на рис. 21-1 чередование фазных зон A, Z, В, X, С, Y с q пазами в каждой зоне, повторяющееся на протяжении каждого двойного полюсного деления, характерно для любой трехфазной обмотки с фазной зоной а = 60° и поэтому нет надобности производить каждый раз приведенные выше расчеты.

Распределение пазов по фазам можно произвести также на основании звезды пазовых э. д. с. обмотки (рис. 21-2).

Рис 21-2 Звезда пазовых э д с обмотки, изображенной на рис 21-1

Сдвиг э. д. с. проводников соседних пазов по фазе

В рассматриваемом случае у = 1807(3-2) = 30°, как изображено на рис. 21-2, а. После обхода векторов пазовых э. д. с. на протяжении двух полюсных делений (в нашем случае векторы 1—12) звезда векторов э. д. с. при целом q будет повторяться вследствие совпадения э. д. с. соответствующих пазов (/ и 1 + 12 = 13 и т. д.) по фазе. Если отвести первые два вектора (рис. 21-1) для зоны А (векторы /; 2 и 13, 14), то векторы зон В и С будут сдвинуты от векторов А на 120° и 240°. Векторы зон X, Y, Z будут сдвинуты относительно векторов зон А, В, С соответственно на 180°. В результате получим такое же распределение пазов по зонам, как показано в верхнем ряду на рис. 21-1.

На схеме рис. 21-1 для каждого паза начерчены два проводника (стороны катушки) Будем считать, что левые из них расположены

в верхних слоях, а правые — в нижних. Катушки будем нумеровать по верхним сторонам. Так как э. д. с. соседних катушек тоже сдвинуты на у = 30°, то звезду э. д. с. пазов (рис. 21-2) можно рассматривать и как звезду э. д. с. катушек.

В пределах каждой катушечной группы q = 2 катушки соединяются последовательно. Таким образом, для фазы А на рис. 21-1 получим четыре группы,

из катушек /—2, 7—8, а) 13—14 и 19—20. Все они соединены последовательно, причем группы 7—8 и 19—20 «вывернуты» по отношению к группам 1—2 и 13—14 (конец группы /—2 соединен с концом же группы 7—8 и т. д.), чтобы э. д. с. всех групп складывались друг с другом. Аналогично произведено соединение групп в других фазах.

Включение катушечных групп зон X, Y, Z в цепь обмотки во встречном направлении эквивалентно повороту векторов э. д. с. катушек этих зон на 180°. При этом вместо рис. 21-2, а получим диаграмму э. д. с. катушек, изображенную на рис. 21-2, б, состоящую из трех секторов, в каждом из которых имеется q = 2 луча и 2pq = 2 -2 -2 = 8

векторов соответственно числу катушек в фазе. Э. д. с. каждой фазы равна сумме векторов э. д. с. катушек соответствующего сектора. Очевидно, что э. д. с. всех фаз будут равны и сдвинуты по фазе на 120°.

В качестве начал фаз Л, В и С на рис. 21-1 взяты начала катушек 1, 5 и 9 со сдвигом на 120°. Концы фаз X, Y, Z на рис. 21-1 соответствуют началам катушек 19, 23 и 3. Начала и концы фаз можно взять также иначе. Например, на рис. 21-1 можно соединить концы фаз А и X, разрезать затем любое междугрупповое соединение фазы А и полученные концы взять за начала и концы фазы А.

А X

Рис. 21-3. Схемы соединений для фазы А обмотки, изображенной на рис. 21-1, при выполнении а = 2 и а = 4 параллельных ветвей

Число катушечных групп в каждой фазе двухслойной обмотки с фазной зоной а = 60° равно числу полюсов 2р. Э. д. с. всех групп равны по величине, а с учетом «вывертывания» катушечных групп X, Y, Z совпадают также по фазе. Поэтому в двухслойной обмотке с целым q можно выполнить до а = 2р совершенно равноценных параллельных ветвей, в которых индуктируются э. д. с, одинаковые по величине и совпадающие по фазе. Например, в рассматриваемом случае (2р = 4) обмотку можно выполнить с а = 1; 2 или 4 (рис. 21-3) параллельными ветвями. Стрелками на рис. 21-3 указаны направления токов параллельных ветвей.

Волновые обмотки с целым числом пазов на полюс и фазу. В мощных машинах переменного тока, в частности в крупных турбо-и гидрогенераторах, вследствие большого магнитного потока и большого количества катушек необходимое напряжение обмотки статора достигается при числе витков в катушке до_к = 1. В этом случае двухслойная обмотка имеет в каждом пазу только два проводника или стержня большого сечения, из которых образованы витки путем пайки в лобовых частях. Такие обмотки называются стержневыми и применяются также в качестве фазных обмоток роторов асинхронных двигателей средней и большой мощности. В последнем случае обмотка выполняется из массивных медных стержней, чем достигается лучшее использование площади паза за счет уменьшения объема изоляционных материалов в пазу. Возможность применения таких обмоток для роторов асинхронных двигателей облегчается тем, что эти обмотки не соединяются с сетью и поэтому не должны быть рассчитаны на стандартные напряжения. Кроме того, лобовые части стержневой обмотки являются более жесткими и не имеют междувитковой изоляции, вследствие чего их крепление против действия центробежных сил облегчается.

Стержневые обмотки можно выполнять как петлевыми, так и волновыми. Однако в большинстве случаев при 2р > 2 их делают волновыми, так как при этом за счет уменьшения соединений между катушечными группами (см. рис. 21-1) достигается экономия меди и уменьшение трудоемкости изготовления обмотки. Эта экономия особенно ощутима в многополюсных машинах, например в гидрогенераторах.

Схема трехфазной двухслойной стержневой волновой обмотки с теми же данными, что на рис. 21-1, изображена на рис. 21-4. Распределение пазов по фазным зонам производится аналогично, и это распределение такое же, как и на рис. 21-1, а звезда пазовых э. д. с. такая же, как на рис. 21-2. Для удобства обозрения схемы счет пазов на рис. 21-4 начат с отступлением от левого края, т. е. чертеж схемы обмотки как бы разрезан в другом месте по сравнению с рис. 21-1.

Начало фазы А на схеме рис. 21-4 взято из верхнего слоя паза 2. При обходе этой фазы от ее начала А обойдем виток 2, лежащий своей

верхней стороной в пазу 2, из конца витка 2 (нижний слой паза 7) перейдем в виток 14 а в конце этого витка (нижний слой паза 19) завершим полный обход вокруг якоря. При этом в общем случае будет- обойдено р (в данном случае р — 2) витков. Второй обход вокруг якоря начинается с соединения конца витка 14 с началом витка /. Это соединение короче (6 зубцовых делений), чем другие

Рис. 21-4. Схема трехфазной двухслойной волновой обмотки с 1 = 24, т = 3, 2р = 4, « = 2, у = 5, Р = %

соединения (например, соединение между катушками 2 и /4, имеющее 7 зубцовых делений). При втором обходе якоря пройдем еще р — 2 катушки (1-ю и 13-ю) и закончим этот обход выходом из нижней стороны паза 18 (конец 1к на рис. 3-4). В данном случае, при q = 2, этим заканчивается первый цикл обходов вокруг якоря. При q — 3 и 4 и т. д. этот цикл включает 3; 4 и т. д. обходов, причем будет использовано pq витков (катушек) обмотки (в данном случае 2-2 = 4 витка), т. е. половина всех 2pq витков (катушек) фазы.

Второй цикл обходов фазы А на схеме рис. 21-4 начат (конец 2н) из нижней стороны катушки 19 (нижняя сторона паза 24), при этом в данном случае все витки фазы соединены последовательно перемычкой 1к2н. Второй цикл обходов совершается в противоположном

направлении, причем q = 2 обхода охватывают катушки 20, 8, 19, 7 и заканчиваются концом фазы X. Аналогично выполнены соединения в фазах В и С. Независимо от числа полюсов обмотка будет иметь три перемычки, соединяющие циклы обходов в каждой фазе.

Таким образом, каждая фаза волновой обмотки состоит из двух половинок по pq катушек в каждой. Эти половинки можно соединить также параллельно, и, следовательно, волновая обмотка может иметь а = 2 удобно выполняемые параллельные ветви.

Укорочение шага в волновой обмотке в электромагнитном отношении дает такой же эффект, как и в петлевой обмотке. Э. д. с. и обмоточные коэффициенты обеих обмоток вычисляются по общим формулам (см. гл. 20).

Укорочение шага в волновой обмотке в отличие от петлевой обмотки не приводит к уменьшению расхода проводникового материала на лобовые соединения, так как при этом соединения с одной стороны машины укорачиваются, а с другой удлиняются. Волновые обмотки роторов асинхронных двигателей чаще всего выполняют с полным шагом (у = %), а начала А, В, С и концы X, Y, Z обмотки распределяют равномерно по окружности с целью облегчения балансировки (уравновешивания масс) ротора,

§ 21-2. Трехфазные двухслойные обмотки с дробным числом пазов на полюс и фазу

Общие положения. При производстве асинхронных двигателей на разные числа пар полюсов р в целях экономии на изготовлении штампов иногда используются одинаковые вырубки листов стали статора или ротора, с одинаковым числом пазов Z. Если при этом для одних двигателей число пазов на полюс и фазу

получается целым, то для других это число будет дробным, и в них применяются дробные обмотки. Дробные обмотки используются и в ряде других' случаев, например в мощных тихоходных гидрогенераторах, у которых полюсное деление т относительно мало, а пазы ввиду большого сечения проводников должны быть достаточно большими. При этом число пазов на полюс щ, а также q получаются малыми. В данном случае для улучшения формы кривой э. д. с. вместо целого, но малого q целесообразно взять хотя бы также малое, но дробное q. Благоприятная форма кривой э. д. с. дробной обмотки объясняется следующим. Как было выяснено в § 20-3, для гармоник магнитного поля порядка

коэффициенты укорочения шага k_yv и распределения k_pv равны значениям этих коэффициентов для основной гармоники й_у1 и А_р1, так как сдвиги э. д. с. по фазе от этих гармоник поля для проводников различных пазов одинаковы. Поэтому обмотка с целым q не подавляет гармоник э. д. с, индуктируемых такими гармониками поля возбуждения. Более того, под влиянием пазов эти гармоники э. Д. с, даже усиливаются.

При целом q значения v_z [см. выражение (21-3)] представляют собой нечетные целые числа и в кривой поля возбуждения содержатся гармоники поля таких же порядков. Для дробных обмоток значения \_г не будут целыми нечетными числами. Так, например, при q = 2*4 для трехфазной обмотки (пг = 3) получим v_z = 12¹/₅, 14V5> 25²/₅, 27²/₅ и т. д. Числа v_z будут целыми нечетными только при больших значениях k, и при этом они также будут большими. В случае дробной обмотки э. д. с. от гармоник поля v = 1 и v = v_z для проводников различных пазов также имеют одинаковый сдвиг фаз, как это следует из равенства (20-36). Поэтому при дробном q для гармоник порядка v_z имеем ky_Vkp_V — dz k_ylk_pl, и обмотка не подавляет э. д. с. от этих гармоник. Однако при дробном q поле возбуждения не содержит дробных гармоник v_z, определяемых равенством (21-3), и поэтому не возникает вопроса о подавлении э. д. с. от этих гармоник. В то же время для целых нечетных гармоник, содержащихся в поле возбуждения, сдвиг фаз между э. д. с. проводников соседних пазов для основной гармоники

р • 360' 180° ? =

и для гармоник v = 5, 7, И, 13, 17 соответственно y_v = 136⁴/ц, 190¹⁰/ц, 300, 354%!, 463⁷/ц°. Поэтому в контурах витков, катушек и катушечных групп векторы этих гармоник э. д. с. складываются под различными углами сдвига фаз, вследствие чего происходит подавление э. д. с. от высших гармоник поля возбуждения v = 5, 7, 11, 13, 17... В данном случае (q = 2¹/_ь) лишь при k = 5 формула (21-3) определяет гармоники порядков

v₂ = 2- 3-21/5-5+ 1=66 ± 1,

содержащиеся в поле возбуждения. Для этих гармоник k_yvk_pv = ± й_у1^_р1> но амплитуды этих гармоник поля весьма малы и индуктируемые ими э. д. с. незначительны.

Общие свойства дробных обмоток. Рассмотрим характерные особенности дробных обмоток.

Дробное число q можно представить в виде

где Ь, с и d — целые числа, с < d и eld является несократимой правильной дробью. Часть катушечных групп имеет по Ь катушек, а другая часть — по b + 1 катушек. При этом из каждых d групп катушек d — с групп должны иметь по Ь катушек, а с групп — по 6+1 катушек. Эти d групп содержат тогда

Таким образом, общее число катушек дробной обмотки должно быть всегда равно или кратно Ы + с, а общее число катушечных групп должно быть равно или кратко d, ибо в противном случае равенство (21-4) соблюдаться не будет. Ширина фазной зоны а = 60° при дробном q соблюдается только в среднем.

Каждая фаза двухслойной обмотки содержит 2р катушечных групп. Каждая из фаз по условиям симметрии должна иметь по одинаковому количеству малых (по b катушек) и больших (по Ь + 1 катушек) катушечных групп. Поэтому,

согласно сказанному, в каждой фазе должно быть (d—с) ■— малых не -J- больших

катушечных групп. Так как эти числа должны быть целыми и —-у— и -г представляют собой несократимые дроби, то очевидно, что

т. е. 2р должно быть кратно или равно d и d ^ 2р.

Можно показать, что для образования симметричной трехфазной обмотки наряду с соблюдением равенства (21-5) необходимо, чтобы

Минимальное число пазов

при котором возможно выполнение симметричной трехфазной обмотки, равно при нечетном d

Минимальное число полюсов для образования симметричной трехфазной обмотки 2р' равно при нечетном d

и тогда звезда э. д с. всей обмотки будет представлять собой t наложенных друг на друга звезд с г' лучами в каждой. В этом случае обмотка в целом состоит из' t одинаковых частей, из которых каждая занимает по окружности 2р' полюсов и охватывает Z' катушек. При этом Ложно образовать а= /одинаковых параллельных ветвей no/d катушечных групп с bd + с катушками в каждой ветви.

Схема симметричной дробной обмотки (рис. 21-5) может иметь ряд вариантов. Одним из них будет такой, который дает максимальную э д с Для этого большие и малые катушечные группы нужно распределить симметрично или равномерно по окружности. Такое распределение называется максимальным, и только оно рассматривается ниже.

Звезду пазовых э. д. с. дробной обмотки (рис. 21-6, а) можно рассматривать и как звезду э. д с катушек. Катушки фазных зон X, Y, Z, лежащие под противоположными полюсами по сравнению с катушками зон А, В, С, включаются в последовательную цепь обмотки встречно, чтобы э д с всех катушечных групп фазы складывались. Это соответствует повороту векторов э. д. с. катушек зон

X, Y, Z на 180°. При таком повороте этих векторов как при нечетном, так и при чешом d получим три одинаковых сектора векторов, и каждый сектор занимает угол 60° по

л> чей в каждом (рис. 3-6, б). Э. д. с. каждой фазы равна сумме векторов э. д. с. каждого сектора, и это указывает на то, что дробная обмотка по своему распределению по пазам эквивалентна обмогке с целым q, равным q_s [см. равенство (21-12)].

Рис. 21-5 Схема трехфазной двухслойной петлевой дробной обмотки с Z = 30, 2р = 8, q = 1%, а = 2, у = 3, р = 0,8

Поэтому <7_Э называется эквивалентным числом пазов дробной обмотки на полюс и фазу.

Из изложенного следует, что коэффициент распределения дробной обмотки kp для основной гармоники надо рассчитывать по той же формуле (20-23), как и для обмотки с целым q, но с подстановкой вместо q величины q_B. Можно показать, что и для всех гармоник целого порядка (v — 1, 3, 5, 7...) коэффициенты fe_pv нужно рассчитывать по формуле (20-28) с подстановкой -вместо q величины q₉.

В некоторых случаях в электрических машинах существуют также такие пространственные гармоники поля, для которых отношение полюсных делений

не выражается целым числом. Такие гармоники v можно назвать дробными. В частности, для дробных обмоток порядок зубцовых гармоник \_г, определяемый равенством (20-38), при d > 2 также является дробным.

Для дробных обмоток коэффициенты fe_pv при дроблых v вычисляются по формулам несколько более сложного вида, чем (20-28). Однако и для этих обмоток, как уже указывалось выше, для зубцовых гармоник v_z имеем &_pv = ± й_р1.

Коэффициенты укорочения шага fe_yv дробных обмоток вычисляются для всех гармоник по тем же формулам, как и для обмоток с целым q.

Рис. 21-6 Звезда пазовых э. д. с. обмотки, изображенной на рис. 21-5

Примеры дробных обмоток. Рассмотрим в качестве примера трехфазную двухслойную дробную обмотку с 1 — 30 и 1р — 8. При этом

Обмотку можно выполнить с a=2p: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:

В соответствии с таким распределением больших и малых катушечных групп по фазчым 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

Рис 21-7. Схема трехфазной двухслойной волновой дробной обмотки с Z = 30, 2р=8, q= V-U, о= 1, у=3, Р= 0,8

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.

На рис. 21-7 изображена схема стержневой волновой,дробной 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 Ь, либо b + 1 обходов вокруг якоря. Если d = 2, то ^в прямом направлении делается, например b + 1 обходов, а в обратном — b обхо-йов, 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 eld мала, то делается b обходов и в группах, содержащих 6+1 катушек, при последнем обходе с помощью перемычек совершаются возвратные переходы для включения в схему добавочных катушек больших катушеч-. ных групп (см. рис. 21-7). Если же дробь c/d близка к единице, то совершается Ь + 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-г- 3)°.

§ 21-3. Трехфазные однослойные обмотки

Концентрические однослойные обмотки (рис. 21-8) имеют катушечные группы, состоящие из концентрических катушек, причем количество групп в каждой фазе равно числу пар полюсов р. Фаз*

Рис. 21-8. Схема трехфазной двухплоскостной концентрической обмотки с Z = 24, 2р = 4, q = 2

бивка пазов по фазным зонам производится так же, как и при двух' слойной 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 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.

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

/ — сердечник якоря; 2 — нажимная плита сердечника; 3 — «короткие» и 4 — «длинные» катушечные группы

В некоторых случаях, например в двухполюсных машинах, q довольно велико (q = 6 -г- 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 и 21-11) с более короткими лобовыми частями.

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

Рис. 21-10. Схема трехфазной трехплоскостной концентрической обмотки с Z = 24, 2р = 2, q = 4

обмотке с полным шагом ({5 = 1). Ввиду этого у таких обмоток для всех гармоник э. д. с. коэффициенты укорочения шага k_yv = ±1,

вследствие чего подавления э. д. е; высших гармоник за счет укорочения шага не происходит. Это является одним из недостатков концентриче^ ских обмоток. Можно отметить, чт$ в электромагнитном отношении всякая однослойная обмотка имеет полный шаг, если ее фазные зоны сплошные,, т. е. не перемежаются с пазами дру-

Рис. 2Ы1 Расположение лобовых частей трехплоскостнои концентрической обмотки

гих фаз, и если зоны каждой фазы сдвинуты относительно друг друга на расстояние т.

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

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

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). 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.

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

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.

Цепная обмотка (рис. 21-16) отличается от шаблонной обмотки «в 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 ф = 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 прини-

Рис. 21-13. Катушка шаблонной обмотки

мать равным действительному шагу катушки. Исходя из этого значения у, необходимо вычислить р = у/г и затем по формулам (20-7) и (20-26) определить коэффициенты укорочения шага k_yv. Для вычисления й_р, 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 двух-

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

2р = 4, <7 = 2

слойной 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 А = 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 q₉ = 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 р"ис. 21-16 в электромагнитном отношении нужно считать за обмотку с q = 2, г/ = 9ир = 9/12 = 0,75.

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 образом, что ее лобовые части, соответствующие на рис. 21-16 коротким и длинным сторонам катушек, расположатся в двух раз-

Рис 21-15 Схема трехфазной шаблонной обмотки «в развалку» cZ.= 24,

2р = 2, q = 4

ных плоскостях, как показано на рис. 21-18. Обмотка с подобными лобовыми частями называется иногда в литературе эвольвентной, 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, начи-

Рис. 21-16. Схема трехфазной цепной обмотки с Z = 24, 1р = 2, q = 4,

У=9

нают применять также в гидрогенераторах с внутренним водяным охлаждением обмотки, так как при этом в связи

Рис. 21-17. Лобовые части цепной обмотки

Рис. 21-18. Лобовые части эваль-вентной обмотки

^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 а = 120°, т. е. с заполнением ²/₃ пазов. Такую обмотку получим, если в трехфазной обмотке с зоной а = 60° исключим одну фазу, а концы оставшихся фаз соединим вместе (рис. 21-19). Например, 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 а = 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.

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

В двухфазных обмотках в отличие от одно-фазных с зоной 120° необходимо также счи* таться с э. д. с, индуктируемой третьей пространственной гармо никой поля. Эту э. д. с. можно уничтожить, если укоротить iuaj на ¹/₃ т, так как при этом

Рис 21-19 Образование однофазной обмотки с фазной зоной а = 120° из двух фаз трехфазной обмотки с фазной зоной а = 60°

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 случает имеет ZIt лучей, где t — общий наиболь-

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

У = 3, Р = %

ший делитель чисел Z и р. Поэтому в физическом отношении следует считать, что такая обмотка имеет m = ZIt 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 у по формуле (21-14). При расчете э. д. с. беличьей клетки по формулам гл. 20 следует принять, что w = V₂ (один проводник или полвитка в фазе) и для всех гармоник k_yv — k_pV = 1.

Согласно схеме электрических цепей беличьей клетки (рис. 21-22, а), 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 определен» ным сопротивлением

2_К = г_к + jx_K, которое соизмеримо с сопротивлением стержня

Поэтому соединение в звезду фактически соЁершается не накоротко,

а через сопротивления Z_K.

В связи с этим целесо- ф hit Л« -Си;

образно привести реальную __

схему цепей (рис. 21-22, а) к эдвивалентной (рис. 21-22, б), в которой участки колец лишены сопро-

Рис. 21-21. Диаграмма

э. д. с. и токов стержней

беличьей клетки при

Z = 18 и 2/J = 4

Рис. 21-22. Схемы электрических цепей беличьей клетки: а — реальная; б — эквивалентная

тивлений, а сопротивления стержней соответствующим образов увеличены.

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

Этим соотношениям соответствует диаграмма рис. 21-23, откуда /_CT = 2/_Ksin-|- = 2/

Электрические потери в реальной и эквивалентной клетках должны быть равны:                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                .

1т

Если Zip > 6, то синус можно заменить аргументом и

Рис. 21-23. Соотношения между токами стержней и участков колец беличьей клетки

Величина г 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„ и дс_к. Сопротивление рассеяния фазы х определяется по формулам (21-16) и (21-17) при замене в них г на х.

§ 21-5. Выполнение обмоток переменного тока

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

Полузакрытые пазы обычно применяются для обмоток статоров машин мощностью до 100 mm (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 / = 5,0 -г- 6,5 а/мм², а при Р_н < 0,6 кет и больше. Полуоткрытые пазы применяются для машин большой мощности (до 300—400 кет при 1500 об/мин) при напряжениях до 650 е. 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 / = 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 ука-' зано 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, гети-наксовые или стеклотекстолитовые клинья.

Лобовые части фазных роторных обмоток опираются на обмотко-держатели 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 приме-' няются (рис. 21-25) бандажные кольца / из стали, дюралюминия или

Рис 21-24 Полузакрытые (а), полуоткрытые (б) и открытые (в) пазы статоров машин переменного тока

бронзы, к которым во избежание их смещения привязывают лобовые части. В крупных машинах эти кольца крепятся к нажимным плитам 2 с помощью приваренных к кольцам стальных полосок 3 (рис. 21-25, а) или кронштейнов 4 (рис. 21-25, б).

Из обмоток крупных машин с целью устройства релейной защиты выводятся все шесть концов (начала и концы фаз), а во многих случаях также концы отдельных параллельных ветвей. Начало и конец первой фазы обмотки маркируются Cl, C4, второй фазы — С2, С5 и третьей фазы — СЗ, Сб.

Как уже указывалось в § 20-3, на практике предпочитают соединение трехфазных обмоток в звезду. Однако асинхронные двигатели малой мощности для большей универсальности их применения в сетях с различными напряжениями обычно изготовляются на два напряжения, отличающихся друг от друга в j/З раза (220 и 380 s или 380 и 650 в). При большем напряжении обмотка статора этих двигателей соединяется в звезду, а при меньшем — в треугольник (рис. 21-6). В сверхмощных машинах на лобовые части действуют весьма большие усилия, и необходимы еще более совершенные крепления обмоток.

В мощных машинах токи велики (многие сотни и тысячи ампер) и сечение витков обмотки статора, даже при устройстве в обмотке параллельных ветвей, получается настолько большим, что изготовление их из массивных проводников ввиду сильного поверхностного эффекта и связанного с этим увеличения потерь недопустимо.

Поверхностный эффект возникает вследствие того, что проводник с током в пазу создает вокруг себя так называемый поток рассеяния (рис. 21-27), который сцепляется с нижней частью проводника в большей степени, чем с верхней. Вследствие этого э. д. с. самоиндукции, индуктируемая этим потоком, в нижней части проводника также больше, чем в верхней, и плотность тока / в верхней части проводника больше, т. е. ток вытесняется к верхней части проводника. Подобное же вытеснение тока происходит и тогда, когда в пазу имеются два или несколько проводников большого сечения.

Для достижения практически равномерного распределения тока проводник большого сечения необходимо подразделить на ряд

Рис 21-25 Крепление лобовых частей обмотки статора

элементарных изолированных параллельных проводников достаточно малого сечения (до 15 мм²), которые нужно переплести (транспонировать) так, чтобы каждый проводник занимал на протяжении длины паза поочередно все положения по высоте такого составного проводника. Принцип выполнения одного из наиболее совершенных видов транспозиции, применяемой для стержней обмотки статора

Рис 21 26 Клеммная доска асинхронного двигателя с шестью выведенными концами

Рис 21-27 Вытеснение тока в проводнике, расположенном в пазу

в мощных турбо- и гидрогенераторах, показан на рис. 21-28. Элементарные проводники стержня в этом случае расположены по ши* рине паза в два ряда, и через определенные промежутки по длине стержня они поочередно переходят из одного ряда в другой: сверху

Рис 21-28 Транспозиция элементарных проводников

в одном направлении, а снизу — в обратном. Такую транспозицию обычно достаточно выполнить только в пазовой части проводника» однако в весьма мощных машинах транспозиция вьшолняется также в лобовых частях обмотки.

Стержни фазных роторов асинхронных машин делаются всегда массивными, и поэтому для крупных машин необходимо считаться с наличием достаточно сильного поверхностного эффекта в роторе при пуске (/ =р 50 гц).

В высоковольтных обмотках (при 11 _я „ > 6 кв) нередко наблю» дается явление электрической короны, вызванное большими на-пряженностями электрического поля вблизи поверхностей иэоля-

ции катушек. При короне воздух ионизируется, образуется озон, который является активным окислительным элементом и вызывает окисление азота. Ввиду наличия влаги образуются азотистая и азотная кислоты, которые разрушают изоляцию. Для предотвращения появления короны поверхность изоляции покрывается слоем полупроводящего лака, который вызывает перераспределение электрического поля. Этот лак содержит обычно сажу.

Содержание
Предыдущий § Следующий