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.

U. Виды пазов в электрических машинах.

Различают пазы статора — полузакрытые (рис. 82, а, б, в), полуоткрытые (рис. 82г), открытые (рис. 82д) и ротора — закрытые (рис. 82, е, ж, з) и полузакрытые (рис. 82, и—м).

Рис. 82. Форма пазов статора (а, б, в — полузакрытые,

г — полуоткрытые, д — открытые) и

ротора (е, ж, з — закрытые, и — м — полузакрытые)

Полузакрытые пазы статора применяют для расположения в них круглого провода и поэтому шлиц, выполняют небольшого размера, достаточного для заведения через него провода в паз. Зубцы изготовляют с параллельными стенками, чтобы магнитный поток, проходящий через них, имел одинаковую плотность по высоте зубца. При этом форма паза получается с непараллельными стенками, что допустимо, так как круглый провод хорошо заполняет пространство паза такой формы.

Полуоткрытые и открытые пазы служат для расположения в них прямоугольных проводов, поэтому пазы изготовляют с параллельными стенками. Если обмотку можно разделить по ширине на две полуобмотки и устанавливать их в паз поочередно, шлиц паза выполняют несколько большим, чем половина ширины паза; если обмотку приходится устанавливать в паз неразделенную, ширина шлица паза должна быть равной ширине паза. При полуоткрытых и открытых пазах зубцы имеют разную ширину по высоте, поэтому и магнитный поток, проходящий по ним, имеет различную плотность

Пазовая изоляция электродвигателей (27.05.2019 г.)

Во время изготовления различных технических устройств (включая электродвигатели) принимаются разнообразные меры, призванные предотвратить поражение человека током. Для этого нужно проверить каждый компонент устройства. Лучший способ решения проблемы — это пазовая изоляция электродвигателей. Это оптимальный вариант для того, чтобы не допустить нарушения изоляция даже в случае возникновения непредвиденной ситуации.

Основа пазовой изоляции — это специальные электроизоляционные материалы. Их можно изготовить в специальных условиях.

Особое внимание уделяется мощным электродвигателям, которые работают под высоким напряжением. Они смертельно опасны, поэтому так важно выполнить как можно более качественную изоляцию.

Особенности проведения пазовой изоляции электродвигателей

Для того, чтобы выполнить эту задачу, используются специальные изделия. Для начала нужно определить размер заготовки пазовой коробки. После того, как это будет сделано, необходимо сделать пробную заготовку. Затем нужно воспользоваться формовочным приспособлением. Оно требуется для придания пазовой коробке нужно формы. Выполнить эту задачу другими средствами не представляется возможным. После этого нужно усилить выступающие части коробочки. Когда эта задача будет выполнена, остаётся лишь сделать определённый размер вылета пазовой коробки.

Для того, чтобы получить более подробную информацию обо всех перечисленных операциях, необходимо ознакомиться со схемами изготовления пазовой коробки. Также в этом деле не обойтись без специальных инструментов, которые нужны для того, чтобы придать изделию определённую форму.

После этого остаётся лишь уложить пазовые коробочки в паз.

Как можно выполнить пазовую изоляцию?

• Для начала придётся нарезать полосы специального материала, предназначенного для электроизоляции. В качестве такого материала можно использовать как изофлекс, так и синтофлекс. Полосы любого из перечисленных материалов должны быть равны длине заготовки.

• После этого из полос можно сделать заготовки по ширине коробочки. Это сложный процесс, поэтому перед началом работ придётся обзавестись массой технических инструментов.

• Теперь можно придать заготовке форму. Для этого придётся воспользоваться формовочным приспособлением. Когда эта задача будет решена, останется лишь скомплектовать пазовые коробки.

Важно отметить, что размеры прокладок в пазу можно определить по габаритам статора электрического двигателя. Для того, чтобы недопустить каких-либо ошибок, рекомендуется изготовить несколько пробных прокладок.

Что нужно знать про пазовую изоляцию?

Выполнить пазовую изоляцию может только опытный специалист. Также для этого нужно обладать набором инструментов и специальных материалов, которые можно использовать для создания как можно более качественной изоляции.

Пазовая изоляция может быть как одинарной, так и тройной либо двойной. Если речь идёт об одинарной изоляции, то она может состоять всего лишь из одного слоя изоляционного материала (это может быть даже электрокартон). Двойную пазовую изоляцию могут выполнять из слоя электрокартона, а также слоя лакоткани. В случае с тройной пазовой изоляцией нужно добавить ещё один слой лакоткани. Этого должно быть достаточно, чтобы сделать изоляцию максимально надёжной и долговечной. В некоторых случаях нужно обмотать отдельные полукатушки.

Толщина электрокартона, а также лакоткани или синтокартона (ещё один материал, который можно использовать во время пазовой электроизоляции), гибкого миканита должна составлять не более 0.2 мм. В противном случае качество изоляции будет низким и могут возникнуть серьёзные проблемы.