Обмотки электрических машин

Обмотки — это контуры, в которых протекают токи, создающие магнитное поле машины.

Конструктивные выполнения обмоток весьма разнообразны — от массивных ферромагнитных и немагнитных цилиндров до сложных многофазных обмоток крупных электрических машин переменного и постоянного тока. Обмотки электрической машины — одна из главных частей машины, и от того, как они спроектированы, зависят основные энергетические и массогабаритные характеристики.

Обмотки электрических машин выполняются однофазными, двухфазными, трехфазными и многофазными.

В электрических машинах, как правило, применяются симметричные обмотки. Для трехфазных симметричных обмоток необходимо выполнить следующие условия. Все три фазы обмотки должны находиться в одинаковых условиях. Во всех трех фазах должны наводиться одинаковые ЭДС. Электродвижущие силы фаз должны быть сдвинуты на 120° При выполнении обмоток необходимо обеспечить механическую и электрическую прочность, достаточную нагревостойкость, технологичность изготовления и удобство ремонта. Обмотки должны иметь минимальную массу. Они должны надежно работать при наилучших энергетических показателях машины.

По характеру потокосцеплений витков обмотки можно разделить на сосредоточенные

и распределенные.

В сосредоточенных обмотках практически все витки имеют одинаковые потокосцепления с полем взаимной индукции. К сосредоточенным обмоткам относятся обмотки трансформаторов, обмотки возбуждения явнополюсных синхронных машин и машин постоянного тока (см. рисунок 1.49, а).

В распределенных обмотках в каждый момент времени из-за различного расположения витков в магнитном поле потокосцепления витков обмотки различны (см. рисунок 1.51). К распределенным обмоткам относятся обмотки якорей машин переменного и постоянного тока, обмотки роторов асинхронных машин, компенсационные и специальные обмотки.

Сосредоточенные или катушечные обмотки выполняются из круглого или прямоугольного провода при намотке витков плашмя или на ребро. Разновидности сосредоточенных обмоток возбуждения и трансформаторов рассматриваются в соответствующих разделах курса.

При выполнении обмоток необходимо представлять, как элементы обмотки располагаются в магнитном поле машины и как секции обмотки соединены между собой. Схема обмоток изображается на плоскости и представляет собой разрезанную вдоль оси машины цилиндрическую поверхность реальной машины, на которой в пазах выполняется реальная обмотка. Геометрические размеры схемы — развертки обмотки — не имеют значения, а важно относительное расположение сторон секций относительно друг друга и полюсов машины.

Распределенные обмотки можно разделить на простые и сложные. Сложные обмотки состоят из двух или трех простых обмоток.

Простые обмотки делятся на однослойные и двухслойные. Обмотка делится на секции. Секции в свою очередь состоят из витков. На рисунке 1.60 секции выполнены из одного витка. Секции обмотки имеют две стороны. В двухслойных обмотках одна сторона секции лежит в нижней части паза, а другая — в верхней. Чтобы одна часть секции лежала в нижней части паза, а другая — в верхней, лобовые части обмотки специально профилируются (рисунок 1.61). Лобовые части обмоток отгибаются в радиальном направлении.

Рисунок 1.60. Секции двухслойной обмотки: а — петлевая; б — волновая

Рисунок 1.61 Лобовые части двухслойной обмотки

Рис. 1.62. Лобовые части однослойной обмотки: а — двухплоскостной; б — трехплоскостной

Однослойные обмотки по размещению лобовых частей делятся на концентрические, в которых лобовые части секций охватывают друг друга, и двух- и трехплоскостные, в которых лобовые части располагаются в двух или трех плоскостях (рисунок 1.62, а, б). На рисунке 1.63 представлена схема- развертка трехфазной однослойной двухплоскостной обмотки для 2р=4, q=5, Z=2∙m∙p∙q=24. Двух- и трехплоскостные однослойные обмотки нетехнологичны, так как имеют различные по форме секции.

Шаблонные или равносекционные обмотки применяются в статорных обмотках машин мощностью до 10 кВт. Эти обмотки имеют мягкие одинаковые секции. Простая трехфазная шаблонная обмотка для 2р=2, q=3, Z=2∙m∙p∙q =18 показана на рисунке 1.64. Секция шаблонной обмотки представлена на рисунке 1.65. Обычно такие секции состоят из нескольких витков или десятков витков.

Существуют разновидности шаблонной обмотки — ЦЕПНЫЕ обмотки, позволяющие получить более компактные лобовые части. Перед укладкой обмотки в пазы секции наматываются на шаблоны. После укладки и формовки лобовых частей обмотки пропитываются лаками и запекаются.

Рис. 1.63. Трехфазная однослойная двухплоскостная обмотка (m=3. 2р=4, q=5, Z=2∙m∙p∙q=24)

Рисунок 1.64. Трехфазная шаблонная обмотка (m=3, 2р=2, q=3, Z=2∙m∙p∙q =18)

Рисунок 1.65. Катушка шаблонной обмотки перед укладкой в пазы

Принцип образования двухслойных обмоток проще представить, если начать рассмотрение с кольцевой граммовской обмотки машины постоянного тока (рисунок 1.66) и трехфазной обмотки обращенной синхронной машины (рисунок 1.67). Кольцевая обмотка представляет собой намотанную на тороид замкнутую обмотку. Если поставить между полюсами щетки так, чтобы они скользили по неизолированным частям обмотки или по специально выполненной для осуществления контакта части машины — коллектору, то со щеток можно снять постоянный ток (рисунок 1.66).

Рисунок 1.66, Схема кольцевой граммовской обмотки

Рисунок 1.67. Получение многофазного переменного напряжения

Чтобы получить трехфазное переменное напряжение, надо от кольцевой обмотки вывести на кольца напряжения от трех точек, отстоящих друг от друга на электрический угол, равный 120° (рисунок 1.67).

На рисунке 1.67 показана кольцевая обмотка, состоящая из 12 витков или 12 секций. Секция состоит из одного витка, но она может иметь и несколько витков.

Двенадцатисекционная кольцевая обмотка дает возможность получить двенадцатифазную систему напряжений, если каждую секцию вывести на кольца. Таким образом, число фаз зависит от выполнения обмотки и числа отпаек от нее. Понятие фазы напряжения или числа фаз обмотки связано с электрическим углом между векторами фазных напряжений или пространственным углом между фазами обмотки в двухполюсной машине. С одной и той же обмотки можно получить многофазное или трехфазное напряжение, а при наличии коллектора и щеток— постоянное напряжение.

На кольцевой обмотке хорошо видно наличие двух параллельных ветвей обмотки якоря (рисунок 1.66). В симметричных обмотках при равенстве ЭДС в параллельных

ветвях

å e = e 1+ e 2=0.

В кольцевой обмотке ЭДС наводится только в частях обмотки, лежащих на внешней поверхности тороида, т. е. в частях, пересекающих силовые линии магнитного поля. Чтобы улучшить использование материала обмотки, надо увеличить активную длину витка (часть, в которой наводится ЭДС). Для этого необходимо часть витков граммовской обмотки, расположенных на внутренней части тороида, вынести на внешнюю часть.

Рисунок 1.68. Кольцевые (а) и барабанные (б) обмотки

Рисунок 1.69. Принципиальная схема двухслойной обмотки по рис. 1.58, б

Принцип образования так называемых барабанных обмоток, в которых обе части витков расположены на внешней части якоря, показан на рисунке 1.68. Чтобы не загромождать рисунок и не затруднять анализ схемы обмотки, на рисунке 1.68, б дано расположение лишь части секций обмотки. Барабанные обмотки — двухслойные, причем одна сторона секции в таких обмотках лежит на дне паза, а другая — в верхней части. Чередование секций в пазах барабанной обмотки хорошо вид но на принципиальной схеме обмотки (рисунок 1.69). На этой схеме показано расположение секций в верхней (сплошная линия) и нижней (штриховая линия) частях паза.

В граммовской обмотке щетки устанавливаются между полюсами, а в барабанных обмотках — под серединой полюса, так как секции обмотки имеют отгиб лобовой

части в тангенциальном направлении (рисунок 1.60). Несмотря на различное расположение щеток при вращении коммутация, т. е. переход секции из одной параллельной ветви в другую, в обоих типах обмоток происходит в зоне, расположенной между полюсами.

Барабанные и кольцевые обмотки принципиально не отличаются друг от друра. Отличия лишь технологические. Поэтому изучение обмоток полезно вести, обращаясь к тем и другим обмоткам.

Как следует из рисунков 1.66 и 1.67, обмотки переменного и постоянного тока в сущности не отличаются друг от друга. С одной и той же кольцевой обмотки при наличии коллектора снимается постоянный ток, а кольца и щетки дают возможность получить переменный ток.

На рисунке 1.70 дана схема двухполюсной обмотки постоянного тока с числом пазов Z=12 и числом коллекторных пластин К= 12. Число секций петлевой обмотки 24. На рисунке 1.61 представлена схема трехфазной двухслойной обмотки, выполненной для тех же чисел пар полюсов и зубцов, что и обмотка постоянного тока.

Рисунок 1.70. Обмотка постоянного тока (2р=2, Z=12, К= 12)

Рисунок 1.71. Трехфазная петлевая обмотка (2 р = 2, q=2, Z=12)

Двухслойные обмотки применяются чаще однослойных. Двухслойные обмотки дают возможность выбора более благоприятного шага, они более дешевы вследствие уменьшения расхода меди и изоляции и лучше допускают механизацию изготовления. В машинах постоянного тока с коллектором однослойные обмотки не применяются.

Двухслойные обмотки делятся на петлевые и волновые.

Обмотки электрических машин характеризуются шагом обмотки. Различают результирующий шаг обмотки у— расстояние между двумя последовательно соединеннымисекциями— и частичные шаги у1 и y2, которыеопределяютсоответственно расстояние между началом и концом секции и концом первой и началом соседней секции. Обычно шаги обмотки измеряются по отношению к полюсному делению или числом пазов.

Рисунок 1.72. Секции петлевой обмотки

Нарис.1.62показанэлементсхемыпетлевойобмотки.Здесьу1 — первый частичный шаг — расстояние между началом и концом секции, y2 — второй частичный шаг — расстояние между концом первой и началом второй секции. На схемах обмоток половина секции, лежащая в верхней части паза, изображается сплошной линией, а часть секции, лежащая в нижнем слое обмотки, — штриховой линией.

В петлевых обмотках результирующий шаг y равен разности частичных шагов:

y = y 1 - y 2

В простых петлевых обмотках y = 1.

(1.57)

В волновых обмотках (рисунок 1.73) результирующий шаг равен сумме частичных шагов:

y = y 1 + y 2

(1.58)

Если в двухслойных обмотках шаг секции равен полюсному делению, то такие обмотки называются обмотками с диаметральным шагом.

Для экономии меди и улучшения формы поля в воздушном зазоре двухслойные

обмотки выполняют с укороченным шагом,

y < t. При

y» t достигается экономия

меди, а уменьшение основной гармоники ЭДС по сравнению с ЭДС обмотки с диаметральным шагом составляет всего несколько процентов.

На рисунке 1.71. представлена схема трехфазной двухслойной петлевой обмотки с

диаметральным шагом для m = 3, 2р=2, q=2, y=1,

y 1 = t,Z=2∙m∙p∙q= 12.

Трехфазная петлевая обмотка с укороченным шагом y=5/6 t, для тех же чисел

полюсов (2р=2) и числа пазов на полюс и фазу (q=2) показана на рисунке 1.74. По распределению фазных зон обмотки с укороченным шагом видно, что фазные зоны нижнегослоясмещаютсяотносительнозонверхнегослояна t - y 1.

Рисунок 1.73. Секции волновой обмотки

Рисунок 1.74. Трехфазная петлевая обмотка (2р=2, 2а=2, q=2,

y»0.8× t =5, Z=12)

При протекании трехфазных переменных токов по секциям обмотки мгновенные значения токов в трехфазных зонах обмоток с диаметральным и укороченным шагом совпадают и образуется вращающееся поле.

В рассмотренных схемах петлевых обмоток число параллельных ветвей a=p. При p=1 а=1. При 2р=4 петлевые обмотки дают возможность получить две параллельные ветви, в шестиполюсных машинах число параллельных ветвей три и т. д. Из условий коммутации и технологии изготовления ток в параллельной ветви обмотки не выбирается больше 400 А. Поэтому в крупных машинах необходимо иметь число параллельных ветвей больше единицы.

На рисунке 1.75 показана трехфазная петлевая обмотка для m=3, 2р=4, 2а=2, q=2,

y»0.8× t =5, Z=24.

Рисунок 1.75. Трехфазная петлевая обмотка m=3, 2р=4, 2а=2, q=2,

y»0.8× t =5, Z=24)

Рисунок 1.76. Схема волновой Обмотки (m=3, 2р=4, q=2, Z=24)

В многополюсных машинах переменного тока петлевые обмотки имеют большое число соединений, что увеличивает расход меди и усложняет технологию изготовления обмоток. Если число параллельных ветвей можно выбрать равным одной или двум, целесообразно выбрать волновую обмотку. Преимущество волновых обмоток перед петлевыми состоит в том, что сами лобовые части волновой обмотки являются межкатушечными соединениями (см. рисунок 1.73).

На рисунке 1.76 дана схема двухслойной волновой обмотки для 2р=4, q=2, Z=24.

В машинах переменного тока волновая обмотка с целым q для большинства секций выполняется с результирующим шагом, равным двойному полюсному делению, и только в последней секции делается искусственно укороченный переход, так чтобы ее можно было соединить с секцией, лежащей рядом с исходной. Обычно для упрощения технологии изготовления обмоток применяют секции с одинаковым шагом, а укорочение достигается за счет перемычки — перехода в лобовых частях обмотки (рисунок 1.76).

Выполнение обмоток якорей машин постоянного тока принципиально не отличается от двухслойных обмоток переменного тока. Однако наличие механического преобразователя частоты— коллектора — вносит некоторые особенности в технологию изготовления обмоток.

Для улучшения коммутации стремятся уменьшить число витков в секции. Для этого увеличивают число коллекторных пластин. Чтобы не делать мелкие пазы, в один паз укладывают в два слоя не одну, а две или три секции. При составлении схем обмоток пользуютсяпонятиемчислаэффективныхпазовZэ.ПриэтомZэ =S=K, гдеS — число секций обмоток; К — число коллекторных пластин. Для упрощения технологии намотки катушки ее выполняют секционной (из одной, двух или трех секций).

Обмотки машин постоянного тока также делятся на петлевые и волновые, на простые и сложные. Сложные обмотки состоят из двух или трех простых петлевых или волновых обмоток.

В простых петлевых обмотках машин постоянного тока 2а=2р. В волновых обмотках, независимо от числа полюсов 2а=2.

Схемапростойпетлевойобмоткидля 2р= 2, у= 1, у1 =6показанапарисунке1.70.В петлевых обмотках число параллельных ветвей 2а=2р. Секции обмотки выведены на

коллектор. Число коллекторных пластин равно числу секции и числу эффективных пазов.

Наличие параллельных ветвей в многополюсных машинах хорошо видно из схемы граммовской обмотки (рисунок 1.77), Здесь четыре полюса, четыре щетки и четыре параллельные ветви в обмотке якоря.

Внутри замкнутой симметричной обмотки якоря в симметричной машине уравнительные токи отсутствуют, так как ЭДС в параллельных ветвях равны и

направлены встречно. Из-за несимметрии воздушного зазора

e 1 ¹ e 2 (см.рисунок1.76)

и å e ¹ 0. Если

å e ¹ 0, то ЭДС параллельных ветвей будут различными и

возникнут уравнительные токи. Уравнительные токи замыкаются внутри обмотки якоря через одноименные щетки и ухудшают коммутацию. Чтобы разгрузить щетки от уравнительных токов, выполняют уравнительные соединения У (рисунок 1.77), которые соединяют теоретически равнопотенциальные точки обмотки. Волновые обмотки не требуют уравнительных соединений, так как их лобовые части соединяют равнопотенциальные точки.

Рисунок 1.77. Кольцевая четырехполюсная обмотка: У—уравнительные соединения

Обмотки машин переменного и постоянного тока более подробно рассматриваются в соответствующих главах книги.