электрические машины. Глава 6-10. Общие вопросы теории бесколлекторных машин

• Название: Общие вопросы теории бесколлекторных машин
• Анкор: электрические машины
• Дата: 19.09.2022
• Размер: 3.01 Mb.
• Имя файла: Глава 6-10.doc
• Тип: Документы; #684787
• страница: 4 из 7

Если половину катушечных групп каждой фазной обмотки соединить последовательно в

одну ветвь, а затем две ветви соединить параллельно, то получим последовательно –

параллельное (смешанное) соеди­нение катушечных групп с двумя параллельными ветвями в

фазной обмотке (а₁ = 2). Чтобы ЭДС параллельных ветвей были одинаковы, в каждую

параллельную ветвь включают катушечные группы через одну. Таким образом, в одной параллельной ветви оказываются все четные кату­шечные группы, а в другой — все нечетные (рис. 8.3, в).

Рис. 8.4. Развернутая схема трехфазной двухслойной обмотки

статора с укороченным шагом: Z₁ = 24; 2p = 4; y₁ = 5
Пример 8.1. Выполнить развернутую схему трехфазной двухслойной об­мотки с относительным укорочением шага р = 0,83 при следующих данных: 2р = 4, Z₁ = 24, соединение катушечных групп последовательное.

Решение. Число пазов на полюс и фазу по (7.10)

q₁ = Z₁/ (2pm) = 24/ (4 3) = 2

Пазовый угол по (7.13)

γ = З60р/ Z₁ = 360 • 2/24 = 30 эл. град.

Сдвиг между осями фаз (в пазах)

λ = 120/ γ =120/ 30 = 4.

Шаг обмотки по пазам

y₁ = βZ₁/ 2p = 0,83• 24/ 4 = 5

На рис. 8.4 изображена развернутая схема этой обмотки.
§ 8.2. Трехфазная двухслойная обмотка с дробным числом пазов на полюс и фазу

В мощных многополюсных синхронных генераторах (гидро­генераторах) (см. гл. 19) практически невозможно выполнить об­мотку статора с числом пазов на полюс и фазу q₁> 1, равным це­лому числу, так как для этого потребовалось бы иметь на статоре слишком большое число пазов Z₁ = 2pm₁q₁. В этом случае обмотку статора выполняют с дробным q₁. Такие обмотки имеют неко­торое преимущество перед обмотками с целым q₁, так как позво­ляют при небольших значениях q₁ получить ЭДС практически си­нусоидальной формы.

Обмотки статоров с дробным q₁ в двигателях переменного то­ка применяют главным образом при серийном производстве, когда для изготовления пластин сердечника статора двигателей с раз­личным числом полюсов используют один штамп. При этом одно из значений 2р дает q₁ ≠ ц. ч. (целое число).

Дробное значение q₁ может быть представлено в виде

q₁ =a + b/c = (ac + b)/c. (8.1)

При этом очевидно, что числа Ь, с и ас + b не имеют общего делителя.

С учетом (8.1) число пазов статора

Z₁ = 2pm₁q₁ = 2рm₁ (ас + b)/с . (8.2)

Если с не кратно m₁, то обмотка с дробным q₁ эквивалентна обмотке с целым q_1экв = ас + b. Так как q_1экв больше действитель­ного (дробного) q₁ в с раз [см. (8.1)], то и эквивалентное число пазов Z_1экв больше действительного Z₁ в с раз. Так, двухполюсная трехфазная обмотка статора с Z₁ = 9 имеет число пазов на полюс и фазу

q₁ = Z₁/ (2pm₁) = 9/ (2 • 3) = 1 ,

или, согласно (8.3),

q₁ = (ac + b)/ c = (2 + 1)/ 2 = 1 ,

где a = 1,с = 2, b = 1.

Для этой обмотки эквивалентные параметры будут

q_1экв = q₁c = 1 • 2 = 3; Z_1экв = Z₁c = 9 • 2 = 18

Изобразив зубцы эквивалентного статора с Z_1экв = 18 (рис. 8.5, а) и разбив их полюсные деления на фазные зоны, пронумеруем пазы реального статора (Z₁ = 9). Эти пазы расположатся между эквивалентными пазами. Из разметки пазов видно, что каждая фазная обмотка состоит

из двух катушечных групп, при этом одна группа состоит из двух катушек, а другая — из одной. Изобразив кату­шечные группы фазы А (рис. 8.5, б), соединяем их последователь­но (встречно) и обозначаем выводы этой фазной обмотки С1 и С4. Аналогично выполняем схемы фазных обмоток фаз В и С.


Рис. 8.5. Трехфазная обмотка статора с дробным q₁
В рассмотренном примере в обмотке с q₁ =1 каждая катушечная группа состоит из двух не равных по числу катушек частей: в одной части катушечной группы — одна катушка, а в другой — две катушки. Таким образом, в каждой катушечной группе имеет место чередование катушек, обозначаемое 1 — 2. Если дроб­ей часть q₁ отличается от 1/2, то чередование катушек в каждой катушечной группе будет другим [10].

Чередование катушек в катушечной группе подчиняется следующему правилу: количество цифр чередования равно знаменателю неправильной дроби с [см. (8.1)], а сумма этих цифр равна числителю неправильной дроби ас + b.
§ 8.3. Однослойные обмотки статора
Трехфазная обмотка. В однослойных обмотках каждая сто­рона катушки полностью заполняет паз сердечника статора (см. рис. 8.1, б). При этом число катушечных групп в каждой фазе рав­но числу пар полюсов, так что общее число катушечных групп в однослойной обмотке равно рm₁.

Однослойные обмотки статоров разделяют на концентриче­ские и шаблонные. В концентрической обмотке катушки каждой катушечной группы имеют разную ширину и располагаются концентрически. Шаги обмотки у катушек, входящих в катушечную группу, неодинаковы, но их среднее значение y_1cp = Z₁/ (2р).

Так, для трехфазной однослойной концентрической обмотки с Z₁ = 24; 2р = 4 имеем у_1ср=24/4 = 6 пазов; q₁ =Z_l/ (2pm₁) = 24/ (4 • 3) = 2. Следовательно, катушечная группа каждой фазной обмотки состоит из двух расположенных концентрически катушек. Шаги этих катушек: у₁₁ = 7 и у₁₂ = 5 . Развернутая схема этой обмотки (2р = 4; Z₁ = 24; q₁ = 2; у_1ср = 6) представлена на рис. 8.6, а.

Рис. 8.6. Трехфазная однослойная обмотка статора

с распо­ложением лобовых частей в двух плоскостях:

а — развернутая схема; б — расположение лобовых частей


Рассмотренную однослойную обмотку называют двухплоскостной, так как лобовые части катушек этой обмотки имеют paзный вылет и располагаются в двух плоскостях (рис. 8.6, б). Такая конструкция обмотки позволяет избежать пересечения лобовых частей катушек, принадлежащих разным фазам. При нечетном числе пар полюсов число групп лобовых частей будет также не­четным. В этом случае одну катушечную группу приходится де­лать переходного размера с двоякоизогнутой лобовой частью.

Применение различных по размеру катушек, образующих ка­тушечные группы, ведет к тому, что катушечные группы концен­трических обмоток имеют раз­ные электрические сопротивления. Это следует учитывать при определении размеров катушек катушечных групп, образующих фазную обмотку. Необходимо, чтобы все фазные обмотки име­ли одинаковое сопротивление, для чего они должны содержать одинаковое число различных по размерам

катушечных групп. Основное достоинство однослойных концентрических об­моток — возможность примене­ния станочной укладки. Этим объясняется широкое примене­ние этого типа обмотки статора в асинхронных двигателях мощностью до 18 кВт, произ­водство которых обычно имеет массовый характер.

Недостаток концентрических обмоток — наличие катушек различных размеров, что несколько усложняет ручное изготовление обмотки. Этот недостаток отсутствует в шаблонных однослойных обмотках, так как их катушки имеют одинаковые меры и могут изготовляться на общем шаблоне. Кроме того, все катушки таких обмоток имеют одинаковые сопротивления, а лобовые части получаются короче, чем в концентрических обмотках, что уменьшает расход меди.

В качестве примера рассмотрим шаблонную обмотку (рис. 8.7, а) двухполюсной машины

с тремя катушками в катушечной группе. Трапецеидальная форма секций облегчает расположение лобовых частей обмотки (рис. 8.7,6).

Основным недостатком всех типов однослойных обмоток является невозможность применения в них катушек с укороченным шагом, что необходимо для улучшения рабочих свойств машин переменного тока (см. § 7.2).

Однофазная обмотка. Эту обмотку статора выполняют аналогично одной фазе трехфазной

обмотки, с той лишь разницей,что катушки этой обмотки занимают 2/3 пазов сердечника статора. Такая конструкция обмотки делает ее наиболее экономичной, так как заполнение

Рис 8.7. Трехфазная однослойная шаблонная обмотка статора

оставшихся 1/3 пазов статора увеличило бы расход меди на изготовление обмотки в 1,5 раза, т. е. на 50 %, а ЭДС об­мотки возросла бы лишь на 15%.

Для однофазной обмотки (m₁ = 1), занимающей 2/3 пазов на статоре, форму­ла коэффициента распределения (см. § 7.3) имеет вид

k_pv = (8.3)

Рис. 8.8. Однофазная однослойная обмотка

ста­тора: 2p =2; Z₁ = 12; q₁ = 4
Для третьей гармоники ЭДС (υ = 3) числитель выражения (8.3) sin60° υ = sin 180° = 0 . Из этого следует, что в однофазной обмотке, занимающей 2/3 пазов на статоре, отсутствует третья гармоника ЭДС. На рис. 8.8 показана схема однофазной однослойной обмот­ки. Однофазные обмотки могут быть и двухслойными.
§ 8.4. Изоляция обмотки статора
Электрическая изоляция обмотки — наиболее ответственный элемент электрической машины, в значительной степени опреде­ляющий ее габариты, вес, стоимость и надежность.

Пазовые стороны обмотки статора рас­положены в пазах (рис. 8.9), которые мо­гут быть полузакры­тыми (а), полуоткры­тыми (б) и открытыми (в). Перед укладкой проводников 4 обмот­ки поверхность паза прикрывают пазовой (корпусной) изоляцией 2 в виде пазовой коро­бочки. Этот вид изо­ляции должен иметь не только достаточную необходимую


Рис. 8.9. Пазы статора
электрическую, но и механическую прочность, так как на него действуют значительные механические силы, возникающие в процессе paботы машины, а особенно в процессе укладки (уплотнения) проводников обмотки в пазах. В нижней части паза располагают прокладку 1.

Электрическая изоляция проводников друг от друга обеспечи­вается витковой изоляцией, в качестве которой в машинах напря­жением до 660 В используют изоляцию обмоточных проводов, а при напряжении 6000 В и выше эта изоляция требует усиления на каждом проводнике специальной витковой изоляцией. В двух­слойных обмотках между слоями укладывают прокладку 3. Паз закрывают клином 6, под который обычно также кладут изоляци­онную прокладку 5.

Способ изоляции паза и применяемые изоляционные материа­лы зависят от типа обмотки, ее рабочего напряжения и температу­ры перегрева. При выборе электроизоляционных материалов для изоляции паза необходимо, чтобы все материалы имели одинако­вую нагревостойкость.

Изоляционные материалы, применяемые в обмотках электри­ческих машин и трансформаторов, разделяют на пять классов нагревостойкости, отличающихся друг от друга предельно допустимой температурой нагрева:

Класс нагревостойкости изоляции……………….	А	Е	В	F	H
Предельно допустимая температура, °С ………	105	120	130	155	180
Расчетная рабочая тем- пература обмотки, °С..	75	75	75	115	115

Класс изоляции определяет также значение расчетной рабочей температуры при расчете активного сопротивления обмотки.

В последние годы для обмоток статоров при напряжении до 660 В преимущественно применяют провода с эмалевой изоляцией марок ПЭТВ и ПЭТ-155 круглого и прямоугольного сечений. Основным изоляционным материалом для обмоток статоров служат: в низковольтных машинах (до 660 В) — пленкосинтокартон, электронит, лакотканеслюдопласт, а в высоковольтных машинах (6000 В и выше) — стеклослюдопластовая лента, стеклотекстолит и т. п.

С целью улучшения использования габарита машины желательно, чтобы изоляция обмотки в пазах занимала меньше места.

Для оценки использования площади паза пользуются коэффициентом заполнения паза изолированными проводниками

k_n= N_п1 d_из² / S_п', (8.4)

где N_п1 — число проводников в пазе; d_из — диаметр изолированного проводника, мм; S'_n — площадь паза, занимаемая обмоткой (без учета клина), мм².

При использовании обмоточных проводов круглого сечения (пазы полузакрытые) для ручной укладки обмотки k_n = 0,70 ÷ 0,75,для машинной укладки на статорообмоточных станках k_п = 0,70 ÷ 0,72.В высоковольтных машинах пазы статора делают открытыми, так как только в этом случае можно обеспечить надежную пазовую изоляцию.
Контрольные вопросы
1.Начертите развернутую схему трехфазной двухслойной обмотки статора с последовательным соединением катушечных групп для одного из приведен­ных ниже вариантов:

Варианты	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Число полюсов 2р...	2	4	6	4	2	2	2	8	4	4
Число пазов Z1	24	24	36	36	18	36	30	48	48	30

2.Как изменится ЭДС обмотки с 2р = 6, если последовательное соединение ее катушечных групп изменить на параллельное? Начертите схемы этих соеди­нений.

3.Почему лобовые части однослойных концентрических обмоток располагают в нескольких плоскостях?

4.Каковы достоинства и недостатки двухслойных и однослойных обмоток ста­торов?

5.Почему однофазную обмотку статора укладывают в ²/₃ пазов?

6.Как разделяются электроизоляционные материалы по нагревостойкости?
Глава 9
• Магнитодвижущая сила обмоток статора
§ 9.1. Магнитодвижущая сила сосредоточенной обмотки
При анализе МДС обмоток будем исходить из следующего:

а) МДС обмоток переменного тока изменяется во времени и вместе с тем распределена по перимет­ру статора, т. е. МДС является функцией не только времени, но и пространства;

б) ток в обмотке статора синусоидален, а следо­вательно, и МДС обмотки является синусоидальной функцией времени;

в) воздушный зазор по периметру статора по­стоянен, т. е. сердечник ротора цилиндрический;

г) ток в обмотке ротора отсутствует, т. е. ротор не создает магнитного поля.

Рассмотрим двухполюсную машину переменного тока с сосредоточенной однофазной катушкой обмот­ки статора с шагом у₁ = τ (рис. 9.1, а). При прохожде­нии тока по этой обмотке возникает магнитный поток, который, замыкаясь в магнитопроводе, дважды пре­одолевает зазор σ между статором и ротором.

В связи с тем что обмотка статора сосредоточе­на в двух пазах, график МДС этой обмотки имеет вид двух прямоугольников: положительного и отри­цательного (рис. 9.1, б). Высота каждого из них F_к соответствует МДС, необходимой для проведения магнитного потока через один воздушный зазор σ , т. е.

F_k = 0,5 I_max ω_k = 0,5 I₁ ω_k (9.1)

где I₁ — действующее значение тока катушки.

Для сосредоточенной обмотки МДС можно раз­ложить в гармонический ряд, т. е. представить в ви­де суммы МДС, имеющих синусоидальное распре­деление в пространстве:

f(α) = F_k (cosα - cos3α + cos5α - ± cosυα ), (9.2)

где α —пространственный угол (рис. 9.1, б).

Из (9.2) следует, что МДС сосредоточенной обмотки стато­ра содержит основную и высшие нечетные гармоники, амплитуды которых обратно пропорциональны порядку гармоники υ.

Мгновенные значения любой гармоники МДС зависят от про­странственного положения ее ординат относительно начала отсче­та пространственного угла α (рис. 9.1, б). Эта зависимость у раз­ных гармоник различна, т. е. гармоники МДС имеют разную периодичность в пространстве, определяемую закономcos υα . Поэтому гармоники МДС называют пространственными.

Гармоники МДС имеют и временную зависимость, поскольку по катушке проходит переменный ток. Но временная зависимость у всех гармоник одинакова и определяется частотой тока в катушке. Следовательно, все пространственные гармоники пропорциональны sin ωt .

Рассмотренные нами в предыдущих главах гармонические составляющие тока и ЭДС называют временными гармониками. Временная периодичность у этих гармоник определяется номером гармоники (7.6).

Рис. 9.1. МДС однофазной сосредоточенной обмотки статора

Амплитуда первой пространственной гармоники МДС по (9.2)

F_k1= F_k = I₁ ω_k = 0,9 I₁ ω_k (9.3)

Амплитуда пространственной гармоники υ-гo порядка

F_kv = F_k1 / υ =0,9 I₁ ω_k / υ (9.4)

Зависимость МДС любой гармоники от времени и пространственного угла α определяется выражением

f_kv = ±F_kv sin ωt cos υa. (9.5)

С увеличением номера гармоники растет ее пространственная периодичность. Поэтому число полюсов пространственной гармо­ники МДС равно 2p_v = 2pυ.

Полезный магнитный поток в машине переменного тока создает основная гармоника МДС, а высшие пространственные гар­моники МДС обычно оказывают на машину вредное действие (действие высших гармоник МДС рассмотрено в последующих главах).
§ 9.2. Магнитодвижущая сила распределенной обмотки
На рис. 9.2, а показана катушечная группа обмотки статора, состоящая из трех катушек. График МДС основной гармоники каждой из этих катушек представляет собой синусоиду,

максимальное значение которой (F_к1) совпадает с осью соответствующей катушки, поэтому между векторами МДС катушек F_1k1, F_2k1 и F_3k1 имеется пространственный сдвиг на угол γ', равный пазовому углу смещения катушек обмотки относительно друг друга γ'.

График МДС основной гармоники всей катушечной группы представляет собой также

синусоиду, полученную сложением ординат синусоид МДС катушек, составляющих катушечную группу. Максимальное значение этого графика F_г1 совпадает с осью средней катушки.

Рис. 9.2. МДС основной гармоники

распределенной обмотки статора
Переходя к векторному изображению гармоник МДС, видим, что амплитуда МДС катушечной группы основной гармоники ⁽рис. 9.2, б) определяется геометрической суммой векторов амплитудных значений МДС катушек: F_r1 = F_1k1 + F_lk2 + F_1k3 , т. е. анало­гично определению ЭДС катушечной группы (см. рис. 7.7, б). Раз­ница состоит лишь в том, что векторы ЭДС катушек смещены от­носительно друг друга на γ - угол сдвига фаз этих ЭДС относительно друг друга (временной угол), а при сложении МДС угол γ' является пространственным углом смещения амплитуд­ных значений МДС катушек (γ' = γ ).

Если все катушки катушечной группы сосредоточить в двух пазах (γ' = 0), то результирующая МДС будет определяться арифметической суммой МДС катушек, т.е. F_r1 = F_k1 q₁.

Таким образом, распределение катушек в нескольких пазах ведет к уменьшению МДС катушечной группы, которое учитыва­ется коэффициентом распределения обмотки (см. § 7.3). Для МДС основной гармоники это уменьшение невелико, но для высших пространственных гармоник оно значительно.

Амплитуда пространственной гармоники катушечной группы распределенной обмотки

F_rv = F_kv q₁ k_pv = (0,9/v) I₁ω_k q₁ k_pv, (9.6)

где k_pv — коэффициент распределения.