Обмотки асинхронных машин

Вращающееся поле в асинхронных машинах, как правило, создается обмоткой статора, которая подключается к сети. Большинство асинхронных машин имеет трехфазные симметричные обмотки, принцип построения которых рассмотрен в параграфах 1.9, 1.10.

Обмотки статора и фазные обмотки ротора асинхронных машин выполняются однои двухслойными (см. рис. 1.47— 1.53). В зависимости от мощности и напряжения применяются петлевые (см. рис. 1.61) и волновые (см. рис. 1.62) обмотки.

Статорные обмотки асинхронных двигателей серии 4А выполняются только петлевыми. Применяются всыпные обмотки с мягкими катушками и обмотки с жесткими катушками.

Рис. 3.8. Процесс укладки мягких секций в пазы.

Всыпиые обмотки применяются в низковольтных машинах до 100 кВт. Мягкие катушки перед укладкой в пазы наматываются па шаблоне из круглого медного или алюминиевого провода. После опрессовки и получения определенной формы секции укладываются в пазы, в которые помещается пазовая изоляция 1 (рис. 3.8, а). Затем вводятся в паз проводники обмотки и укладывается изоляционная прокладка между верхним и нижним слоями обмотки 2 (рис. 3.8, б, в). После заполнения паза обмотка в пазу закрепляется клином 3 (рис. 3.8, г).

После укладки катушек в пазы производятся формовка лобовых частей и их бандажирование. Далее статор вместе с обмоткой подвергается пропитке.

Жесткие катушки изготовляются из прямоугольного изолированного провода (см. рис. 1.50 и 1.51). Корпусная и межфазовая изоляции частично выполняются вместе с катушками, которые компаундируются или пропитываются до укладки в пазы. Затем катушки помещаются в полуоткрытые или открытые пазы, которые имеют пазовую изоляцию. Уложенные в пазы катушки соединяют между собой и окончательно пропитывают.

Обмотки с жесткими секциями обеспечивают больший коэффициент заполнения паза, они более надежны. При применении жестких обмоток пазы прямоугольные, а зубцы имеют трапецеидальную форму. Обмотки с жесткими секциями применяются в машинах мощностью свыше 100 кВт.

Механизация обмоточных работ — один из основных путей снижения трудоемкости изготовления электрических машин. В последние годы на электромашиностроительных заводах широко применяются статорообмоточные станки. В большинстве статорообмоточных станков применяется концентрическая обмотка с одновременной укладкой обеих сторон секций в пазы. Применение всыпных обмоток обеспечивает полную механизацию изготовления обмоток. Поэтому обмотки с мягкими секциями применяются при изготовлении асинхронных машин наиболее массового выпуска. Такими машинами являются двигатели серии 5А мощностью до 100 кВт [ 111.

Обмотки с мягкими секциями имеют меньший вылет лобовых частей, трапецеидальные пазы обеспечивают лучшее использование зубцовой зоны за счет зубцов равномерного сечения. К недостаткам обмоток с мягкими секциями следует отнести их меньшую надежность по сравнению с обмотками с жесткими секциями.

При изготовлении асинхронных двигателей единой серии 4А однослойные концентрические обмотки применяются в двигателях мощностью до 15 кВт.

Двухслойные обмотки с жесткими секциями применяются в двигателях мощностью свыше 100 кВт.

В диапазоне 15—100 кВт применяются одно-двухслойные обмотки, которые сочетают преимущества однои двухслойных обмоток. Эти обмотки допускают укорочение шага и укладываются в пазы статорообмоточными станками.

Одно-двухслойная обмотка состоит из концентрических катушек. Катушечная группа состоит из одной большой катушки и q — 1 малых катушек (q — число пазов на полюс и фазу). Большая катушка занимает весь паз, малые катушки — половину паза (рис. 3.9).

В двухслойных обмотках с укорочением шага (см. рис. 1.63, 1.64) в части пазов находятся секции, принадлежащие разным фазам. В одно-двухслойной обмотке в пазах,.

Рис. 3.9. Катушки одно-двухслойной обмотки:

1—12 — номера пазов принадлежащих одной фазе, располагается большая катушка с двойным числом витков, а в остальных пазах в два слоя помещаются стороны катушек разных фаз. Число катушечных групп равно числу полюсов. Однодвухслойная обмотка выполнима при q > 2. При q = 2 обмотка вырождается в концентрическую однослойную обмотку.

Рассматриваемые до сих пор обмотки имели целое число пазов на полюс и фа;

зу q. Иногда целесообразно применять обмотки с дробным q. Например, в машинах с небольшим внутренним диаметром статора при трехфазной обмотке с<7=1ир = 2, 2 = 2 mpq = = 2−3-2−1=12, а если принять q = 0,5, то z = 6. Ширина зубца по технологическим соображениям ограничивается 1,8—2 мм, поэтому при малом диаметре легче выполнить машину с дробным q. При q = 0,5 обмотки охватывают каждый зубец. Обмотки с q < 1 применяются в многополюсных тихоходных асинхронных микродвигателях. При q > 1 обмотки состоят из катушечных групп с разным числом катушек. Обмотки фаз получаются несимметричными на полюсном делении, но симметричными по всему внутреннему диаметру статора.

На рис. 3.10 дана схема однослойной трехфазной обмотки с q = 1 'Д 2р = 4.

В двухслойных обмотках дробное q применять легче. Однако следует иметь в виду, что применения обмоток статора с дробным q в асинхронных машинах следует избегать из-за худшей кривой МДС в зазоре. Обмотки с дробным q применяют при перемотке статоров на другое число полюсов, когда изготовление штампов нецелесообразно.

Во многих электроприводах требуется ступенчатое регулирование частоты вращения. Это можно осуществить путем переключения числа пар полюсов машины. В простейшем варианте для этого надо в пазы статора положить две обмотки на разное число полюсов. При этом ротор с короткозамкнутой обмоткой обеспечит работу асинхронного двигателя с высокими энергетическими показателями при раз;

Рис. 3.10. Схема однослойной обмотки с дробным q (т = 3, 2р = 4, q = ИД z = 18).

Рис. 3.11. Соединение катушечных групп при 2р = 8:

а — последовательное; б — параллельное ных синхронных частотах вращения. Однако с двумя обмотками статора использование активных материалов плохое, так как одна из обмоток не будет использоваться.

Переключение числа полюсов в отношении 1:2 можно получить, используя одну обмотку. В трехфазных петлевых двухслойных обмотках переключение числа полюсов проще всего осуществляется путем изменения направления тока в отдельных частях обмотки.

При переключении трехфазпой обмотки с числа полюсов 2р = 8 на 2р = 4 надо иметь 12 катушечных групп, комбинируя которые, можно получить две синхронные частоты вращения при параллельном и последовательном соединениях катушек.

На рис. 3.11, а, 6 и 3.12, а, б показано соединение катушечных групп одной фазы обмотки при последовательном и параллельном соединениях для 2р = 8 и 2р = 4.

Чтобы осуществить необходимые переключения катушечных групп, в каждой фазе надо иметь по четыре вывода. В трехфазпой машине должно быть 12 выводов. Чтобы двигатель вращался в одном и том же направлении при переключении числа пар полюсов, нужно еще изменить и чередование фаз, т. е. поменять местами любые две фазы.

Рассмотренная схема переключения не является единственной. К многоскоростным двигателям мы еще вернемся в конце этой главы, там же будут рассмотрены некоторые схемы обмоток несимметричных асинхронных двигателей.

Рис. 3.12. Соединение катушечных групп при 2р = 4:

а — последовательное; б — параллельное Обмотки роторов асинхронных машин можно разделить на две группы: короткозамкнутые и фазные.

Короткозамкнутая обмотка с простой беличьей клеткой (рис. 3.13, а) состоит из ряда медных или чугунных стержней круглого сечения, уложенных в пазы. Стержни с обеих сторон магнигонровода ротора приваривают к медным кольцам. При выполнении короткозамкнутого ротора пазы не изолируют. Длина стержней обмотки принимается несколько большей длины стали ротора.

Для улучшения пусковых характеристик двигателя применяют ротор с глубокими пазами, когда беличья клетка выполняется из стержней прямоугольного сечения (рис. 3.13, б). В единых сериях короткозамкнутые обмотки роторов изготовляются путем заливки пазов алюминием. При заливке вместе со стержнями отливаются и короткозамыкающие кольца. Форма пазов при заливке может быть весьма разнообразной. Наибольшее распространение получили пазы бутылочной формы (рис. 3.13, в).

Для улучшения пусковых характеристик находят применение также короткозамкнутые обмотки с двойной беличьей клеткой (рис. 3.13, г).

Частота вращения асинхронных двигателей может достигать 500 тыс. об/мин. При высоких частотах вращения шихтованный ротор из-за низкой механической прочности не применяют. В таких двигателях ротор выполняют массивным. При этом ротор представляет собой ферромагнитный цилиндр. В массивном роторе совмещают магнитопровод и обмотку. Широкого применения массивный ротор не находит из-за худших по сравнению с шихтованным ротором энергетических характеристик и большей трудоемкости изготовления.

В двигателях с фазным ротором на роторе применяются всыпные или катушечные обмотки и стержневые.

Всыпные обмотки — петлевые трехфазиые двухслойные обмотки с укороченным шагом — укладывают в пазы трапецеидально-овальной формы (рис. 3.13, д, е). Обмотки изготовляют из круглого медного провода. Технология укладки,.

Рис. 3.13. Наиболее распространенные формы пазов асинхронных двигателей.

Рис. 3.14. Соединение стержней двухслойной волновой обмотки ротора.

Рис. 5.15. Соединение обмоток в звезду (а) и треугольник (б) на коробке выводов изоляция, пропиточные лаки те же, что и для статорных обмоток. Всыпиые обмотки дают возможность иметь на кольцах напряжения, близкие к напряжению обмотки статора, ч то облегчает конструкцию щеточного аппарата и пускорегулирующей аппаратуры, так как снижаются токи. Эти обмотки технологичны и допускают уменьшение числа пазов ротора. Всыиныс обмотки применяются в асинхронных двигателях мощностью до 50 кВт.

Стержневые обмотки — двухслойные волновые обмотки, состоящие из стержней прямоугольной меди, уложенных в полузакрытые пазы ротора (рис. 3.13, ж). Стержни обмотки в пазы вставляют с торца, а затем отгибают одну лобовую часть. Стержни обмотки 2 соединяются между собой при помощи хомутиков 1 (рис. 3.14). Хомутики одновременно выполняют роль лопастей вентилятора, обеспечивая при вращении ротора перемешивание воздуха внутри машины.

Шаги обмотки определяются стержнями, соединяемыми со стороны контактных колец и с противоположной стороны ротора. Сумма этих шагов равняется полюсному делению. Чтобы не замкнуть обмотку после обхода пазов ротора, последний шаг в каждом обходе делают укороченным.

Стержневые обмотки фазных роторов применяются в двигателях средней и большой мощностей при напряжении на контактных кольцах до 500 В. Недостатки стержневых обмоток — наличие большого числа паек и большая трудоемкость.

Низковольтные асинхронные двигатели единой серии изготовляются на напряжения 220, 380 и 660 В. На доске выводы обмоток располагают таким образом, что их можно соединять в звезду и треугольник (рис. 3.15, а, б). При большем напряжении обмотки соединяют в звезду, а при меньшем — в треугольник. Обмотки высоковольтных асинхронных машин соединяются в звезду.