книги / Проектирование электрических машин
..pdf
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а 3-13 |
|
|
Коэффициенты |
распределения |
1:Ртрехфазмых |
обмоток |
с фазной зоной |
60° |
|
ч |
|
|
|
|
- |
|
2 |
3 |
4 |
5 |
о |
|
1 |
0,966 |
0,960 |
0,958 |
0,957 |
0,957 |
0,955 |
3 |
0,707 |
0,667 |
0,654 |
0,646 |
0,644 |
0,636 |
5 |
0,259 |
0,217 |
0,205 |
0,200 |
0,197 |
0,191 |
7 |
—0,259 |
—0,177 |
—0,158 |
—0,149 |
—0,145 |
-0 ,1 3 6 |
9 |
—0,707 |
-0 ,3 3 3 |
-0 ,2 7 0 |
-0 ,2 4 7 |
-0 ,2 3 6 |
—0,212 |
11 |
—0,966 |
—0,177 |
-0 ,1 2 6 |
—0,110 |
-0 ,1 0 2 |
-0 ,0 8 7 |
13 |
—0,966 |
0,217 |
0,126 |
0,102 |
0,092 |
0,073 |
15 |
—0,707 |
0,667 |
0,270 |
0,200 |
0,172 |
0,127 |
17 |
—0,259 |
0,960 |
0,158 |
0,102 |
0,084 |
0,056 |
19 |
0,259 |
0,960 |
-0 ,2 0 5 |
-0 ,1 1 0 |
-0 ,0 8 4 |
—0,050 |
21 |
0,707 |
0,667 |
-0,654 |
-0 ,2 4 7 |
-0 ,1 7 2 |
-0,091 |
23 |
0,966 |
0,217 |
—0,958 |
—0,149 |
—0,092 |
—0,041 |
25 |
0,966 |
—0,177 |
-0,958 |
0,200 |
0,102 |
0,038 |
27 |
0,707 |
-0 ,3 3 3 |
—0,654 |
0,646 |
0,236 |
0,071 |
29 |
0,259 |
—0,177 |
—0.205 |
0,957 |
0,145 |
0,033 |
31 |
—0,259 |
0,217 |
0,158 |
0,957 |
-0 ,1 9 7 |
-0,051 |
33 |
-0 ,7 0 7 |
0,667 |
0,270 |
0,646 |
—0,644 |
—0,058 |
35 |
—0,966 |
0,960 |
0,126 |
0,200 |
—0,957 |
-0 ,0 2 7 |
37 |
—0,966 |
0,960 |
-0 ,1 2 6 |
-0 ,1 4 9 |
-0 ,9 5 7 |
0,026 |
39 |
—0,707 |
0,667 |
—0,270 |
-0 ,2 4 7 |
—0,641 |
0,049 |
41 |
—0,259 |
0,217 |
-0,1 5 8 |
—0,110 |
-0 ,1 9 7 |
0,022 |
43 |
0,259 |
—0,177 |
0,205 |
0,102 |
0,145 |
-0 ,0 4 2 |
45 |
0,707 |
-0 ,3 3 3 |
0,654 |
0,200 |
0,236 |
-0 ,0 4 2 |
47 |
0,966 |
—0,177 |
0,958 |
0,102 |
0,102 |
—0,020 |
Это происходит потому, что элект рические углы между векторами ЭДС зубцовых гармоник и первой гармоники отличаются на величину, кратную 2 л:
a ” = a * v' = J F L ('! 7 ± i ) “
= 2nk ± се,.
Однако порядок гармоник уве личивается с увеличением числа q, при этом соответственно уменьша ется их амплитуда, а следователь но, и отрицательное влияние иа работу машины. В малых маши нах, в которых увеличение числа q затруднено, для подавления гармо ник зубцового порядка выполняют скошенные пазы, т. е. пазы статора или ротора располагают не парал лельно оси машины, а под некото рым углом 7 сн = г 6 Скл/т, называе
мым углом скоса (рис. 3-15). При
этом ЭДС, наводимая в витках об мотки, уменьшается. Это уменьше ние характеризуется коэффициен том скоса
Тек |
|
|
1 “ |
Тек |
(3-9) |
К |
24 |
|
О.буск |
|
В расчетной практике величину скоса ЬСк оценивают в линейных размерах, показывающих, на сколь ко миллиметров или на какую часть зубцового деления но дуге окруж ности расточки сдвинута ось паза по сравнению с положением оси не скошенных пазов (рис. 3-15). Обыч но выполняют скос в пределах од ного пазового деления. В этом слу чае YCK для первой гармоники очень мал, кок близок к единице и при расчете обмоточного коэффициента его не учитывают. Угол уСк возрас тает пропорционально порядку гар-
71
моннк и для высших гармоничес ких, в том числе н для гармоник зубцового порядка, kCK будет суще ственно меньше единицы. Поэтому в машинах со скошенными пазами влияние высших гармоник поля на характеристики машины уменьша ется.
Следует отметить, что скос па зов приводит к снижению уровня
Рис. 3-15. К понятию скоса пазов.
шума при работе машины, поэтому двигатели в малошумном исполне нии всегда выполняют со скошен ными пазами.
Скос пазов увеличивает длину пазовой части катушек, поэтому его влияние учитывают при расчете ак тивного и индуктивного сопротивле ний обмотки.
3-6. СХЕМЫ ОДНОСЛОЙНЫХ ОБМОТОК
Для того чтобы лучше понять принцип соединений в однослойных обмотках, проделаем некоторые предварительные построения для одной из простейших трехфазных обмоток с числом пазов Z = 24, числом полюсов 2 р = 4 , числом па раллельных ветвей а = 1 .
На рис. 3-16 показаны 24 линии пазов, разделенные на четыре груп пы, соответствующие полюсным де лениям ( r = Z /2 p = 2 4 /4 = 6 пазовых делений). На каждом полюсном делении отметим пазы, в которых должны лежать стороны катушек, принадлежащих разным фазам. Так как обмотка симметрична, то на каждом полюсном делении разме щается одинаковое число сторон
катушек разных фаз, равное числу пазов на полюс и фазу:
? = - 1 - |
= Л - = 2. |
2рт |
4-3 |
Мгновенное направление токов, показанное стрелками на рис. 3-16 в пределах одного полюсного деле ния (пазы 1—6), будет одинако вым. В пазах соседних полюсных делений направление токов меняет ся на противоположное.
Рисунок 3-16 является как бы схемой активной (пазовой) части рассматриваемой обмотки. Лобовые соединения катушек должны быть выполнены так, чтобы направление токов в пазовых частях соответст вовало показанному на рисунке. Их можно выполнить в нескольких ва риантах, получив при этом тот или
Рис. 3-16. К построению схем однослойных обмоток.
Рнс. 3-17. Схема однослойной концентри ческой обмотки, 2 = 2 4 , 2р = 4 .
72
иной тип однослойной обмотки. Рассмотрим некоторые из возмож ных вариантов.
Однослойные концентрические обмотки. Схема одной из однослой ных концентрических обмоток изо бражена на рнс. 3-17, на котором сохранены принятые на рис. 3-16
Рнс. 3-18. Расположение лобовых частей катушек однослойных концентрических об моток.
а— дпухнлоскосиюм; о— TJJCXIUIOCKOCTIIOH.
нумерация пазов и толщина линий, обозначающих разные фазы. Одно слойные концентрические обмотки характерны тем, что катушки, обра зующие каждую катушечную груп пу, являются концентрическими, т. е. охватывают одна другую. По этому размеры катушек в катушеч ной группе различны и по длине, и по ширине. Кроме того, различна длина катушек, принадлежащих со седним катушечным группам—«ма лым» и «большим». Лобовые части катушек, образующих большие и малые катушечные группы, распо
лагаются в двух разных плоскостях (рис. 3-18, а), поэтому такая обмот ка называется двухплоскостной.
Воднослойных концентрических
обмотках число катушечных групп |
||||
в фазе |
равно числу |
пар |
полюсов |
|
машины. |
При четном числе р об |
|||
мотка |
получается |
полностью сим |
||
метричной, |
несмотря на |
различные |
размеры катушек, так как в каждой фазе содержится одинаковое число больших и малых катушечных групп. В рассмотренном примере (на рис. 3-17) р= 2 п каждая фаза содержит одну большую и одну ма лую катушечные группы. При не четном числе пар полюсов каждая фаза содержит нечетное число ка тушечных групп. Чтобы уложить такую обмотку в машину, одну из катушечных групп делают «кри вой», т. е. одну ее сторону выполня ют по размеру большой катушечной группы, а другую — по размеру ма лой. Это хорошо видно из приведен ной на рис. 3-19 схемы обмотки шестнполюсной машины. Необходи мости установки кривой катушки можно избежать, выполнив эту об мотку по типу трехплоскостной, т. е. расположив лобовые части не в двух, а в трех плоскостях (см. рис. 3-18, б). К схеме трехплоскостиой обмотки легко перейти от обыч ной двухплоскостиой при четном q,
Рис. 3-19. Схема однослойной концентрической обмотка с «кривой» катушкой,
2 = 36, 2р — 6, |
* |
73
Рис. 3-20. Схема однослойной концентрической трех плоскостной обмотки, Z = 48, 2р= 4 .
изменив |
направление отгиба |
лобо |
ление |
токов |
в |
пазах |
(рис. |
3-16) |
||||||||||||
вых |
частей |
половины |
катушек в |
полностью сохраняется. |
|
|
|
|||||||||||||
каждой катушечной группе (рис. 3- |
Разобранные |
выше схемы |
одно |
|||||||||||||||||
20). Такая обмотка |
получила наз |
слойных |
|
обмоток |
применяются |
|||||||||||||||
вание обмотки «вразвалку». Несим- |
главным образом |
в |
машинах не |
|||||||||||||||||
метрия фаз |
в ней |
(лобовые |
части |
большой мощности, так как их об |
||||||||||||||||
катушечных |
групп |
каждой |
из фаз |
моточный |
коэффициент |
всегда |
чис |
|||||||||||||
занимают один определенный слон) |
ленно |
равен |
коэффициенту |
распре |
||||||||||||||||
может быть |
уменьшена |
путем ус |
деления |
k0G=lip, |
несмотря |
на то, |
||||||||||||||
ложнения укладки. Для этого лобо |
что шаг каждой |
из катушек может |
||||||||||||||||||
вые |
части |
катушек |
выполняют |
быть равен |
диаметральному, |
как, |
||||||||||||||
длинными с одного торца |
машины |
например, |
в концентрической |
об |
||||||||||||||||
и короткими с другого. |
|
|
|
мотке. |
|
|
|
|
годы область при |
|||||||||||
Шаблонные однослойные обмот |
В последние |
|||||||||||||||||||
ки. Необходимое |
направление то |
менения однослойных |
концентриче |
|||||||||||||||||
ков в пазах машины |
(см. рис. 3-16) |
ских обмоток несколько |
расшири |
|||||||||||||||||
может быть получено ц при других |
лась в связи |
с |
распространением |
|||||||||||||||||
типах однослойных обмоток, напри |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
мер при шаблонных |
концентричес |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
ких обмотках (рис. |
3-21). Из срав |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
нения схем обмоток, |
изображенных |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
на рис. 3-21 и 3-17, |
видно, |
что об |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
мотки |
отличаются |
|
друг от друга |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
только формой лобовых частей ка |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
тушек. |
Формирование катушечных |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
групп и последовательность их сое |
1 2 |
3 4 |
5 6 |
7 8 |
9101112131415161718192021222324 |
|||||||||||||||
динения остаются такими же. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Шаблонная обмотка, |
так же как |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
и обмотка |
с концентрическими ка |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
тушками, |
может |
быть |
выполнена |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
«вразвалку», т. е. с изменением на |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
правления |
отгиба |
половины |
кату |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
шек каждой |
из катушечных |
групп. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Цепные обмотки. Другой |
разно |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
видностью |
шаблонных обмоток яв |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
ляется так называемая |
цепная об |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
мотка, схема которой приведена на |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
рис. 3-22. И при этом варианте сое |
Рис |
3-21. Схема шаблонной |
обмотки, |
|||||||||||||||||
динений |
в лобовых |
частях |
направ |
= 24, 2р=4 . |
|
|
|
|
|
|
|
74
Рис. 3-22. Схема цепной обмотки, Z = 24,
2р=4.
станков для механизированной ук ладки обмотки, так как укладку однослойных обмоток легче меха низировать, чем укладку двухслой ных.
3-7. СХЕМЫ ДВУХСЛОЙНЫХ ОБМОТОК
Двухслойные обмотки применя ются практически во всех машинах переменного тока, начиная с машин на мощность 15— 16 кВт и до круп ных гидро- и турбогенераторов. Только некоторые уникальные тур богенераторы большой мощности с непосредственным охлаждением ме ди статора имеют однослойные об мотки. Но этот отход от общей тен денции связан со сложностью кон струкции и особенностями схем об моток крупных машин с малым числом полюсов.
Основным достоинством двух слойных обмоток является возмож ность использовать укорочение ша га для подавления высших гармо ник в кривой ЭДС. Кроме того, двухслойные обмотки имеют ряд существенных преимуществ по срав нению с однослойными, например по количеству возможных вариан тов выполнения параллельных вет вей, дробного числа пазов на полюс и фазу, равномерности расположе ния лобовых частей катушек и др.
Принцип соединения в двухслой ных обмотках легко проследить на примере построения одной из про
стейших схем. Составим схему об
мотки статора трехфазной |
машины |
при Z = 24, 2р=4, с = 1 . |
На рис. |
3-23 изображены 24 пары линий (сплошные и пунктирные), обозна чающие верхние и нижние стороны катушек, лежащие в пазах, разде ленные на четыре полюсных деле ния. На полюсном делении на каж дую фазу приходится по два паза, так как q = 2. Стрелками на сплош ных линиях, соответствующих верх ним сторонам катушек, показано мгновенное направление токов в ка тушках, одинаковое во всех фазах в пределах одного полюсного деле ния и изменяющееся на обратное при переходе к соседнему, т. е. про деланы те же построения, что и в примере на рис. 3-16. Направления токов в нижних сторонах катушек (пунктирные линии) на рисунке не приведены, так как они зависят от шага обмотки. Для наиболее прос того случая при диаметральном ша ге ( у = т) лобовые части соединяют стороны катушек, лежащие на рас стоянии полюсного деления. На рис. 3-23 показаны катушки обмот ки с диаметральным шагом, при надлежащие одной фазе, и соеди нения этих катушек, при которых сохраняется определенное ранее направление тока их пазовых час тей.
Как видно из рисунка, в четы рехполюсной двухслойной обмотке катушки каждой фазы образуют че тыре катушечные группы, а не две, как в однослойной. Они соединены между собой встречно так, что на правление обтекания током каждой из групп при переходе от одной группы к другой меняется.
Отмеченная особенность схемы (число катушечных групп в фазе равно числу полюсов при встречном включении следующих друг за дру гом в фазе катушечных групп) яв ляется закономерностью для всех двухслойных обмоток с 60-градус- ной фазной зоной.
Обмотка остальных фаз строит ся аналогично. На рис. 3-24 приве дена полная схема такой обмотки. Начала фаз С2 п СЗ взяты после довательно через 2 q пазовых деле
ний по отношению к началу фазы
75
Рис. 3-23. К построению схем двухслойных обмоток.
С1, т. е. через число пазов, соответ ствующих 1 2 0 °.
Любое укорочение шага или из менение числа q не меняет принци па построения схемы. При укоро ченном шаге (рис. 3-24, б) меняется только ширина катушек. Все соеди нения, как междукатушечные, так и межгрупповые, остаются такими же. Сравнивая между собой схемы обмоток с диаметральным и укоро ченным шагами, следует отметить, что в первом случае в каждом из пазов размещены стороны катушек, принадлежащих одной и той же фазе. При укорочении шага в части
пазов |
размещаются |
стороны |
кату |
|
шек, принадлежащие |
разным |
фа |
||
зам, |
например в |
пазах 2, 4, |
6, 8 и |
|
др. (рис. 3-24, б). |
количество таких |
|||
Относительное |
пазов по сравнению с пазами, заня тыми сторонами катушек только одной фазы, зависит от принятого укорочения шага. С уменьшением р оно возрастает. Это является осо бенностью обмоток с укороченным шагом. В последующих главах бу дет показано, как необходимо учи
тывать эту особенность в различных разделах расчета.
Дальнейший анализ схем двух слойных обмоток удобнее прово дить с помощью так называемых условных схем. ГОСТ 2.705-70 на ряду с развернутыми и торцевыми схемами разрешает использовать условные схемы обмоток, на кото рых, в отличие от развернутых схем, условными обозначениями по казывают не отдельные катушки, а целиком катушечные группы обмот ки. Это является логическим про должением примятого в разверну той схеме упрощенного изображе ния катушки одним контуром, независимо от действительного чис ла витков в ней, так как все витки в катушечной группе соединяются между собой только последова тельно.
Рисунок 3-25 является условной схемой обмоток, развернутые схе мы которых изображены на рис. 3-24. В каждом прямоугольнике, обо значающем катушечную группу, выше диагонали проставлен поряд ковый номер катушечной группы
76
(начиная с первой группы 1 -й фа-
зы) в последовательности расположения их по пазам статора, а ниже диагонали указано количество ка-
тушек в данной катушечной группе, Последняя запись введена, чтобы иметь возможность использовать условные схемы для обмоток с
Рнс. 3-24. Схемы двухслойных обмоток, Z =24, 2р=4.
о — с диаметральным шагом; б — с укороченным шагом.
77
дробными числами пазов на полюс и фазу. На условной схеме конкрет ной обмотки должно быть указание о шаге обмотки, так как и при диа метральном и при укороченном ша гах условная схема одна и та же.
Рассмотрим некоторые схемы двухслойных обмоток с различным числом параллельных ветвей. На рис. 3-27, а приведена условная схе ма двухполюсной машины (одной се фазы), определяющая соедние-
Рис. 3-26. Условная схема первой фазы А обмотки рис. 3-25. Вторая и третья фазы соединяются аналогично.
Для облегчения разбора схемы отметим стрелками над прямо угольниками, изображающими ка тушечные группы, направление об хода их витков током.
Из рис. 3-25 видно, что соедине ния катушечных групп каждой фа зы обмотки полностью идентичны, поэтому то же количество информа ции о соединениях в обмотке может быть представлено более компакт но. ГОСТ 2.705-70 допускает изоб ражение схемы только одной фазы обмотки при соответствующих над писях на чертеже (рис. 3-26).
Такие схемы ясно показывают специфику межгрупповых соедине ний в обмотке, практически форми рующих нужную полюсность при заданном числе параллельных вет вей, и позволяют рассматривать не отдельные схемы обмоток с различ ными числами Z и <7, а представлять
их в виде типовых схем для любых Z при определенной полюсности.
Рис. 3-27. Схемы соединения фазы обмотки с 2 р = 2 при различном числе параллельных ветвей.
иия катушечных групп |
при а = 1 . |
Направление обхода |
катушечных |
групп током, условно |
определяю |
щее полярность полюсов, как и ра нее, показано стрелками. При изме нении числа параллельных ветвей полярность полюсов, образованных катушечными группами, не должна меняться, поэтому не должны ме нять своего направления и стрелки над прямоугольниками на схеме об
мотки. Обмотку двухполюсной |
ма |
||||
шины |
можно |
выполнить |
и |
при |
|
а = 2. Условная схема |
такой |
обмот |
|||
ки |
(2 р = 2 , |
а = 2 ) |
показана |
на |
рис. 3-27, б. Как видно, межгруппо вые соединения изменены таким об разом, что катушечные группы об мотки образуют две параллельные ветви, но полярность полюсов оста ется прежней.
На рис. 3-26 была показана схе ма обмотки при 2 р = 4, а = 1 , а на
рис. 3-28, а приведена схема обмот
78
ки той же полюсности, но при а = 2 .
Полярность катушечных групп в обеих схемах одна и та же. На рис. 3-28, б дана схема той же об мотки, но при а = 4. Условия сохра нения полярности катушечных
Рис. 3-28. Схема соединения фазы обмотки
с2р= 4 в несколько параллельных ветвей,
в— при в - 2; б — при а - 4.
Рис. 3-29. Схемы соединения фазы обмотки
с2р=6 п несколько параллельных ветвей,
а— а=1; б —а - 2; в — а - 3.
групп соблюдены и при четырех па раллельных ветвях.
Аналогичные варианты схем об моток при нескольких параллель ных ветвях для шестиполюсной ма шины приведены на рис. 3-29. Для
а = 2 и а = 3 |
возможны |
иные, чем |
|
приведенные |
на рисунке, |
варианты |
|
соединений, |
при |
которых поляр |
|
ность катушечных |
групп |
остается |
|
правильной. |
|
|
|
Принцип построения схем обмо ток с большими числами пар полю сов и другими возможными числа ми параллельных ветвей остается таким же и дальнейших пояснений Не требует.
3-8. ОБМОТКИ С ДРОБНЫМ ЧИСЛОМ ПАЗОВ НА ПОЛЮС И ФАЗУ
Анализ выражения (3-8), опре деляющего коэффициент распреде ления, показывает, что амплитуда высших гармонических в кривой ЭДС обмотки зависит от угла меж ду векторами ЭДС отдельных кату шек. В обмотке с целым q этот угол всегда равен пазовому углу*.
поэтому для уменьшения kp высших гармоник необходимо увеличить число q. Но с увеличением q растет число пазов и соответственно умень шаются зубцовые деления, ширина зубцов н пазов. Это ограничивает наибольшие допустимые значения q, так как, во-первых, в узких пазах резко ухудшается заполнение паза медью и использование зубцовой зоны становится неэффективным и, во-вторых, ширина зубцов не может быть взятаменьше предельной, оп ределяемой их допустимой механи ческой прочностью.
Как видно из табл. 3-13, замет ное уменьшение кр большинства высших гармоник происходит уже при q = 3, однако при этом, как бы ло показано в § 3-5, кр для гармо ник зубцовых порядков остается таким же, как и для основной гар моники. Чтобы повысить порядок зубцовых гармоник и тем самым уменьшить их амплитуду и влияние на характеристики машины, стре мятся увеличить число пазов на по люс и фазу q до 4—5 и более. Это легко достижимо в машинах с 2 р — = 2 или 4. Для машин с 2р= 6 или 8 при сравнительно небольших диа
метрах статора выполнение q—
79
= 4-ь5 затруднено, а в машинах с большей полюсностыо, особенно в тихоходных с 2 р = 304-40 и более, вообще невозможно, так как даже при <7 = 4 в таких машинах необхо
димо выполнить более 300—400 па зов.
В этих случаях для улучшения кривой поля в воздушном зазоре
применяют обмотку, в которой чис ло катушек в катушечных группах не одинаково, а периодически ме няется. При этом относительное по ложение векторов ЭДС катушек различных катушечных групп фазы меняется по сравнению с обмоткой, в которой число катушек во всех катушечных группах постоянно, и