книги / Проектирование электрических машин

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

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-

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:

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 .

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

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. 3-22. 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

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

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 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

(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

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.

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

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

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

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—

= 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