umm_3929

Федеральное агентство железнодорожного транспортаУральский государственный университет путей сообщения

Кафедра «Электрические машины»

В. Ф. ГригорьевА. В. БунзяЕ. М. Азарова

О Б М О Т К И Я К О Р Я ( С Т А Т О Р А )Э Л Е К Т Р И Ч Е С К И Х М А Ш И Н

ЕкатеринбургИздательство УрГУПС

2012

Федеральное агентство железнодорожного транспортаУральский государственный университет путей сообщения

Кафедра «Электрические машины»

В. Ф. ГригорьевА. В. БунзяЕ. М. Азарова


Методические указания к выполнению практических работпо дисциплине

«Электрические машины и электропривод»для студентов специальности

190303 – «Электрический транспорт железных дорог» и бакалавриата 140200 – «Электроэнергетика»

ЕкатеринбургИздательство УрГУПС

2012

УДК 621.314.212 Г83 Григорьев, В. Ф.

Г83 Обмотки якоря (статора) электрических машин : метод. указания /В. Ф. Григорьев, А. В. Бунзя, Е. М. Азарова. – Екатеринбург : Изд-воУрГУПС, 2012. – 34, [2] с.

Методические указания предназначены для выполнения практических работ подисциплине «Электрические машины и электропривод» для студентов специально-сти 190303 – «Электрический транспорт железных дорог» и бакалавриата 140200 –«Электроэнергетика».

УДК 621.314.212

Печатается по решению редакционно-издательского совета университета.

Авторы: В. Ф. Григорьев, профессор кафедры «Электрические машины»,УрГУПСА. В. Бунзя, заведующий кафедрой «Электрические машины»,канд. техн. наук, доцент, УрГУПС

Е. М. Азарова, ассистент кафедры «Электрические машины»,УрГУПСЯ. А. Мишин, студент группы Т-319 (создание рисунков).

Рецензент: А. П. Сухогузов, профессор кафедры «Электрические машины»,УрГУПС

© Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС), 2012

3

Оглавление

1 Обмотки якоря машин постоянного тока………………………………….. 4

1.1 Общие положения………………………………………………………. 4

1.2 Классификация обмоток якоря……………………………………….... 4

1.3 Принцип выполнения обмотки кольцевого якоря……………………. 4

1.4 Принцип выполнения обмотки барабанного якоря…………………... 8

1.5 Пример развернутой схемы простой петлевой обмотки якоря……… 12

1.6 Пример развернутой схемы простой волновой обмотки якоря……... 15

1.7 Условия симметрии обмотки якоря. Уравнительные соединения…… 18

1.8 Порядок выполнения практической работы………………………….. 20

1.9 Исходные данные для простой петлевой обмотки………….............. 21

1.10 Исходные данные для простой волновой обмотки …….......... …… 22

2 Обмотки статора машин переменного тока……………………………….. 23

2.1 Общие положения………………………………………………………. 23

2.2 Требования к проектированию обмоток статора …………….............. 25

2.3 Способы улучшения формы ЭДС обмотки статора………………….. 25

2.4 Конструирование обмотки статора……………………………………. 27

2.5 Порядок выполнения практической работы………………………...... 32

2.6 Исходные данные для выполнения развернутой схемы трехфазной

двухслойной катушечной обмотки с целым «q»…………………………. 33

Библиографический список………………………………………………… 34

4

1 Обмотки якоря машин постоянного тока

1.1Общие положения

Обмотка якоря электрических машин является важнейшим элементомконструкции машины, поскольку при её непосредственном участии происходитпроцесс преобразования энергии одного вида в энергию другого вида.

В соответствии с этим к обмотке якоря предъявляются разнородные ичасто противоречивые требования, из числа которых наибольшее значениеимеют следующие:

а) обмотка должна быть выполнена с наименьшим расходом обмоточ-ного провода при сохранении высокого значения КПД электрической машины;

б) обмотка должна иметь необходимую механическую, термическуюпрочность, чтобы эксплуатационный срок службы электрической машины со-ставлял не менее 15÷20 лет;

в) обмотка якоря должна обеспечивать удовлетворительные условия то-косъема с коллектора (минимальное искрение под щетками).

1.2 Классификация обмоток якоря

В зависимости от конструктивного выполнения сердечника якоря об-мотки якоря подразделяются:

а) на обмотки кольцевого якоря;б) обмотки барабанного якоря.Кроме этого различают следующие типы обмотки якоря:а) простые петлевые;б) простые волновые;в) сложные петлевые;г) сложные волновые;д) комбинированные.

1.3 Принцип выполнения обмотки кольцевого якоря На рисунке 1 изображена машина постоянного тока с кольцевым якорем.

На сердечник, представляющий собой стальное кольцо, спирально намотанывитки замкнутой обмотки якоря.

5

Рисунок 1 – Обмотка кольцевого якоря:ось 1–1 – геометрическая нейтраль;

ось 2–2 – главные полюсы электрической машины

Такую обмотку можно рассмотреть как ряд последовательно соединен-ных между собой витков, каждый из которых состоит:

а) из проводника, расположенного на наружной поверхности сердечникаякоря (активный проводник обмотки якоря, так как в нем наводится ЭДС);

б) проводника, расположенного на внутренней поверхности сердечникаякоря, где ЭДС не наводится, так как эти проводники не пересекают силовыелинии магнитного потока;

в) части обмотки якоря, расположенной на торцах сердечника (лобовыечасти обмотки).

6

Передние торцы активных проводников подсоединены к пластинам кол-лектора, на которые установлены щетки. Щетки на коллекторе установлены нагеометрической нейтрале в соответствии со следующими правилами:

1 ЭДС на щетках должна быть по величине максимальной.2 ЭДС в секциях, закороченных в данный момент щетками, должна быть

минимальной, что обеспечивает минимальное искрение под щетками.3 Количество щеток равно количеству главных полюсов.4 Расстояние между осями щеток должно быть равно полюсной дуге τ.5 В простых обмотках якоря ширина щетки должна равна ширине кол-

лекторной пластины.На рисунке 1 видно, что в данный момент в проводниках 1,7, располо-

женных на внешней части сердечника якоря, индуктируемая ЭДС равна 0, таккак нормальная составляющая индукции на поверхности якоря в местах распо-ложения этих проводников равна нулю, другими словами проводники 1,7скользят вдоль силовых линий магнитного тока, не пересекая их.

Учитывая ранее отмеченное правило постановки щеток, проводники 1 и7 закорочены накоротко щетками, которые, как видно на рисунке 1, установле-ны на геометрической нейтрале. Во всех остальных проводниках 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 11, 12 будет индук-тироваться ЭДС. ЭДС проводников 2, 3, 4, 5, 6 действует согласно, создавая на щетках А–В напряжение, равное сумме ЭДС этих проводников (рисунок 2).

Аналогично ЭДС проводников 8, 9, 10, 11, 12 действует согласно междусобой, создавая такую же ЭДС, как и предыдущие проводники, но направлен-ную им навстречу (в контуре обмотки).

Рисунок 2 – Схема параллельных ветвей обмотки кольцевого якоря

Если рассмотреть схемы параллельных ветвей обмотки якоря при дальней-шем вращении якоря, то они будут иметь вид, представленный на рисунке 3.

7

Рисунок 3 – Схема параллельных ветвей для разных моментов времени при вращении якоря

При анализе схем параллельных ветвей обмотки кольцевого якоря следуетотметить:

1 Обмотка якоря представляет собой замкнутый контур.2 Сумма ЭДС проводников внутри замкнутого контура обмотки якоря

равна нулю.3 Щетки, расположенные на коллекторе, делят замкнутый контур на ряд

параллельных цепей. Число их всегда четное, обозначается 2а и 2а = 2р = 2.4 ЭДС на щетках определяется числом проводников обмотки якоря одной

параллельной ветви, т. е.a

N2

, где N –- число активных проводников обмотки

якоря.Обмотка кольцевого якоря в настоящее время не применяется, так как

имеет ряд существенных недостатков:1 Плохое использование материала обмотки, так как активная часть витка

расположена только на внешней цилиндрической части сердечника, боковыечасти и внутренняя часть не принимают участия в создании ЭДС машины.

2 Трудоемок и сложен процесс изготовления обмотки якоря.3 Машины с таким с якорем неизбежно должны иметь завышенные габа-

ритные размеры. Это объясняется тем, что проводники обмотки, расположен-ные во внутренней полости сердечника якоря на окружности меньшего диамет-

8

ра, укладываются в несколько слоев, тем самым ухудшается отвод тепла отэтой части обмотки и увеличивается температура нагрева. Последнее вынужда-ет уменьшить величину тока якоря, т. е. мощность машины постоянного тока.

1.4 Принцип выполнения обмотки барабанного якоря

В обмотке барабанного якоря обе стороны витка обмотки якоря распола-гаются на внешней поверхности якоря (рисунок 4). Сторона витка обмотки яко-ря 1 и 3 является активной, так как при вращении якоря обе стороны обмоткиякоря пересекают магнитное поле машины. Стороны витка 2 и 4 – лобовые час-ти обмотки якоря.

Размещение обеих сторон каждого витка обмотки на внешней поверхно-сти якоря позволяет снижать расход обмоточного провода по сравнению скольцевой обмоткой и механизировать процесс намотки обмотки. Отдельныевитки (секции) обмотки наматываются заранее на шаблонах и укладываются впазы сердечника якоря. Секции (витки) обмотки якоря должны конструиро-ваться так, чтобы ЭДС, индуктируемые в его активных сторонах, в контуревитка (секции) действовали согласно, т. е. в одном направлении.

Отсюда вытекает требование к обмотке якоря: активные стороны витка(секции) должны находиться под полюсами разной полярности, т. е. расстояниемежду активными сторонами витка должен быть равно полюсной дуге τ (ри-сунок 4).

Рисунок 4 – Обмотка барабанного якоря

9

Характерной особенностью обмотки барабанного якоря является то, чтоона выполняется двухслойной (рисунок 5).

Рисунок 5 – Расположение секции обмоткив пазах зубчатого якоря

Одна активная сторона обмотки располагается в верхнем слое паза, адругая в нижнем (рисунок 5). Необходимо иметь в виду, что конструкция об-мотки якоря может быть усложнена, т. е. будет не один виток между двумяколлекторами пластинами, а два и более (рисунок 6).

Несколько последовательно соединенных витков обмотки якоря, имею-щие общую изоляцию и находящиеся между двумя следующими друг за другомпри обходе обмотки коллекторными пластинами, называются секцией(рисунок 7).

а б в

Рисунок 6 – Секции обмотки якоря с различным числом витков

10

а б

Рисунок 7 – Секция и катушка обмотки якоря

Несколько секций, имеющих общую изоляцию от стенки паза, образуюткатушку обмотки (рисунок 7). Число секций в катушке обозначается Wc . Чтобы правильно уложить обмотку в пазы сердечника якоря и соединитьее с коллектором, необходимо знать шаги обмотки по сердечнику якорю и поколлектору. Для простой петлевой обмотки рассчитываются следующие шаги:

а) первый частичный шаг обмотки по сердечнику якоря – это расстояниемежду первой активной стороной секции и второй активной стороной той же

секции ( 1y ) (рисунок 8).

y1 = ε2

э ±p

z = целое число,

где Эz – число элементарных пазов, это паз с двумя активными сторо-нами секции;

p2 – число главных полюсов машин;e = +1 – правоходовая обмотка (рисунок 8, а);e = -1 – левоходовая обмотка (рисунок 8, б);

б) результирующий шаг по коллектору для простой петлевой обмотки –это расстояние между одноименными сторонами соседних секций (рисунок 8)

1±== kyy ,

где 1= = +ky y – правоходовая обмотка,1= -ky = y – левоходовая обмотка;

11

в) второй частичный шаг (рисунок 8 а, б) рассчитывается: – правоходовая обмотка 12 yyy -= , – левоходовая обмотка 12 yyy -= .

а б

Рисунок 8 – Шаги простой петлевой обмотки :а – правоходовая;б – левоходовая

Для простой волновой обмотки рассчитываются следующие шаги:а) первый частичный шаг обмотки по сердечнику якоря рассчитывается

по такой же формуле, что и для простой петлевой обмотки (рисунок 9 а, б) ;б) полный шаг или шаг по коллектору равен

pk

kyy 1±== ,

где k – число коллекторных пластин;p – число пар главных полюсов;

+1 – соответствует правоходовой волновой обмотке (рисунок 9, а);-1 – соответствует левоходовой обмотке (рисунок 9, б);

12

в) второй частичный шаг независимо от того, правоходовая или левохо-довая волновая обмотка, равен (рисунок 9 а, б)

12 yyy -= .

а

б

Рисунок 9 – Шаги простой волновой обмотки:а – левоходовая;б – правоходовая

1.5 Пример развернутой схемы простой петлевой обмотки якоря

Для исходных данных Zэ = 12; 2р = 4 рассчитаем шаги обмотки

1+== yyk ;

13

34

122

э ε1 ==±=p

Zy ;

22 =y .

На рисунке 10 представлена развернутая схема простой петлевой непе-рекрещивающейся обмотки якоря.

Рисунок 10 – Развернутая схема простой петлевой правоходовой обмотки якоря при 2 p = 4; Zэ = S = K = 12

При выполнении обмотки будем называть активную сторону секции, рас-положенную в верхнем слое, ее началом, а сторону секции в нижнем слое – ееконцом. Условимся обозначать одной и той же цифрой номер секции, номер па-за, в который укладывается верхняя сторона секции, и номер пластины коллек-тора, к которой присоединяется начало секции.

Начнем выполнение обмотки с секции 1, начало которой расположим впазу 1 (рисунок 10). Пронумеруем пазы в последовательном порядке, следуяслева направо. Так как шаг 31 =y , то вторая, нижняя, сторона секции 1 должнабыть уложена в пазу 431 =+ . Начало секции 1 присоединим к коллекторнойпластине 1 и пронумеруем пластины коллектора в той же последовательности,что и пазы на якоре. Конец секции 1 присоединим к коллекторной пластине 2( 1+=ky ) и этим закончим укладку в пазы сердечника якоря секции 1. Началосекции 2 присоединим к пластине 2 и уложим в паз 2, а конец этой секции в

14

паз 5 и присоединим к пластине 3. В этом же порядке соединим между собойвсе остальные секции. Конец последней секции (12) подсоединяется к 1 коллек-торной пластине. Таким образом, обмотка якоря получается сама на себя замк-нута.

При размещении щеток на коллекторе их следует устанавливать, так же,как в случае кольцевого якоря, по линиям геометрических нейтралей. Необхо-димо отметить, что в случае барабанного якоря геометрические нейтрали наповерхности якоря и ее положение на коллекторе не совпадают. Чтобы выпол-нить правила постановки щеток на коллекторе, указанные в разделе «Принципвыполнения обмоток кольцевого якоря», первую щетку следует устанавливатьна 1 и 2 коллекторные пластины (рисунок 10), т. е. в этом случае замыкаетсящеткой накоротко секция 1, активные стороны которой размещены на геомет-рической нейтрали по поверхности якоря. Остальные щетки устанавливаютсяна одинаковом друг от друга расстоянии, равным полюсной дуге τ.

На развернутой схеме обмотки (рисунок 10) задано направление враще-ния якоря (указано стрелкой), согласно которому необходимо определить на-правление индуктированных в активных сторонах секции ЭДС и проставить ихв схеме стрелками.

Установленные на коллекторе щетки разбивают обмотку якоря на па-раллельные ветви (рисунок 11).

При анализе схемы параллельных ветвей петлевой обмотки якоря необ-ходимо отметить:

а) схема обмотки якоря состоит из параллельных ветвей 422 == pa ,где a2 – число параллельных ветвей,

p2 – число главных полюсов;б) ЭДС обмотки якоря определяется значением ЭДС одной параллельной

ветви;в) каждая параллельная ветвь содержит несколько последовательных со-

единенных секций с одинаковым направлением ЭДС в них;г) значение тока обмотки якоря равно сумме токов параллельных ветвей,

т. е. aaa iiaI ×=×= 42 ;д) в каждый момент времени в обмотке якоря есть так называемые ком-

мутирующие секции (секция 1, 4, 7, 10), т. е. секции в данный момент замкнутынакоротко щетками.

15

Рисунок 11 – Схема параллельных ветвейпростой петлевой правоходовой неперекрещивающейся обмотки

1.6 Пример развернутой схемы простой волновойобмотки якоря

На рисунке 12 представлена развернутая схема простой волновой об-мотки при 42 =p . 17=== эzkS .

Рассчитаем шаги обмотки:

82

1171=

-=

±==

pkyyk ;

441

417

2ε1 =-=±=

pz

y Э ;

4482 =-=-= kyyy .

16

Рисунок 12 – Развернутая схема простой волновой обмотки:42 =p ; 17=== эzkS

Начнем выполнение обмотки с коллекторной пластины 1, к которой мыприсоединим начало, т. е. верхнюю сторону секции 1, уложенную в паз 1.Вторую, нижнюю, сторону секции укладываем в паз 5411 1 =+=+ y иприсоединяем конец секции к коллекторной пластине 9811 =+=+ ky ; сюда жеприсоединяем начало, т. е. верхнюю сторону следующей 9 секции.

Дальнейшее соединение сторон секций указано на рисунке 13.Щетки устанавливаем по тем же правилам, как и в простой петлевой обмотке

(рисунок 10).

17

Рисунок 13 – Соединение сторон секций

Рисунок 14 – Схема параллельных ветвей простой волновой обмотки

18

На рисунке 14 изображена схема параллельных ветвей простой волно-вой обмотки.

При анализе схемы параллельных ветвей простой волновой обмоткиякоря необходимо отметить:

1 Простая волновая обмотка имеет только одну пару параллельных вет-вей 22 =а .

2 ЭДС обмотки якоря равна ЭДС одной параллельной ветви.3 Каждая параллельная ветвь содержит несколько последовательно со-

единенных секций с одинаковым направлением ЭДС в них.4 Значение тока во внешней цепи обмотки якоря равно сумме значений

токов параллельных ветвей, а именно aa iI ×= 2 , где ai – ток параллельной ветви.5 В каждый момент времени в обмотке якоря имеют место так называе-

мые коммутирующие секции, т. е. секции обмотки якоря в данный моментзамкнуты накоротко щетками.

1.7 Условия симметрии обмотки якоря. Уравнительныесоединения

Обмотка якоря считается симметричной, если ее параллельные ветвиобладают одинаковыми электрическими свойствами, т. е. имеют одинаковыеэлектрические сопротивления и в них индуктируются одинаковые по величинеЭДС.

В несимметричной обмотке якоря ток нагрузки в параллельных ветвяхраспределяется неравномерно, что влечет за собой перегрузку одних ветвей инедогрузку других. В результате возрастают электрические потери энергии вобмотке, а мощность машины уменьшается.

Для получения симметричной обмотки якоря необходимо соблюдать вмашине постоянного тока некоторые условия, называемые условиямисимметрии.

Первое условие. Каждая пара параллельных ветвей обмотки должнасостоять из одинакового числа секций. Это условие выполняется, если накаждую пару параллельных ветвей приходится одинаковое число секций, т. е.отношение числа секций S к числу пар параллельных ветвей а обмоткиякоря равно целому числу (ц.ч.):

../ чцaS =Не трудно убедиться, что при несоблюдении этого условия

электрическое сопротивление параллельных ветвей, а также их ЭДС становятсянеодинаковыми. Это привело бы к неравномерному распределению токов впараллельных ветвях со всеми нежелательными последствиями.

Второе условие. Каждая пара параллельных ветвей обмотки должназанимать одинаковое положение относительно системы главных полюсов, чтовыполнимо при

../2 чцар =

19

Однако даже при соблюдении всех условий симметрии ЭДСпараллельных ветвей обмотки якоря в многополюсных машинах могутоказаться неодинаковыми. Причиной этого является магнитная несимметрия, врезультате которой магнитные потоки одноименных полюсов становятсянеодинаковыми. Происходит это из-за недостатков магнитной цепи: наличиераковин в отливке станины, плохая сборка полюсов и т. д. Неправильнаяцентровка якоря вызывает его перекос, отчего воздушный зазор под полюсамистановится неодинаковым, что также приводит к магнитной несимметрии.

Волновые и петлевые обмотки по-разному реагируют на несим-метричность магнитной системы. В волновых обмотках секции каждойпараллельной ветви равномерно распределены под всеми полюсами машины,поэтому магнитная несимметрия не влечет за собой неравенства ЭДС впараллельных ветвях.

В петлевых обмотках секции каждой параллельной ветви располагаютсяпод одной парой полюсов, а поэтому в результате магнитной несимметрии ЭДСпараллельных ветвей становятся неодинаковыми, что приводит к появлениюуравнительных токов в электрической цепи машины.

Для уменьшения неравномерной нагрузки щеток в простых петлевыхобмотках поступают следующим образом: точки на обмотке якоря, потенциалыкоторых одинаковы, соединяют электрически. В этом случае возникающие вобмотке уравнительные токи замыкаются внутри обмотки без выхода в щетки исоединяющие их шины. Указанные соединения выполняются меднымипроводами и называются уравнительными соединениями первого рода(рисунок 10).

Под точками одинакового потенциала следует понимать точки,доступные для соединения: концы секций, присоединяемые к коллекторнымпластинам, или лобовые части обмотки со стороны, обратной коллектору.Количество точек в обмотке, имеющих одинаковый потенциал, равно числу парполюсов в машине ( ар = ). Расстояние между двумя соседнимиравнопотенциальными точками называется потенциальным шагом,обозначается уру . При расположении уравнительных соединений со стороныколлектора потенциальный шаг измеряется числом коллекторных делений

pK

aKу ==ур .

Полное число уравнительных соединений первого рода урN , котороеможно применить в обмотке, равно

aKN =ур .

20

Однако такое количество уравнительных соединений применяют тольков машинах большой мощности, например в электродвигателях прокатныхстанов.

В целях экономии меди и упрощения конструкции машины обычноприменяют неполное число уравнителей. Например, в четырехполюсных ма-шинах малой мощности делают три-четыре уравнительных соединения.

1.8 Порядок выполнения практической работы

1 Перед выполнением практической работы студент должен изучить из-ложенный выше материал, а также соответствующие разделы в учебниках, ука-занных в библиографическом списке.

2 По исходным данным рассчитать шаги обмотки.3 На миллиметровой бумаге вычертить развернутую схему обмотки яко-

ря, разметить на схеме главные полюса, задать направление перемещения об-мотки якоря и определить направление наведенных ЭДС в обмотке якоря. Ус-тановить щетки на коллекторе и определить их полярность.

4 Установить уравнительные соединения на развернутой схеме простойпетлевой обмотки якоря.

5 Вычертить схему параллельных ветвей обмотки якоря.6 В отчете практической работы пояснить:а) почему обмотки выполняют с диаметральным или укороченным ша-

гом;б) почему применяется барабанный якорь, а не кольцевой;в) почему применяют двухслойную барабанную обмотку;г) порядок установки щеток, указать, почему в барабанном якоре поло-

жение геометрической нейтрали на якоре и ее положение на коллекторе разли-чается;

д) условия симметрии обмотки и целеспособность установки уравни-тельных соединений.

21

1.9 Исходные данные для простой петлевой обмотки

Таблица 1

№Зада-ния

Числопазов

сердеч-никаякоря

Числоглавныхполюсов

Шагпо

коллек-тору

№Зада-ния

Числопазов

сердеч-никаякоря

Числоглавныхполюсов

Шагпо коллек-

тору

z 2p yk z 2p yk1 18 4 +1 21 26 6 +12 18 4 -1 22 26 6 -13 22 4 +1 23 28 6 +14 22 4 -1 24 28 6 -15 26 4 +1 25 32 6 +16 26 4 -1 26 32 6 -17 30 4 +1 27 34 6 +18 30 4 -1 28 34 6 -19 34 4 +1 29 38 6 +110 34 4 -1 30 38 6 -111 38 4 +1 31 40 6 +112 38 4 -1 32 40 6 -113 14 6 +1 33 18 8 +114 14 6 -1 34 18 8 -115 16 6 +1 35 22 8 +116 16 6 -1 36 22 8 -117 20 6 +1 37 26 8 +118 20 6 -1 38 26 8 -119 22 6 +1 39 30 8 +120 22 6 -1 40 30 8 -1

22

1.10 Исходные данные для простой волновой обмотки

Таблица 2

№Зада-

ния

Числопа-зовсердеч

-ни-ка

якоря

Число

главныхпо-лю-сов

Шагпо

кол-лек-тору

№Зада-

ния

Числопа-зовсердеч

-ни-ка

якоря

Число

главныхпо-лю-сов

Шагпо

кол-лек-тору

z 2p yk z 2p yk

1 15 2

лево-ходо-вой 21 27 4

лево-ходо-вой

2 15 2

право-ходо-вой 22 27 4

право-ходо-вой

3 17 2



4 17 2



5 19 2

лево-ходо-вой. 25 31 4


6 19 2



7 21 2



8 21 2



9 23 2



10 23 2



11 17 4лево-ходо- 31 37 4

лево-ходо-

23

вой вой

12 17 4



13 19 4



14 19 4



15 21 4



16 21 4



17 23 4



18 23 4



19 25 4



20 25 4



2 Обмотки статора машин переменного тока

2.1 Общие положения

Обмотки статора машин переменного тока выполняют две основныефункции:

24

– обеспечивают наведение требуемой для работы машины электродви-жущей силы (ЭДС);

– создают вращающееся магнитное поле, необходимое для процесса пре-образования энергии.

Условия создания вращающегося поля трехфазной обмоткой статора:1 В пазы сердечника статора уложены три обмотки (фазы А, В, С);2 Мгновенные значения токов в фазах обмотки сдвинуты во времени на

120 электрических градусов; 3 Оси фаз обмотки статора сдвинуты в пространстве на

геомα 120/ р° = ,где р – число пар полюсов. Вращающееся магнитное поле может быть создано не только трехфаз-ной, но и любой многофазной обмоткой статора с числом фаз не менее двух( 2³m ).

Условия создания вращающегося поля в двухфазной обмотке статора:1 В пазах сердечника статора уложены две обмотки.2 Мгновенные значения токов в обмотках статора сдвинуты во времени

на 90 электрических градусов.3 Оси обмоток статора сдвинуты в пространстве на

геомα 90 / р° = ,

где р – число пар полюсов.

На рисунке 1 показано образование вращающегося магнитного поля напримере простейшей трехфазной обмотки (m = 3), состоящей из трех катушекА - X, В - Y и С - Z, стороны которых размещены в диаметрально проти-воположных пазах, а оси катушек сдвинуты в пространстве на 120°.

На рисунке 1, а показаны силовые линии результирующего магнитногополя для момента времени, когда ток в обмотке фазы А положительный и равенамплитудному значению, а токи в других фазах равны половине амплитуды иотрицательны. Ток в фазных обмотках принимаем за положительное значение,когда он направлен от начала обмотки к концу и наоборот отрицательноезначение, если ток в фазных обмотках направлен от конца обмотки к началу. Результирующее магнитное поле имеет два неявно выраженных полю-са, ось этого поля совпадает с осью токов фазы А. Через четверть периода ток вобмотке фазы А становится равным нулю, а токи фаз В и С равны, нопротивоположны по знаку (рисунок 1, б). При этом ось результирующегомагнитного поля поворачивается на 90о.

25

Из картины магнитного поля трёхфазной обмотки статора (рисунок 1)видно, что токи в катушках, имеющие равную амплитуду и равную частоту,сдвинутые во времени на одну треть периода, создают вращающееся поле содной парой полюсов (р = 1). Магнитное поле вращается со скоростью:

pfn /60 1= , об/мин.

Рисунок 1 – Вращающееся магнитное поле простейшей трехфазной обмотки

Направление вращения магнитного поля такое, что поле пересекает осифаз в таком же порядке, в каком происходит чередование максимумов токов вфазах (А, В, С). Для изменения направления вращения магнитного полядостаточно поменять подключения к сети любых двух обмоток статор А - X, В -Y или С - Z.

2.2 Требования к проектированиюобмоток статора

При проектировании обмотки статора машин переменного тока оченьважно иметь в виду, что от конструкции обмотки статора зависят основныеэнергетические и массогабаритные характеристики электрической машины.

а б

26

В техническом отношении обмотка статора должна удовлетворять оп-ределенным требованиям по нагревостойкости, электрической прочности ихизоляции как относительно корпуса машин, так и между отдельными витками иэлементами обмотки.

В крупных машинах обмотка статора должна обладать также достаточноймеханической прочностью, предохраняющей ее от возможных разрушений ваварийных режимах работы машины под действием значительныхэлектродинамических сил.

Кроме того, конструкция обмотки статора должна обеспечить при работемашины переменного тока синусоидальное распределение магнитного поля ввоздушном зазоре и форму наведенной ЭДС обмотки статора, близкую ксинусоиде. В синхронных генераторах синусоидальное распределениемагнитного поля позволяет получить напряжение на зажимах обмотки статора,близким к синусоидальному. В асинхронных двигателях несинусоидальноераспределение магнитного поля ухудшает их работу.

2.3 Способы улучшения формы ЭДСобмотки статора

Чтобы приблизить распределение магнитного поля к синусоидальномуобмотку статора выполняют:

– распределенной,– с укороченным шагом.При распределении обмотки катушки каждой фазы под полюсом укла-

дываются в q пазахpmZq 2/= ,

где Z – число элементарных пазов обмотки;m – число фаз;

p2 – число полюсов машины. Если q = 1, то такая обмотка называется сосредоточенной. Число q мо-жет быть целым или дробным. Распределение пазов (сторон катушек) по фазампроизводится таким образом, чтобы катушки одной группы располагалисьрядом. При целом q количество катушек в каждой группе получаетсяодинаковым и равным q. При дробном q количество катушек в различныхгруппах отличается на единицу. На рисунке 2 приведено распределение пазов исторон катушек по фазам для Z = 24, 2р = 4, q = 2.

27

Стороны катушек фазы А показаны сплошными линиями, фазы С –крупными штрихами, фазы В – мелкими штрихами. В верхней части рисункауказаны фазные зоны, каждая из которых составляет 60 электрическихградусов. Начала фазных зон А, В, С сдвинуты в пространстве на 120электрических градусов.При укорочении шаг обмотки определяется выражением

βτ=y ,

где τ – полюсная дуга,β – коэффициент укорочения.

Путем укорочения шага катушек снижается содержание высших гар-монических МДС и получается более синусоидальное распределение маг-нитного потока в воздушном зазоре. На практике стремятся к ослаблениюпятой и седьмой гармоник. В этом случае коэффициент укорочения выбираютравным

b = 5/6 = 0,833.

Но укорочение возможно только на целое число зубцовых делений, по-этому не всегда возможно выбрать коэффициент 833,0=b . Обычно берут

86,08,0 +=b .Укорочение шага обмотки статора позволяет не только улучшитьэлектромагнитные характеристики (синусоидальность формы МДС ввоздушном зазоре, синусоидальность ЭДС), но и уменьшить расходобмоточного провода на выполнение лобовых частей обмотки.

Рисунок 2 – Распределение пазов и сторон катушек по фазам

28

2.4 Конструирование обмотки статора

Основным элементом обмотки статора является виток (рисунок 3),состоящий из двух последовательно соединенных проводников,расположенных в пазах на расстоянии шага обмотки у:

pZy 2/1τ =» ,

где Z – число пазов расточки статора,

2р – число полюсов.Если шаг равен числу пазов на один полюс τ»y , то шаг называется

диаметральным, если τ<y , то укороченным.Группа витков, соединенных между собой и имеющих общую изоляцию

от сердечника, называется катушкой (рисунок 4).

Рисунок 3 – Виток обмотки статора в магнитном поле

Количество катушек фазы под одним полюсом равно числу пазов наполюс и фазу q.

Катушки фазы под одним полюсом соединяются последовательно иобразуют катушечную группу. Количество катушечных групп фазы равночислу полюсов kф = 2р, а всей обмотки – kоб = 2pm.

29

Рисунок 4 – Обмотки статора:а – однослойная;б – двухслойная

Катушечные группы соединяются параллельно, последовательно илипараллельно-последовательно и образуют фазную обмотку, которая подсое-диняется к внешней цепи.

В зависимости от конструктивного выполнения обмотки статора можноподразделять по двум основным признакам:

– по способу соединения проводников между собой,– способу укладки проводников в пазы статора.

В зависимости от способа соединения проводников обмотки статорамогут быть выполнены:

– петлевыми (катушечными),– волновыми (стержневыми).На рисунке 5 показаны катушки петлевой и волновой обмотки и их

условное изображение. Петлевые и волновые обмотки в свою очередьподразделяются:

– на обмотки с целым q пазов на полюс и фазу и полным шагом,– обмотки с целым q пазов на полюс и фазу и укороченным шагом,– обмотки с целым q пазов на полюс и фазу (специальные обмотки).

30

Рисунок 5 – Катушки двухслойной петлевой (сплошная линия) и волновой (пунктирная линия):

а – обмотки;б – условное изображение

Пример схемы соединения обмотки для фазы А, при двух параллельныхветвях (рисунок 6). В зависимости от способа укладки в пазы обмотки статоравыполняются однослойные (рисунок 7), двухслойные (рисунок 8).

Рисунок 6 – Схема соединения обмотки для фазы А при двух параллельных ветвях

31

Рису

нок

7 –

Схе

ма т

рехф

азно

й од

носл

ойно

й ка

туш

ечно

й об

мотк

и ст

атор

аZ

= 24

, 2p

= 4,

q =

2

32

Рису

нок

8 –

Схе

ма т

рехф

азно

й дв

ухсл

ойно

й об

мотк

и ст

атор

а с

укор

очен

ным

шаг

омZ

= 12

, 2p

= 2,

q =

2

Из рассмотренных типов обмоток статора для асинхронных исинхронных машин применяют петлевые катушечные обмотки, причем, какправило, трехфазные двухслойные катушечные обмотки.Этот тип обмоток имеет ряд преимуществ:

1 Возможность укорочения шага обмотки. При укорочении шага обмот-ки улучшается форма кривой ЭДС, а также форма кривой создаваемого об-моткой магнитного поля.

2 Экономия обмоточного провода за счет уменьшения длины лобовыхчастей обмотки в связи с укорочением шага.

3 Возможность образования совершенно равноценных параллельныхветвей.

4 Простота изготовления обмотки, поскольку все катушки имеют оди-наковую форму и поэтому могут быть выполнены шаблонными. К недостаткам двухслойной обмотки статора можно отнести:

1 Затруднения при укладке последних катушек обмотки.2 Усложнение ремонта из-за необходимости поднимать целый шаг об-

мотки при повреждении нижней стороны катушки.

2.5 Порядок выполнения практической работы

Перед выполнением практической работы необходимо изучить теорети-ческий материал в учебниках, указанных в библиографическом списке.

1 По исходным данным рассчитать шаг обмотки y и число пазов на по-люс и фазу q.

2 На миллиметровой бумаге вычертить развернутую схему обмоткистатора, разметить на схеме полюсные дуги, полюса вращающегося магнитногополя.

3 Катушечные группы каждой фазы обмотки необходимо соединить по-следовательно и вывести шесть концов трехфазной обмотки А; В; С; X; У; Z.

4 Пояснить в отчете порядок определения ЭДС в активных сторонах ка-тушек и порядок последовательного соединения катушек в фазах обмотки.

5 В отчете кратко отразить особенности конструкции трехфазной двух-слойной обмотки статора машины переменного тока.

6 Объяснить:а) почему обмотка выполняется с шагом, примерно равным τ ;б) почему применяется укороченный шаг обмотки;в) почему применяют двухслойную обмотку статора;г) почему применяют распределенную обмотку статора, т. е. q.

32

34

2.6 Исходные данные для выполнения развернутой схемытрехфазной двухслойной катушечной обмотки с целым « q»

Таблица 3

t=y (полный шаг) t<y (укороченный шаг)№ z 2p № z 2p1 18 2 1 1 22 24 2 2 4 23 30 2 3 30 24 36 2 4 36 25 42 2 5 42 26 48 2 6 48 27 24 4 7 24 48 36 4 8 36 49 48 4 9 48 410 36 6 10 36 611 54 6 11 54 612 48 8 12 48 813 60 10 13 60 1014 60 4 14 60 415 60 10 15 60 1016 66 2 16 66 217 72 2 17 72 218 72 4 18 72 419 72 6 19 72 620 72 12 20 72 1221 84 4 21 84 422 84 14 22 84 1423 90 6 23 90 624 90 10 24 90 1025 96 4 25 96 426 96 8 26 96 827 96 16 27 96 1628 108 6 28 108 629 108 12 29 108 1230 108 18 30 108 18

Библиографический список

1 Брускин Д. Э., Зорохович А. Е., Хвостов B. C. Электрические маши-ны. – М. : Высш. шк., 1987. – 316 с.

2 Вольдек А. И. Электрические машины. – Л. : Энергия, 1979. – 840 с.3 Костенко М. П., Пиотровский JI. M. Электрические машины. – М. :

Энергия, 1973. – 648 с.4 Кацман М. М. Электрические машины. – М. : Высш. шк., 2000. - 463 с.5 Вольдек А. И., Попов В. В. Электрические машины. Машины пере-

менного тока. – СПб. : Питер, 2008. – 350 с.6 Вольдек А. И., Попов В. В. Электрические машины. Введение в элек-

тромеханику. Машины постоянного тока и трансформаторы. – СПб. : Питер,2008. – 320 с.

Учебное издание

Григорьев Владислав ФедоровичБунзя Андрей Вадимович

Азарова Екатерина Михайловна


Методические указания к выполнению практических работпо дисциплине

«Электрические машины и электропривод»для студентов специальности

190303 – «Электрический транспорт железных дорог» и бакалавриата 140200 – «Электроэнергетика»

Редактор С.В. Пилюгина

Подписано в печать 02.05.12. Формат 60х84/16.Бумага офсетная. Усл. печ. л. 2,0.

Тираж 100 экз. Заказ 45.

Издательство УрГУПС620034, Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66

Documents

umm_3929