Виды обмоток асинхронного двигателя

Типы асинхронных двигателей, разновидности, какие бывают двигатели

Электродвигатели переменного тока, использующие для своей работы вращающееся магнитное поле статора, являются в настоящее время весьма распространенными электрическими машинами. Те из них, у которых частота вращения ротора отличается от частоты вращения магнитного поля статора, называются асинхронными двигателями .

В связи с большими мощностями энергетических систем и большой протяженностью электрических сетей энергоснабжение потребителей всегда осуществляется на переменном токе. Поэтому естественно стремление к максимальному использованию электрических двигателей переменного тока. Это, казалось бы, освобождает от необходимости многократного преобразования энергии.

К сожалению, двигатели переменного тока по своим свойствам, и прежде всего по управляемости, существенно уступают двигателям постоянного тока, поэтому они используются преимущественно в установках, где не требуется регулирование скорости.

Относительно недавно начали активно использоваться регулируемые системы переменного тока с подключением электродвигателей переменного тока через частотные преобразователи.

Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором представляет собой вращающийся трансформатор, первичная обмотка которого – это статор, а вторичная – ротор. Между статором и ротором находится воздушный зазор. Как и в любом реальном трансформаторе, каждая обмотка имеет также и собственное активное сопротивление.

При подключении двигателя в электрическую сеть в статоре возникает магнитное поле, которое вращается синхронно с частотой питающей сети. За счет явления электромагнитной индукции под действием магнитного поля статора в электрически замкнутых обмотках ротора возникает электрический ток.

Наведенный электрический ток ротора создаст собственное магнитное поле, которое вступает во взаимодействие с вращающимся магнитным полем статора. В результате ротор начинает вращаться, и на валу двигателя возникает механический момент, пропорциональный току статора.

Характерной особенностью асинхронного двигателя является то, что за счет взаимодействия полей статора и ротора скорость вращения вала двигателя несколько меньше, чем частота питающей сети. Разность между частотой питающей сети и скоростью вращения называют скольжением.

Очень широко применяются в различных отраслях хозяйства и производства асинхронные двигатели в силу простоты их изготовления и высокой надежности. Между тем, можно выделить четыре основных типа асинхронных двигателей:

однофазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором;

двухфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором;

трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором;

трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором.

Однофазный асинхронный двигатель содержит на статоре лишь одну рабочую обмотку, на которую в процессе работы двигателя подается переменный ток. Но для пуска двигателя на его статоре есть и дополнительная обмотка, которая кратковременно подключается к сети через конденсатор или индуктивность, либо замыкается накоротко. Это необходимо для создания начального сдвига фаз, чтобы ротор начал вращаться, иначе пульсирующее магнитное поле статора не столкнуло бы ротор с места.

Ротор такого двигателя, как и любого другого асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, представляет собой цилиндрический сердечник с залитыми алюминием пазами, с одновременно отлитыми вентиляционными лопастями. Такой ротор, типа «беличья клетка» и называется короткозамкнутым ротором. Однофазные двигатели применяются в маломощных приборах, таких как комнатные вентиляторы или небольшие насосы.

Двухфазные асинхронные двигатели наиболее эффективны при работе от однофазной сети переменного тока. Они содержат на статоре две рабочие обмотки, расположенные перпендикулярно, причем одна из обмоток подключается к сети переменного тока напрямую, а вторая – через фазосдвигающий конденсатор, так получается вращающееся магнитное поле, а без конденсатора ротор бы сам не сдвинулся с места.

Эти двигатели также имеют короткозамкнутый ротор, а их применение гораздо шире, чем у однофазных. Здесь уже и стиральные машины, и различные станки. Двухфазные двигатели для питания от однофазных сетей называют конденсаторными двигателями, так как фазосдвигающий конденсатор является зачастую неотъемлемой их частью.

Трехфазный асинхронный двигатель содержит на статоре три рабочие обмотки, сдвинутые относительно друг друга так, что при включении в трехфазную сеть, их магнитные поля получаются смещенными в пространстве относительно друг друга на 120 градусов. При подключении трехфазного двигателя к трехфазной сети переменного тока, возникает вращающееся магнитное поле, приводящее в движение короткозамкнутый ротор.

Обмотки статора трехфазного двигателя можно соединить по схеме «звезда» или «треугольник», причем для питания двигателя по схеме «звезда» требуется напряжение выше, чем для схемы «треугольник», и на двигателе, поэтому, указываются два напряжения, например: 127/220 или 220/380. Трехфазные двигатели незаменимы для приведения в действие различных станков, лебедок, циркулярных пил, подъемных кранов, и т.д.

Трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором имеет статор аналогичный описанным выше типам двигателей, – шихтованный магнитопровод с тремя уложенными в его пазы обмотками, однако в фазный ротор не залиты алюминиевые стержни, а уложена уже полноценная трехфазная обмотка, в соединении «звезда». Концы звезды обмотки фазного ротора выведены на три контактных кольца, насаженных на вал ротора, и электрически изолированных от него.

1 – кожух с жалюзями, 2 – щетки, 3 – щеточная траверса со щеткодержателями, 4 – палец крепления щеточных траверс, 5 – выводы от щеток, 6 – колодка, 7 – изоляционная втулка, 8 – контактные кольца, 9 – наружная крышка подшипника, 10 – шпилька крепления коробки и крышек подшипника, 11 – задний подшипниковый щит, 12 – обмотка ротора, 13 – обмоткодержатель, 14 – сердечник ротора, 15 – обмотка ротора, 16 – передний подшипниковый щит, 7 – наружная крышка подшипника, 18 – вентиляционные отверстия, 19 – станина, 20 – сердечник статора, 21 – шпильки внутренней крышки подшипника, 22 – бандаж, 23 – внутренняя крышка подшипника, 21 – подшипник, 25 – вал, 26 – контактные кольца, 27 – выводы обмотки ротора

Посредством щеток, на кольца также подается трехфазное переменное напряжение, и подключение может быть осуществлено как напрямую, так и через реостаты. Безусловно, двигатели с фазным ротором стоят дороже, но их пусковой момент под нагрузкой значительно выше, чем у типов двигателей с короткозамкнутым ротором. Именно в силу повышенной мощности и большого пускового момента, этот тип двигателей нашел применение в приводах лифтов и подъемных кранов, то есть там, где устройство запускается под нагрузкой, а не вхолостую.

Подробнее про этот тип двигателей читайте здесь: Асинхронные электродвигатели с фазным ротором

Типы обмоток электродвигателей

Одной из важнейших частей электродвигателя является обмотка, в которой осуществляются основные рабочие процессы преобразования электрической энергии в механическую. Именно в обмотке электромашины происходит индуцирование элекродвижущей силы (ЭДС) и появляется электроток, создающий при взаимодействии с магнитным полем электромагнитные силы.

Различают несколько типов обмоток, используемых при производстве электрических машин или их сборке в процессе ремонта электродвигателей:

• в статорах трехфазных синхронных и асинхронных машин применяются трехфазные обмотки машин переменного тока;
• в роторах асинхронных электродвигателей с контактными кольцами используется тот же тип обмоток;
• в статорах асинхронных однофазных двигателей с короткозамкнутым ротором применяются однофазные обмотки.

• обмотки якорей коллекторных двигателей однофазного переменного и постоянного тока;
• обмотки короткозамкнутые для роторов асинхронных электродвигателей;
• обмотки возбуждения коллекторных и синхронных электродвигателей.

Всыпные, шаблонные, стержневые обмотки

По технологии изготовления и конструктивным особенностям также различают шаблонные, стержневые и всыпные обмотки.

1. Всыпные обмотки используются в статерах низковольтных электродвигателей; в зависимости от мощности применяются однослойные (до 7 кВт) или двухслойные (до 10 кВт) обмотки. Их использование характерно и для роторов мощностью до 100 кВт. Всыпные обмотки не имеют формы с точно установленными размерами. Такие обмотки всыпаются по одному проводнику (круглый изолированный провод) через узкие шлицы в полузакрытые пазы сердечников.
2. Шаблонные, или жесткие обмотки производятся из прямоугольных или круглых проводов определенных размеров. Они формуются, при этом проводники изолируются общей изоляцией. Укладка происходит в открытые или полуоткрытые пазы. Использование данного вида обмоток характерно для статоров свыше 100 кВт и фазных роторов от 10 до 100 кВт.
3. Применение стержневых обмоток характерно, в основном, для роторных машин с двигателями мощностью более 100 кВт.

В маломощных машинах постоянного тока (до 10 кВт) используются, в основном, всыпные якорные обмотки, укладываемые в полузакрытые пазы. Для якорей более мощных двигателей применяются многовитковые или одновитковые катушки с шаблонной обмоткой, для двигателей еще большей мощности используются стержневые обмотки с высокой электрической и механической прочностью и дополнительной витковой изоляцией. В процессе перемотки трансформаторов или электродвигателей, специалисты точно определяют тип обмотки для дальнейшей надлежащей работы.

ВИДЫ ОБМОТОК ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ И СПОСОБЫ ИХ ИЗОБРАЖЕНИЯ

Важная составная часть электродвигателей – ее обмотки, в которых происходят основные рабочие процессы по преобразованию энергии. В наиболее распространенных типах электрических машин можно выделить:

трехфазные обмотки машин переменного тока, используемые обычно в статорах трехфазных асинхронных и синхронных машин, а также в роторах асинхронных двигателей с контактными кольцами.

однофазные обмотки статоров асинхронных однофазных двигателей с короткозамкнутым ротором.

обмотки якорей коллекторных машин постоянного и однофазного переменного тока.

короткозамкнутые обмотки роторов асинхронных электродвигателей.

обмотки возбуждения синхронных и коллекторных машин.

Обмотки возбуждения синхронных и коллекторных машин состоят, как правило, из сравнительно простых полюсных катушек. Несложным является и устройство короткозамкнутых обмоток роторов асинхронных двигателей. Остальные же виды перечисленных выше обмоток представляют собой достаточно сложные системы размещенных в пазах изолированных проводников, соединенных по особым схемам, требующим специального изучения.

Простейшим элементом обмотки является виток, который состоит из двух последовательно соединенных проводников, размещенных в пазах, находящихся, как правило, под соседними разноименными полюсами.

Лежащие в пазах проводники витка являются его активными сторонами, поскольку именно здесь наводится ЭДС от главного магнитного поля машины. Находящиеся вне паза части витка, соединяющие между собой активные проводники и располагающиеся по торцам магнитопровода, называются лобовыми частями.

Проводники, образующие виток, могут состоять из нескольких параллельных проводов. Обычно к этому прибегают, чтобы сделать обмотку мягкой и облегчить ее укладку в пазы.

Один или несколько последовательно соединенных витков образуют катушку или секцию обмотки. Если секция состоит из одного витка, то такую обмотку называют стержневой, так как в этом случае находящиеся в пазах проводники обычно представляют собой жесткие стержни. Обмотка, состоящая из многовитковых секций, называется катушечной.

Катушка, или секция обмотки, характеризуется числом витков wc и шагом y, т. е. количеством охватываемых ею зубцов магнитопровода. Так, например, если одна сторона катушки (секции) лежит в первом пазу, а вторая – в шестом, то катушка охватывает пять зубцов и шаг ее равен пяти (у = 5). Шаг, таким образом, может быть определен как разность между номерами пазов, в которые уложены обе стороны катушки (у = 6 – 1 = 5).

Зачастую в обмоточных данных и технической литературе шаг обозначают номерами пазов (начиная с первого), в которые уложены стороны катушки, т. е. в данном случае это обозначение выглядит так: у = 1 – 6.

Шаг обмотки называют диаметральным, если он равен полюсному делению τ, т. е. расстоянию между осями соседних разноименных полюсов, или, что то же самое, числу пазов (зубцов), приходящихся на один полюс. В этом случае у = τ = z/2p, где z – число пазов (зубцов) сердечника, в котором размещена обмотка; 2р – число полюсов обмотки.

Если шаг катушки меньше диаметрального, то его называют укороченным. Укорочение шага, характеризуемое коэффициентом укорочения ky = у / τ, широко применяется в обмотках статоров трехфазных асинхронных электродвигателей, так как при этом экономится обмоточный провод (за счет более коротких лобовых частей), облегчается укладка обмотки и улучшаются характеристики двигателей. Применяемое укорочение шага обычно лежит в пределах 0,85 – 0,66.

В духполюсной электрической машине центральный угол, соответствующий полюсному делению, равен 180°. Хотя в четырехполюсных машинах этот геометрический угол равен 90°, в шестиполюсных – 60° и т. д., принято считать, что между осями соседних разноименных полюсов во всех случаях угол равен 180 электрическим градусам (180 эл. град.). Иначе говоря, полюсное деление τ = 180 эл. град.

Различают однослойные обмотки, где каждый паз занят стороной одной катушки (секции), и двухслойные, где в пазах размещены стороны разных катушек (секций) в два слоя.

Способы изображения обмоток:

Способы изображения обмоток электрических машин достаточно условны и своеобразны. Обмотки содержат большое число проводников, и изобразить все соединения и проводники на чертеже практически невозможно. Поэтому приходится прибегать к изображению обмоток в виде схем.

Преимущественно пользуются двумя основными способами изображения обмоток на схемах.

При первом способе цилиндрическую поверхность сердечника вместе с обмоткой (а у коллекторных машин – вместе с коллектором) как бы мысленно разрезают по образующей и разворачивают на плоскость чертежа. Такого типа схемы называются развернутыми, или схемами-развертками (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Развернутая схема трехфазной однослойной концентрической обмотки с z = 24, 2р = 4.

При втором способе обмотку как бы проектируют на плоскость, перпендикулярную оси сердечника, показывая вид обмотки с торца (для коллекторных машин обычно со стороны коллектора). Проводники (или активные стороны секций и катушек), расположенные в пазах па поверхности сердечника, изображают кружочками и показывают торцевые (лобовые) соединения обмотки. При необходимости изображают не только видимые с данной стороны торцевые соединения обмотки, но и размещенные с обратной стороны сердечника невидимые лобовые части, причем их изображение в этом случае выносится за окружность сердечника. Схемы такого типа называют торцевыми, или круговыми (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Торцевая схема обмотки m = 3, z = 24, 2р = 4.

Торцевая и развернутая схемы обмоток:

Наиболее распространены схемы, выполненные по первому способу. Они легче читаются и более наглядны. Для облегчения чтения и выполнения торцевых схем их выполняют упрощенным способом (рис. 2.3). Но даже после этого для обмотчика, не имеющего достаточного опыта работы с торцевыми схемами, они кажутся непонятными и неудобочитаемыми. В развернутых схемах расположение катушек и катушечных групп, соединение катушек и катушечных групп выглядит более реально и понятно.

Рис. 2.3. Торцевая схема при 2р = 4, а = 1.

Схемы дают достаточно четкое представление об устройстве и размещении на сердечнике всех элементов обмотки и соединений между ними. На схемах в основном изображают лишь проводники обмотки, стараясь по возможности опустить все остальные детали, загромождающие схему и затрудняющие ее чтение. Необходимые дополнительные технические данные приводятся на схемах в виде надписей.

Катушка, или секция на схеме изображается одной линией независимо от того, намотана она в один провод или в несколько параллельных проводов, состоит из одного витка или является многовитковой. На развернутой схеме секция или катушка изображаются в виде замкнутой, напоминающей действительную конфигурацию секции (катушки) фигуры, от которой ответвляются выводы.

В развернутых схемах двухслойных обмоток стороны катушек или секций, лежащие ближе к воздушному зазору, т. е. в верхнем слое паза, изображают сплошными линиями, а стороны, лежащие в нижнем слое, – штриховыми (пунктирными). Иногда (в книгах старых изданий) активные стороны катушек в обоих слоях паза изображают сплошными линиями, но те стороны, что лежат в верхнем слое, располагают слева, а те, что лежат в нижнем слое, – справа.

На схемах трехфазных обмоток провода разных фаз могут изображаться различающимися между собой линиями, например сплошными, штриховыми и штрихпунктирными, линиями разной расцветки или разной толщины, двойными линиями с разной штриховкой между ними.

На схемах обычно указывают номера пазов, номера коллекторных пластин, могут быть также обозначены номера секций и их сторон, номера и маркировка выводных концов катушечных групп, фаз обмотки, указаны направления токов, фазные зоны, полюса магнитного поля и т. д. (рис. 2.4 – 2.6).

Рис. 2.4. Развернутая схема двухслойной обмотки при z = 24, 2р = 4, q = 2.

Рис. 2.5. Изображение катушечных групп на схемах: а – развернутой, б – условной.

Рис. 2.6. Условные схемы двухслойной обмотки статора: а – для трех фаз при 2р = 2; б – для одной фазы при 2р = 2, в – для одной обмотки статора при 1р = 4.

Схемы необходимы не только при изучении принципа работы обмоток, их устройства, свойств и особенностей, но также и для выполнения обмоточных работ. Не имея схемы и не сверяясь с ней в процессе работы, трудно выполнить обмотку, поэтому перед началом ремонта обмотки надлежит составить ее схему или найти в справочнике аналогичную.

Упрощенные торцевые схемы:

Следует отметить, что полные развернутые и торцевые схемы сложных многополюсных обмоток с большим числом пазов получаются очень громоздкими и трудными для чтения.

В этих случаях в процессе выполнения обмоток, элементы которых повторяются, часто используют практические развернутые схемы, где изображена, например, лишь одна фаза (иногда часть фазы) трехфазной обмотки или несколько секций обмотки коллекторной машины. Широко используются также упрощенные торцевые схемы, где целые катушечные группы изображаются в виде части дуги с обозначениями выводов, а более мелкие элементы обмотки не изображают или изображают на схеме отдельно. Упрощенные торцевые схемы удобны при выполнении соединений между катушечными группами в сложных обмотках.

Обмотки статора электродвигателя, классификация, характеристики, применение

Обмотки статоров различных типов и видов электрических машин переменного тока разнообразны по конструкции, технологии их изготовления и укладки в пазы.

Для того чтобы яснее представить себе существующие конст

рукции катушек обмоток статоров машин переменного тока, а так

же в связи с тем, что от вида и типа катушек зависят технологиче

ские операции, выполняемые при ремонте обмоток, следует при

вести условную классификацию катушек обмоток статоров электри

ческих машин переменного тока по ряду конструктивных и техноло

Номинальное напряжение до 660 В, 3 кВ и вышы имеет широкое распространение в классе напряжении до 660

также и по периметру каждого витка (витковая изоляция). Соотношение площади проводниковых и изоляционных материалов сечении площади паза для обмоток низкого и высокого напряжен можно оценить по рис. 3. Кроме того, при изготовлении катушек напряжение машины 10 кВ и выше применяются так называем противокоронные меры, которые заключаются либо в устанавливаются в

16 специальных конструктивных элементов внутри катушек, либо в нанесении дополнительного покрытия наружной поверхности изоляций катушек полупроводящими лаками.

Вид обмоточного провода, из которого изготовляются катушки. Катушки из круглого обмоточного провода — мягкие катушки, окончательная формовка лобовых частей которых производится в процессе их укладки в пазы статора, применяются для асинхронных двигателей низкого напряжения мощностью до 100 кВт. Катушки из обмоточного провода прямоугольного сечения — жесткие катушки, которые укладываются в пазы статора в окончательно отформованном при их изготовлении виде, применяются в электрических машинах высокого напряжения. Следует отметить, что имеется целый ряд типоразмеров электрических машин низкого напряжения, где также применяются жесткие катушки, — это» асинхронные и синхронные двигатели в диапазоне мощностей 100—400 кВт.

Класс нагревостойкости. В зависимости от расчетных электромагнитных нагрузок в пусковом и номинальном режимах и связанных с этим температурных факторов, а также от эксплуатационных условий обмотки электрических машин по ГОСТ 183—74 могут быть изготовлены по классам нагревостойкости А, Е, В, F и Н. Технологически это означает применение для обмотки каждого класса нагревостойкости соответствующих марок обмоточных проводов и изоляционных материалов, способных нормально работать при температурах, характеризующих данный класс.

Характеристики основных групп изоляционных материалов и обмоточных проводов, относящихся к тем или иным классам нагревостойкости, будут даны ниже при непосредственном рассмотрении технологических процессов изготовления катушек.

Число сторон катушек в пазу.

Различие обмоток по этому признаку заключается в том, что в однослойной обмотке сторона катушки занимает повысоте весь паз статора, а в двухслойной — только половину паза. По конструкции и технологии изготовления катушки однослойных и двухслойных обмоток, изготовляемых из круглого провода (для двигателей до 100 кВт), не имеют между собой принципиальных отличий. Катушки однослойных и двухслойных обморок, изготовляемые из обмоточных проводов прямоугольного сечения, принципиально отличаются между собой и по конструкции, по технологии изготовления, а также по технологии их укладки и монтажа в статоре.

Вид элементов обмотки.

Различие элементов обмотки по данному признаку заключается в том, что катушка может быть технологически изгоготовлена замкнутой с последовательным соединением в oт этом случае обмотку называют катушечной) или элемен, обмотки изготовляются в виде стержней, а соединение витков стержней в катушку производится в процессе монтажа обмотки

тор; такие обмотки называют стержневыми.

Каждый из видов катушек обмоток электрических машин переменного тока приведениои условной классификации в силу различныз технологических и эксплуатационных факторов имеют и

внутри данного вида различия по конструкции и применяемы материалам.

К обмоткам высокого напряжения статоров, которые наиболее широко применяются в настоящее время, по приведенной выц классификации, относят: двухслойные катушечные обмотки из обм. точных проводов прямоугольного сечения, на номинальное напря. жение 3, 6 и 10 кВ с изоляцией классов нагревостойкости В, F и Н Такие обмотки применяются в подавляющем большинстве синхронных и асинхронных электрических машинах мощностью 100— 6000 кВт, составляющих основной парк электрических машин высокого напряжения в стране. В связи с выбранным видом обмоток следует ознакомиться с построением схем обмоток статоров электрических машин, в которых применяются эти виды обмоток.