Конструкция машин переменного тока

Оглавление

 

КОНСТРУКТИВНАЯ  СХЕМА  И УСТРОЙСТВО МАШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО  ТОКА………………………………………………………. 2

УСТРОЙСТВО  АСИНХРОННОЙ МАШИНЫ 8

УСТРОЙСТВО  СИНХРОННОЙ  МАШИНЫ 11

Список использованной литературы 13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КОНСТРУКТИВНАЯ  СХЕМА  И УСТРОЙСТВО МАШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Электрическая машина имеет  две основные части — вращающуюся, называемую ротором, и неподвижную, называемую статором, разделенные воздушным зазором.

Рис. 1. Конструктивная схема вращающейся  электрической машины:

/ — статор; 2 — обмотка статора; 3— воздушный зазор; 4 — ротор; 5 — обмотка ротора; 6 — подшипники; 7—подшипниковые щиты; 8 — вал ротора;  9—вентилятор;  10 — станина

Преобразование  энергии в электрической машине происходит в пространстве, занятом  электромагнитным полем. Части электрической  машины, непосредственно предназначенные  для энергопреобразовательного  процесса, называются активными частями. К ним относятся магнитопроводы, проводники обмоток, промежутки между магнитопроводами и проводниками обмоток.

Однако, для того, чтобы машина могла осуществлять свое назначение, в ней должен быть предусмотрен еще целый ряд важных деталей, называемых конструктивными частями, обеспечивающие необходимую жесткость, прочность,  возможность  вращения,  охлаждения и т. п., но не принимающие непосредственного участия в процессе преобразования энергии.

 

Магнитопровод машины. Магнитопровод, по которому замыкается переменный магнитный поток, с целью ослабления вихревых токов и уменьшения вызываемых ими потерь энергии, выполняют шихтованным— из листов электротехнической стали.

Так как в частях электрических  машин магнитный поток замыкается по сложным контурам, отличным от прямолинейных, в них, как правило, применяется изотропная холоднокатаная сталь. Для изготовления полюсов синхронных машин иногда применяется анизотропная холоднокатаная сталь, так как в полюсах направление магнитных линий совпадает с направлением прокатки, в котором магнитная проницаемость очень велика. Сердечники  статоров и роторов асинхронных машин и якорей синхронных машин штампуют из изотропной рулонной холоднокатаной стали, позволяющей при раскрое получать экономию порядка 10... 15% по сравнению с листовой,  поэтому листовая сталь применяется редко.

В машинах малой  мощности применяют сталь марки 2013 с низким содержанием кремния, достаточно вязкую, позволяющую получать мелкие пазы сложной конфигурации. В машинах средней и большой мощности используют сталь марок 2212, 2311 и 2411 с повышенным содержанием кремния. Эти стали более хрупки, что затрудняет их штамповку, но имеют низкие потери на перемагничивание и не требуют отжига сердечников после штамповки.

В микромашинах широко применяют также магнитопроводы, собранные из листов железоникелевых сплавов типа пермаллой.

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Устройство статора и ротора машины  переменного тока:

1 — пакет статора; 2 — станина; 3—сердечник ротора; 4 — вал

 

Статор асинхронных  и большинства синхронных машин состоит из шихтованного магнитопровода (рис. 2, а), запрессованного в литую станину (рис. 2, б). Поскольку через массивную станину переменный магнитный поток не замыкается, станину можно выполнять из немагнитного материала (алюминия) или ферромагнитного с малой магнитной проницаемостью (чугуна). На внутренней поверхности шихтованного статора, в пазах, располагают обмотку статора.

Ротор асинхронной машины (рис.2, в) обычно состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали. Сердечник запрессовывают на вал или втулку ротора (при больших размерах машины) и сжимают специальными нажимными шайбами. В пазах, размещенных на наружной поверхности ротора (сходных по форме с пазами статора), располагают обмотку ротора. В синхронных машинах ротор выполняют массивным, так как на нем расположены полюсы с обмотками возбуждения, магнитный поток которых неподвижен относительно ротора.

При изготовлении листов ротора и статора в них штампуют пазы (рис. 3, а, б) для укладки проводников обмотки ротора и статора, а также вентиляционные каналы для прохода охлаждающего воздуха.

Рис. 3.  Листы ротора  (а)  и  статора  (о):

1 — лист  ротора;  2 — зубец; 3 — паз;  4 — вентиляционный  канал;

5 — отверстие  под вал;  6 — лист статора

 

Обмотки статора и  ротора. В электрических машинах переменного тока обмотки размещают в пазах, расположенных на внутренней поверхности статора и на внешней  поверхности ротора.

Конфигурация зубцов и пазов (рис. 4 и 5) зависит от типа машины и ее мощности. В машинах большой мощности обмотки статора и ротора выполняют из проводников прямоугольного сечения. В этом случае используют открытые пазы прямоугольной формы, позволяющие наилучшим образом разместить проводники и обеспечить надежную их изоляцию. В машинах малой и средней мощности обмотки ротора и статора обычно выполняют из провода круглого сечения; в таких машинах применяют полузакрытые пазы овальной или трапецеидальной формы. В ряде случаев при проводниках прямоугольного сечения используют

Рис. 4.  Пазы  ротора  открытый  (а),  полуоткрытый  (б)  и  полузакрытый  (в,  г):

1 — клин; 2 — проводники; 3 — изоляция слоя; 4 — межслойная изоляция;  5 — пазовая изоляция

 

полуоткрытые пазы, уменьшающие магнитное сопротивление слоя «зубцы — пазы — воздушный зазор» по сравнению с открытыми пазами. В микромашинах роторы часто имеют пазы круглой формы; при этом существенно упрощается и удешевляется изготовление штампов.

Рис. 5. Пазы статора открытый (а), полуоткрытый  (б):

1 — проводники;  2—изоляция слоя; 3 — межслойная изоляция; 4 — изоляция паза;  5 — клин

При укладке проводников в пазы дно и стенки покрывают изоляционным материалом (стеклотканью, лакотканью и пр.). Проводники, а также их верхний и нижний слои тоже изолируют друг от друга. Чем выше напряжение, при котором работает машина, тем большую электрическую прочность должна иметь изоляция проводников от сердечника ротора или статора. Проводники укрепляют в пазах ротора и статора с помощью клиньев, а на роторе, кроме того, с помощью стеклобандажей, намотанных на лобовые части его обмотки (части обмотки, выходящие из сердечника ротора). В некоторых случаях бандажи располагают и в нескольких местах вдоль сердечника ротора.

Основные  элементы обмоток. Проводники, находящиеся в пазах, соединяют между собой, при этом образуется ряд катушек (рис. 6, а). Расположенные в соседних пазах катушки, соединенные последовательно и относящиеся к одной фазе и паре полюсов, образуют катушечную группу. Каждая фаза обмотки АХ, BY и CZ в общем случае состоит из нескольких соединенных последовательно или параллельно катушечных групп. Параллельное их соединение применяют при больших токах фазы или при необходимости переключения отдельных  катушечных групп.

Простейший элемент  обмотки — виток (рис. 6, б), состоящий из двух проводников 1 и 2, размещенных в пазах, находящихся друг от друга на некотором расстоянии у (шаг обмотки приблизительно равный одному полюсному делению τ, под которым понимают длину дуги,  соответствующую  одному полюсу).

Если у=τ, шаг называют диаметральным или полным; при у<τ —укороченным, при у>τ—удлиненным. Разность τ—у называют укорочением.

 Число пазов, приходящихся  на полюс и фазу где т — число  фаз.

Обычно витки, образованные проводниками, лежащими в одних и

тех же пазах, объединяют в одну или  две катушки (рис. 7); иногда их называют секциями. В

Рис. 6.  Расположение  катушек трехфазной  обмотки  на статоре (а) и  образование  витка  из  двух  проводников (б)

В обмотке статора, представ-ленной на рис. 6, а, каждая фаза (АХ, BY и CZ) состоит из трех катушек, стороны которых расположены в трех смежных пазах, т. е. q = 3. В общем случае в трехфазной обмотке на одном полюсном делении расположено 3q пазов. При q= 1 под каждым полюсом расположено только по одной катушке каждой фазы. Такую обмотку называют  сосредоточенной. Как показано ниже, обычно q> 1; при этом обмотку называют распределенной.

По расположению катушек в пазах и размещению их лобовых частей различают однослойные, двухслойные (в том числе концентрические),  одно-двухслойные  обмотки.

Рис. 7. Устройство катушек обмотки статора при однослойной (а) и двухслойной (б) обмотках

 

 

 

 

 

 

 

       Рис. 8.  Расположение катушек в пазах при однослойной (а)

                и двухслойной (б) обмотках

 

Однослойные обмотки. При выполнении однослойной обмотки необходимо предусматривать возможность установки ротора внутрь статора. Поэтому лобовые части, посредством которых соединяют между собой активные проводники, лежащие в пазах, должны быть отогнуты к сердечнику статора. В зависимости от способа выполнения лобовых соединений однослойные обмотки могут иметь различные конструкции. Обычно используют шаблонные и концентрические обмотки.

Рис. 9.  Схема  расположения   катушек на статоре трехфазной машины с  однослойной  обмоткой

Рассмотрим принцип  построения трехфазной однослойной обмотки на примере четырехполюсной машины (2р = 4; q = 2; z = 24). На рис. 9 указано также мгновенное направление ЭДС, индуцированных в проводниках различных фаз для момента времени, соответствующего максимальному значению тока в фазе АХ.

На рис. 10 приведена схема соединения указанных проводников при выполнении шаблонной обмотки, изготовляемой из заранее намотанных катушек одинаковой формы (см. рис 7, а). Обычно это трапецеидальные катушки, которые в процессе намотки закладывают в пазы и соединяют между собой соответствующим образом.

Рис. 10. Схема шаблонной обмотки (а) при 2p = 4; q = 2 и z = 24

и расположение ее лобовых частей (б): 
1 — сердечник статора;  2 — нажимная шайба; 3— катушки

При выполнении обмотки проводники, лежащие в  различных пазах, соединяют между собой в витки и катушки так, чтобы индуцированные в них ЭДС складывались. В обмотке, показанной на рис. 10, а, каждая катушечная группа состоит из двух катушек. Лобовые части катушек шаблонной обмотки при выходе из пазов отгибают, как показано  на рис. 10,6.

На рис 11, а показана схема концентрической обмотки для той же машины (2р = 4; q = 2; z = 24). Здесь катушки имеют разные размеры. Однако в последовательную цепь включены те же проводники 1—24 и в электрическом отношении свойства обеих  обмоток  одинаковы.

Несмотря на то, что при  концентричес-кой обмотке одни катушки короче, а другие длиннее, шаг обмотки остался неизменным, он равен полюсному

делению (как и при шаблонной обмотке). В концентрической обмотке катушки, принадлежащие одной катушечной группе, располагают одну внутри другой (рис. 11,6). Однако катушки различных катушечных групп пересекаются, поэтому их лобовые части необходимо располагать в двух или трех плоскостях (ярусах).                   

Двухслойные обмотки. Выпускаемые промышленностью машины общего применения с двухслойными обмотками имеют обычно шаг y = (0,8...0,856)τ.

На рис. 12, а показано расположение проводников в пазах статора четырехполосной машины с двухслойной обмоткой (2р = 4; q = 2; z = 24) (см. рис. 9). Шаг обмотки по пазам принят равным y = 0,8τ.

В каждом пазу проводники располагают в два слоя, причем проводники верхнего и нижнего слоев, принадлежащие одной фазе, сдвинуты относительно друг друга на один паз. Проводники соединяют между собой в катушки так, чтобы индуцированные в них ЭДС складывались. В схеме двухслойной обмотки (рис. 12, б) все проводники, лежащие в каждом слое паза (каждая сторона катушки), изображены в виде линии. Проводники верхних слоев показаны сплошными линиями; нижних слоев — штриховыми линиями. Направление ЭДС в проводниках показано стрелками   в  соответствии   с  направлением,   указанным  на рис. 12, а. Лобовые части обмоток располагают, как показано на рис. 12, в. Общее число катушек при двухслойной обмотке вдвое больше, чем при однослойной, что несколько усложняет конструкцию и стоимость обмотки. Однако такая обмотка дает некоторую экономию обмоточного провода. Кроме того, все катушки совершенно одинаковы (см. рис. 7, б), что позволяет механизировать их изготовление.

В схемах, приведенных на рис. 10, а;11, а; 12, б, все катушки одной фазы соединены последовательно. Такое соединение характерно для машин сравнительно небольшой мощности. В машинах большой мощности для уменьшения сечения отдельных проводников катушки соединяют так, чтобы образовались параллельные ветви, содержащие равное количество катушек. В этом отношении двухслойные обмотки имеют преимущество

перед однослойными, так как из-за большого числа катушек облегчается распределение их по параллельным ветвям.

 

 

Рис. 12. Схема расположения катушек двухслойной обмотки на статоре трёхфазной машины (а) и их соединение между собой (б); устройство лобовых частей (в);

1 – сердечник  статора; 2 – нажимная шайба, 3 –  катушки

Рис. 13. Схема расположения катушек одной фазы на статоре трехфазной машины с одно-двухслойной обмоткой (2р = 4; q = 3;z=36)

Одно-двухслойные обмотки. В обычной двухслойной обмотке в некоторых пазах располагают стороны катушек, принадлежащих к одной и той же фазе (например, пазы 3, 5, 7 и другие на рис. 12, б), а в других — стороны катушек разных фаз. В одно-двухслойной обмотке в пазах, в которых размещены стороны катушек одной и той же фазы, помещают однослойную катушку (большую с двойным числом витков), а в остальных пазах — в два слоя стороны катушек разных фаз (рис. 13). Такая обмотка состоит из концентрических катушек; число катушечных групп равно числу полюсов. Катушечная группа состоит на одной большой и q — 2 малых катушек; всего катушек q — 1. Указанная обмотка выполнима только при q>2. При q=2 она превращается в концентрическую однослойную обмотку. Одно-двухслойную   обмотку можно выполнить и с двумя большими катушками в катушечной группе. В этом случае общее число катушек в группе q = 2. Такая обмотка выполнима при q>4.

Виды  обмоток. По конструкции катушек обмотки подразделяют на всыпные с мягкими катушками и обмотки с жесткими катушками или полукатушками. Мягкие катушки изготовляют из круглого изолированного провода. Для придания требуемой формы их предварительно наматывают на шаблоны, а затем укладывают в изолированные трапецеидальные пазы (см. рис. 4, в, г); междуфазовые изоляционные прокладки устанавливают в процессе укладки обмотки. Затем катушки укрепляют в пазах с помощью клиньев или крышек, придают им окончательную форму (формируют лобовые части), осуществляют бандажирование обмотки и ее пропитку. Весь процесс изготовления всыпных обмоток  можно  полностью механизировать.

Жесткие катушки (полукатушки) изготовляют из прямоугольного изолированного провода. Окончательную форму им придают до укладки в пазы; одновременно на них накладывают корпусную и междуфазовую изоляцию. Затем катушки укладывают в предварительно изолированные открытые или полуоткрытые пазы (см. рис. 4, а, б и 5, а, б), укрепляют и подвергают пропитке.

 

Контактные кольца. Для подвода тока к обмотке ротора или подключения к ней реостата на роторе должны быть расположены контактные кольца (три кольца при трехфазном токе). Исключение составляют асинхронные машины с короткозамкнутым ротором, которым контактные кольца не требуются. Токосъем с контактных колец осуществляют с помощью щеток — прямоугольных брусков, изготовленных из смеси угля, графита и порошка металла (меди и свинца). Щетки устанавливают в специальных щеткодержателях и прижимают к контактой поверхности с помощью пружин.

Электрические машины мощностью примерно до 2000 кВт имеют шариковые или роликовые подшипники, расположенные в подшипниковых щитах. При больших мощностях применяют скользящие подшипники.

 

УСТРОЙСТВО АСИНХРОННОЙ МАШИНЫ

 

По конструкции асинхронные  двигатели подразделяют на два основных типа: с короткозамкнутым ротором и фазным ротором (последние называют также двигателями с контактными кольцами). Рассматриваемые двигатели имеют одинаковую конструкцию статора и отличаются лишь выполнением обмотки ротора.

Двигатели с короткозамкнутым ротором. На статоре (рис. 14) расположена трехфазная обмотка, которая при подключении к сети трехфазного тока создает вращающееся магнитное поле. Обмотка ротора выполнена в виде беличьей клетки, является короткозамкнутой и никаких выводов не имеет.

 

Рис. 14  Устройство асинхронного двигателя с короткозамкнутым

ротором:

1 — корпус;  2 — сердечник статора;  3 — сердечник ротора;  4 — обмотка

ротора «беличья клетка»; 5 — обмотка статора;  6—вентиляционные лопатки

ротора;  7 —  подшипниковый щит; 8 — кожух вентилятора; 9 — вентилятор

 «Беличья клетка» состоит из медных или алюминиевых стержней, замкнутых накоротко с торцов двумя кольцами (рис. 15, а). Стержни этой обмотки вставляют в пазы сердечника ротора без какой-либо изоляции. В двигателях малой и средней мощности «беличью клетку» обычно получают путем заливки расплавленного алюминиевого сплава в пазы сердечника ротора (рис. 15, б). Вместе со стержнями «беличьей клетки» отливают короткозамыкающие кольца и торцовые лопасти, осуществляющие вентиляцию машины. Для этой цели особенно пригоден алюминий, обладающий малой плотностью, легкоплавкостью и достаточно высокой электропроводностью. В машинах большой мощности пазы короткозамкнутого ротора выполняют полузакрытыми, в машинах малой мощности—закрытыми. Обе формы паза позволяют хорошо укрепить проводники обмотки ротора, хотя и несколько увеличивают потоки рассеяния и индуктивное сопротивление роторной обмотки.

В двигателях большой мощности «беличью клетку» выполняют из медных стержней, концы которых вваривают в короткозамыкающие кольца (рис. 15,в). Различные формы пазов ротора  показаны  на рис.15, г.

В электрическом отношении  «беличья клетка» представляет собой многофазную обмотку, соединенную по схеме Υ и замкнутую накоротко.

Часто асинхронные  двигатели с фазным и короткозамкнутым ротором имеют скошенные пазы на статоре или роторе. Скос пазов делают для того, чтобы уменьшить высшие гармонические ЭДС, вызванные пульсациями магнитного потока из-за наличия зубцов, снизить шум, вызываемый магнитными причинами, устранить явление прилипания ротора к статору, которое иногда наблюдается в микродвигателях.

Рис. 15  Конструкция  короткозамкнутого ротора:

1—сердечник ротора; 2 — стержни;  3— лопасти вентилятора;

 4 — короткозамыкающие кольца

 

Двигатели с фазным ротором (рис. 16, а). Обмотка статора выполнена так же, как и в двигателях с короткозамкнутым ротором. Ротор имеет трехфазную обмотку с тем же числом полюсов. Обмотку ротора обычно соединяют по схеме Y, три конца которой выводят к трем контактным кольцам (рис. 16, б), вращающимся вместе с валом машины. С помощью металлографитных щеток, скользящих по контактным кольцам, в ротор включают пусковой или пускорегулирующий реостат, т. е. в каждую фазу ротора вводят добавочное активное сопротивление.

Для уменьшения износа колец и щеток двигатели  с фазным ротором иногда имеют приспособления для подъема щеток и замыкания колец накоротко после выключения реостата. Однако введение этих

приспособлений  усложняет конструкцию электродвигателя и несколько снижает надежность его работы, поэтому обычно применя-

ют конструкции, в которых щетки постоянно соприкасаются с контактными кольцами. Основные конструктивные элементы двигателя с фазным ротором приведены на рис. 17.

 

 

 

 

 

 

Рис. 17 Статор и ротор асинхронного  двигателя с фазным ротором:

1 — обмотка статора; 2—корпус; 3—сердечник статора;  4 — коробка с выводами;  5 — сердечник ротора;  6 — обмотка ротора;   7 — контактные кольца

 

УСТРОЙСТВО  СИНХРОННОЙ  МАШИНЫ

 

Статор 1 синхронной машины (рис. 18, а) выполнен так же, как и асинхронной: на нем расположена трехфазная (в общем случае многофазная) обмотка 3. Обмотку ротора 4, питаемую от источника постоянного тока, называют обмоткой возбуждения, так как она создает в   машине   магнитный   поток   возбуждения.   Вращающуюся обмотку ротора соединяют с внешним источником постоянного тока посредством контактных колец 5 и щеток 6 (рис. 18, б).

 

 

 

 

 

Рис. 18.  Электромагнитная схема синхронной машины  (а) и схема ее  включения (б)

 

 

В синхронной машине обмотку, в которой индуцируется ЭДС и  проходит ток нагрузки, называют обмоткой якоря, а часть машины, на которой расположена обмотка возбуждения,— индуктором. Следовательно, в приведенной машине (рис. 18) статор является якорем, а ротор — индуктором.

Синхронные машины выполняют  с неподвижным или вращающимся  якорем. Машины большой мощности для  удобства отвода электрической энергии  со статора или подвода ее выполняют с неподвижным якорем (рис. 18, а). Поскольку мощность возбуждения невелика по сравнению с мощностью, снимаемой с якоря (0,3..2%), подвод постоянного тока к обмотке возбуждения с помощью двух колец не вызывает особых затруднений. Синхронные машины небольшой мощности выполняют как с неподвижным, так и с вращающимся якорем. В обращенной синхронной машине (обмотка якоря, к которой подключают нагрузку, расположена на роторе, а обмотка возбуждения, питаемую постоянным током,— на статоре )с вращающимся якорем и неподвижным индуктором (рис. 18, б) нагрузка подключается к обмотке посредством трех колец.

 

 

 

 

Рис. 18. Конструктивная схема синхронной машины с неподвижным (а)  и  вращающимся  (б)  якорем:

1 — якорь; 2 —обмотка якоря; 3 — полюсы индуктора; 4 — обмотка  возбуждения

 

 

 

                          

Конструкция ротора. В синхронных машинах применяют две различные конструкции ротора: неявнополюсную — с неявно выраженными полюсами (рис. 19, а) и явно-полюсную— с явно выраженными полюсами (рис. 19, б).

Рис. 19.   Роторы  синхронных неявнополюсной (а) и явнополюсной (б) машин:

1 — сердечник  ротора;  2 — обмотка  возбуждения

 

 

 

 

 

Двух- и четырехполюсные  машины большой мощности, работающие при частоте вращения ротора 1500 и 3000 об/мин, изготовляют, как правило, с неявнополюсным ротором. Применение в них явнополюсного ротора невозможно по условиям обеспечения необходимой  механической прочности крепления  полюсов и обмотки возбуждения. Обмотку возбуждения в такой  машине размещают в пазах сердечника ротора, выполненного из массивной  стальной поковки, и укрепляют немагнитными клиньями. Лобовые части обмотки, на которые воздействуют значительные центробежные силы, крепят с помощью  стальных массивных бандажей. Для  получения приблизительно синусоидального  распределения магнитной индукции обмотку возбуждения укладывают в пазы, занимающие 2/3 полюсного деления.

Рис. 20.  Устройство  явнополюсной машины:

1 — корпус; 2 —сердечник  статора; 3— обмотка статора; 

4 — ротор; 5 —вентилятор; 6 — выводы обмоток; 7 — контактные  кольца; 8— щетки; 9 — возбудитель

Явнополюсный ротор обычно используют в машинах с четырьмя полюсами и более (рис. 20). Обмотку возбуждения в этом случае выполняют в виде цилиндрических катушек прямоугольного сечения, которые размещают на сердечниках полюсов и закрепляют с помощью полюсных наконечников. Ротор, сердечники полюсов и полюсные наконечники изготовляют из листовой стали.

 

В явнополюсных машинах полюсным наконечникам обычно придают такой  профиль, чтобы воздушный зазор  между полюсным наконечником и статором был минимальным под серединой  полюса и максимальным у его краев, благодаря чему кривая распределения  индукции в воздушном зазоре приближается к синусоиде.

 

Список использованной литературы

 

1. Брускин, Д.Э. Электрические машины и микромашины: учеб. Для электротехн. спец. вузов / Д.Э. Брускин, А. Е. Зорохович, В.С. Хвостов. – М.: Высш. Шк., 1990. – 528 с.Ж ил.
2. Сергеев, П.С. Электрические машины: учеб. пособие для вузов / П.С. Сергеев. – М.: Государственное энергетическое издательство, 1962. – 281 с.