Обмотки статора и ротора электрических машин переменного тока

В статье рассказано про устройство обмоток статора и ротора электрических машин переменного тока.

Пространственное расположение обмоток статора:

Статор с двенадцатью пазами, в каждый из которых уложено по одному проводнику, схематично показан на рис. 1, а. Соединения между проводниками, уложенными в пазах, указаны только для одной из трех фаз; начала фаз А, В, С обмотки обозначены С1, С2, С3; концы — С4, С5, С6. Части обмотки, уложенные в пазах (активная часть обмотки), условно показаны в виде стержней, а соединения между проводниками, находящимися в пазах (лобовые соединения),— сплошной линией.

Сердечник статора имеет вид полого цилиндра, представляющего собой пакет или ряд пакетов (разделенных вентиляционными каналами) из листов электротехнической стали. Для машин малой и средней мощности каждый лист штампуется в виде кольца с пазами вдоль внутренней окружности. На рис. 1,б дан лист статора с пазами одной из применяемых форм.

Рис. 1. Расположение обмотки в пазах статора и распределение токов в проводниках

Пусть мгновенное значение тока iA первой фазы в некоторый момент времени максимально и ток направлен от начала С1 фазы к ее концу С4. Будем считать такой ток положительным.

Определяя мгновенные токи в фазах как проекции вращающихся векторов на неподвижную ось ON (рис. 1, в), получим, что токи фаз В и С в данный момент времени отрицательны, т. е. направлены от концов фаз к началам.

Проследим по рис. 1, г образование вращающегося магнитного поля. В рассматриваемый момент времени ток фазы А направлен от ее начала к концу, т. е. если в проводниках 1 и 7 он идет от нас за плоскость чертежа, то в проводниках 4 и 10 он идет из-за плоскости чертежа к нам (см. рис. 1, а и г).

В фазе В ток в этот момент времени идет от конца фазы к ее началу. Соединив проводники второй фазы по образцу первой, можно получить, что ток фазы В проходит по проводникам 12, 9, 6, 3; при этом по проводникам 12 и 6 ток идет от нас за плоскость чертежа, а по проводникам 9 и 3 — к нам. Картину распределения токов в фазе С получим по образцу фазы В.

Направления токов даны на рис. 1,г; штриховыми линиями показаны магнитные линии поля, создаваемого токами статора; направления линий определены по правилу правого винта. Из рисунка видно, что проводники образуют четыре группы с одинаковыми направлениями тока и число полюсов 2р магнитной системы получается равным четырем. Участки статора, где магнитные линии выходят из него, представляют собой северные полюсы, а участки, где магнитные линии входят в статор, — южные полюсы. Дуга окружности статора, занятая одним полюсом, называется полюсным делением.

Магнитное поле в различных точках окружности статора различно. Картина распределения магнитного поля вдоль окружности статора повторяется периодически через каждое двойное полюсное деление. Угол дуги 2 принимается за 360 электрических градусов. Так как вдоль окружности статора размещается р двойных полюсных делений, то 360 геометрических градусов равны 360р электрическим градусам, а один геометрический градус равен р электрическим градусам.

На рис. 1, г показаны магнитные линии для некоторого фиксированного момента времени. Если же рассмотреть картину магнитного поля для ряда последовательных моментов времени, можно убедиться в том, что поле вращается с постоянной скоростью.

Найдем скорость вращения поля. По истечении времени, равного половине периода переменного тока, направления всех токов изменяются на обратные, поэтому магнитные полюсы меняются местами, т. е. за половину периода магнитное поле поворачивается на часть оборота. Скорость вращения магнитного поля статора, т. е. синхронная скорость, равна (в оборотах в минуту)

Число р пар полюсов может быть только целым, поэтому при частоте, например, 50 Гц синхронная скорость может равняться 3000; 1500; 1000 об/мин и т. д.

Рис. 2. Развернутая схема трехфазной однослойной обмотки

Обмотки машин переменного тока можно разделить на три группы:

К специальным обмоткам относятся:

а) короткозамкнутая обмотка в виде беличьей клетки;

б) обмотка асинхронного двигателя с переключением на разные числа полюсов;

в) обмотка асинхронного двигателя с противосоединеннями и т. д.

Кроме вышеуказанного деления, обмотки отличаются по ряду других признаков, а именно:

1) по характеру исполнения — ручные, шаблонные и полушаблонные;

2) по расположению в пазу — однослойные и двухслойные;

Витком называется контур, образованный двумя последовательно соединенными проводниками. Секция, или катушка, представляет собой ряд последовательно соединенных витков, лежащих в двух пазах и имеющих общую изоляцию от корпуса.

Шаг секции называют диаметральным, если он равен полюсному делению и сокращенным, если он меньше полюсного деления, так как шаг секции больше полюсного деления не делают.

Характерной величиной, определяющей выполнение обмотки, является число пазов на полюс и фазу, т. е. число пазов, занимаемых обмоткой каждой фазы в пределах одного полюсного деления:

где z— число пазов статора.

Обмотка, приведенная на рис. 1, а, имеет следующие данные:

Даже для этой простейшей обмотки пространственный чертеж проводников и их соединений получается сложным, поэтому он обычно заменяется развернутой схемой, где проводники обмотки изображаются расположенными не на цилиндрической поверхности, а на плоскости (цилиндрическая поверхность с пазами и обмоткой «развертывается» в плоскость). На рис. 2, а дана развернутая схема рассмотренной обмотки статора.

На предыдущем рисунке было для простоты показано, что часть фазы А обмотки, уложенная в пазах 1 и 4, состоит всего из двух проводников, т. е. из одного витка. В действительности же каждая такая часть обмотки, приходящаяся на один полюс, состоит из w витков, т. е. в каждой паре пазов помещается по w проводников, объединенных в одну катушку. Поэтому при обходе по развернутой схеме, например, фазы А от паза 1 нужно w раз обойти пазы 1 и 4, прежде чем перейти к пазу 7. Расстояние между сторонами витка одной катушки, или шаг обмотки, у показан на рис. 1, г; он обычно выражается в числах пазов.

Рис. 3. Щиток асинхронной машины

Начало и конец каждой из трех фаз обмотки выводятся на щиток машины, где имеется шесть зажимов (рис. 3). К верхним зажимам C1, С2, СЗ (начала фаз) подводятся три линейных провода от трехфазной сети. Нижние зажимы С4, С5, С6 (концы фаз) либо соединяются в одну точку двумя горизонтальными перемычками, либо каждый из этих зажимов соединяется вертикальной перемычкой с лежащим над ним верхним зажимом.

В первом случае три фазы статора образуют соединение звездой, во втором — треугольником. Если, например, одна фаза статора рассчитана на напряжение 220 В, то линейное напряжение сети, в которую включается двигатель, должно быть 220 В в случае включения статора треугольником; при включении его звездой линейное напряжение сети должно быть

При соединении статора звездой нейтральный провод не подводится, так как двигатель является для сети симметричной нагрузкой.

Ротор асинхронной машины набирается из штампованных листов изолированной электротехнической стали на валу или на специальной несущей конструкции. Радиальный зазор между статором и ротором делается возможно меньшим для обеспечения малого магнитного сопротивления на пути магнитного потока, пронизывающего обе части машины.

Наименьший зазор, допустимый по технологическим требованиям, составляет от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров в зависимости от мощности и габаритов машины. Проводники обмотки ротора располагают в пазах вдоль образующих ротора непосредственно у его поверхности с тем, чтобы обеспечить наибольшую связь обмотки ротора с вращающимся полем.

Асинхронные машины выпускаются как с фазным, так и с короткозамкнутым ротором.

Рис. 4. Фазный ротор

Фазный ротор имеет, как правило, трехфазную обмотку, выполняемую, подобно статорной, с тем же числом полюсов. Обмотка соединяется звездой или треугольником; три конца обмотки выводятся на три изолированных контактных кольца, вращающихся вместе с валом машины. Через щетки, укрепленные на неподвижной части машины и скользящие по контактным кольцам, в ротор включается трехфазный пусковой или регулировочный реостат, т. е. в каждую фазу ротора вводится активное сопротивление. Внешний вид фазного ротора представлен на рис. 4, на левом конце вала видны три контактных кольца. Асинхронные двигатели с фазным ротором применяются там, где требуется плавное регулирование скорости приводимого в движение механизма, а также при частых пусках двигателя под нагрузкой.

Конструкция короткозамкнутого ротора значительно проще, чем фазного. Для одной из конструкций на рис. 5, а показана форма листов, из которых набирается сердечник ротора. При этом отверстия вблизи наружной окружности каждого листа составляют в сердечнике продольные пазы. В эти пазы заливается алюминий, после его затвердения в роторе образуются продольные токопроводящие стержни. По обоим торцам ротора заодно отливаются алюминиевые кольца, замыкающие накоротко алюминиевые стержни. Полученная при этом токопроводящая система обычно называется беличьей клеткой.

Рис. 5. Короткозамкнутый ротор

Короткозамкнутый ротор с беличьей клеткой представлен на рис. 5,б. На торцах ротора видны вентиляционные лопатки, отливаемые заодно с короткозамыкающими кольцами. В данном случае пазы скошены на одно пазовое деление вдоль ротора. Беличья клетка проста, не имеет скользящих контактов, поэтому трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором наиболее дешевы, просты и надежны; они наиболее распространены.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Устройство и принцип работы трансформатора. Часть 2

Здравствуйте, уважаемые читатели сайта sesaga.ru. Продолжаем знакомиться с трансформатором. В первой части мы разобрались с принципом работы и начали изучать устройство трансформатора.

2.3. Конструкция магнитопроводов.

По конструкции магнитопровода определяется конструкция трансформатора и поэтому название магнитопровода переносится на название трансформатора. Промышленностью изготавливаются броневые, стержневые, тороидальные (кольцевые) магнитопроводы, а также магнитопроводы сложных (специальных) конфигураций.

Для изготовления большинства трансформаторов применяются магнитопроводы следующих типов: Ш – броневой магнитопровод; ШЛ – броневой ленточный магнитопровод; П – стержневой магнитопровод; ПЛ – стержневой ленточный магнитопровод; О – тороидальный магнитопровод; ОЛ – тороидальный (кольцевой) ленточный магнитопровод и т.д.

Для питания радиоэлектронной аппаратуры широкое применение нашли броневые трансформаторы типов Ш, ШЛ, О, ОЛ. В броневом трансформаторе используется всего одна катушка, расположенная на среднем стержне, и все обмотки находятся на катушке, что дает полное заполнение окна магнитопровода обмоточным проводом, частичную защиту обмоток от механических повреждений и хорошее магнитное экранирование.

Пластины, из которых собирают броневые магнитопроводы, изготавливают из листовых электротехнических сталей путем резки или штамповки. Наиболее широко используются шихтовые (пластинчатые) магнитопроводы Ш-образной формы и ленточные магнитопроводы, состоящие из отдельных частей С-образной (U-образной) формы.

Толщина листов магнитных материалов зависит от частоты, на которую рассчитывается трансформатор. Чем меньше толщина листа, тем слабее частотная зависимость проницаемости и меньше потери в магнитопроводе, но тем выше стоимость материала. Так, например, уменьшение толщины проката электротехнической стали с 0,35 до 0,05 мм повышает ее стоимость в 5 раз.

Поэтому можно считать, что для каждого типа трансформатора и диапазона частот существует оптимальная толщина, при которой обеспечиваются необходимые параметры трансформатора при наименьшей стоимости. Для выбора толщины листов (мм) можно воспользоваться следующими ориентировочными данными:

50 Гц …. 0,35 – 0,5 мм
400 – 500 Гц …. 0,1 – 0,2 мм
1000 – 2500 Гц …. 0,05 – 0,1 мм
До 100 кГц …. 0,02 – 0,05 мм.
Более высоким частотам соответствуют меньшие значения толщины листов.

Сборка магнитопроводов из штампованных пластин выполняется двумя способами: встык (с зазором) или вперекрышку (в переплет).

Сборка встык применяется для получения определенного немагнитного зазора (∆), например, в дросселях или трансформаторах, работающих с постоянным подмагничиванием. Как правило, при сборке встык даже при очень плотном стягивании магнитопровода зазор между Ш-образными и прямоугольными пластинами получается в пределах 0,02 – 0,05 мм.

Сборка вперекрышку применяется когда такой зазор не нужен, т.е. когда необходимо уменьшить магнитное сопротивление магнитопровода. Пластины укладываются в ряд таким образом, чтобы места стыков перекрывались пластинами следующего слоя. Причем в каждом слое укладывают пластины двух типов – одну Ш-образную и одну прямоугольную.

Тороидальные (кольцевые) магнитопроводы собираются из отдельных штампованных колец.

Ленточные магнитопроводы изготавливают из узкой ленты электротехнической стали или специальных сплавов. Ленты набирают в пакеты разной длины и толщины, а затем пакеты гнут или навивают на оправку определенного размера: для тороидальных магнитопроводов навивают на круглую оправку, для броневых и стержневых на прямоугольную. Но из-за сложности изготовления обмоток для ленточных магнитопроводов их разрезают на две половины, что дает возможность наматывать обмотки трансформаторов отдельно и затем вставлять в них половинки магнитопровода, но при этом в магнитную цепь вводится неизбежный магнитный зазор.

Так как ленточные магнитопроводы собираются в стык, то для получения наименьшего магнитного сопротивления в местах стыка их торцевые поверхности шлифуют, а при сборке обе части склеиваются специальной ферромагнитной пастой. Применение пасты позволяет понизить требования к качеству механической обработки стыков и значительно упрощает их изготовление и сборку.

2.4. Обмотки трансформаторов. Виды обмоток.

Обмотки выполняется обмоточным проводом круглого сечения, покрытым эмалевой или эмалево-волокнистой изоляцией. В качестве обмоточного провода используют алюминий или медь, но в основном медь, которая обладает наименьшим сопротивлением по сравнению с другими проводниковыми материалами.

Существуют два различных способа выполнения обмоток – многослойная и галетная (дисковая).

Многослойная обмотка наматывается непрерывно до получения заданного количества витков и располагается по всей длине стержня магнитопровода или его части, отведенной для данной обмотки. Разновидностью многослойной обмотки является секционная обмотка, которая разбивается на ряд секций, где каждая секция занимает часть длины стержня, но все вместе они составляют единую обмотку.

Многослойная обмотка отличается простотой выполнения и может быть намотана на каркасе или быть бескаркасной. При намотке на каркас провод укладывают беспорядочным расположением витков – намотка «внавал» или укладывают правильными рядами – рядовая намотка.

Намотка внавал проще в производстве, но из-за возможного западания отдельных витков в толщу намотки может понизится электрическая прочность обмотки. Как правило, такая намотка используется при изготовлении броневых трансформаторов малой мощности. На рисунке показано схематичное заполнение каркаса витками обмоточного провода, а числами обозначена нумерация витков, показывающая, как витки провода могут укладываться при их намотке внавал.

При рядовой намотке провод укладывается виток к витку и каждый слой прокладывают изолирующей прокладкой, например, из конденсаторной или кабельной бумаги, что повышает электрическую и механическую прочности.

При рядовой намотке можно отказаться от сложного каркаса и производить укладку провода на простую цилиндрическую гильзу, закрепляя витки клеем или лаком. Для повышения прочности каждый последующий слой делается короче предыдущего на 0,5 – 1 мм и такая бескаркасная намотка удобна для массового производства.

Галетная обмотка выполняется в виде отдельных элементов, галет, где каждая галета представляет собой полностью законченную деталь. Галеты одна за другой нанизываются на стержень магнитопровода и соединяются между собой электрически или иным способом. Отдельные галеты могут изготавливаться независимо одна от другой, что допускает возможность замены отдельных секций трансформатора во время ремонта.

Обмотки трансформаторов должны быть хорошо изолированы как от магнитопровода, так и друг от друга. Изоляция обмоток от магнитопровода осуществляется при помощи каркасов (катушек), изготавливаемых из листовых изоляционных материалов с хорошей электрической и механической прочностью, например, электрокартона, прессшпана, гетинакса, различных изоляционных пластмасс.

Выбор материала каркаса определяется его стоимостью, удобством обработки и теплостойкостью, а конструкция каркаса определяется способом намотки и устройством выводов. Намотка внавал требует применения каркаса в виде катушки, тогда как бескаркасная намотка выполняется на простых цилиндрических каркасах (гильзах), склеенных из кабельной бумаги. Широкое применение нашли склеенные и составные каркасы из листовых материалов Конструкции различных каркасов показаны на рисунке ниже.

Выводы концов обмоток могут выполняться непосредственно обмоточным проводом, выпущенным из катушки на необходимую длину или специальным изолированным проводом; специальными ленточными выводами, укрепленными на внешней изоляции обмотки, а также при помощи специальных контактов, укрепленных на щечках каркаса или элементах магнитопровода.

Стягивание магнитопровода маломощных трансформаторов производится металлической скобой, тогда как магнитопроводы более мощных трансформаторов стягиваются специальными планками, при помощи болтов стяжек. Стягивающее устройство должно обладать необходимой механической прочностью и обеспечивать прочное соединение деталей магнитопровода.

Защита трансформаторов от климатических условий осуществляется пропиткой обмоток или пропиткой целого трансформатора изоляционными лаками. В процессе пропитки заполняются микроскопические поры изоляционных материалов, а также мелкие промежутки между витками обмоток, слоями волокнистой изоляции и конструктивными элементами трансформатора. Пропитка не только улучшает влагостойкость обмотки, но и увеличивает ее механическую и электрическую прочность, повышает допустимую температуру нагрева и теплопроводность.

Однако только одна пропитка не всегда может обеспечить полной защиты обмоток от влаги, поэтому торцы катушек дополнительно заделывают изоляционными замазками (пастами), специальными обволакивающими составами или опрессовывают. Если же трансформатор предполагается использовать в нормальных или близких к нормальным условиях, то пропитка может отсутствовать.

При повышенных требованиях к влагостойкости применяют герметизацию, которая обеспечивает полную изоляцию трансформатора от окружающей среды непроницаемой оболочкой, выполненной из металла и залитой специальным изоляционным составом, например, эпоксидными или полиуретановыми смолами.

3. Обозначение трансформаторов на схемах.

На принципиальных схемах обмотки трансформатора обозначают катушками индуктивности, расположенных близко одна от другой, а магнитопровод – линией между катушками. Низкочастотные трансформаторы со стальными магнитопроводами и магнитопроводами из железоникелевых сплавов, например, пермаллоя, на схемах обозначаются буквой «Т», а обмотки трансформаторов обозначаются римскими цифрами. Иногда используют условную нумерацию их выводов в соответствии с маркировкой указанной на корпусе трансформатора.

В радиочастотной технике обмотки высокочастотных трансформаторов нередко являются элементами колебательных контуров и фильтров, поэтому на схемах им присваивают буквенное значение катушек индуктивности «L». Высокочастотные трансформаторы могут быть как с магнитопроводом, так и без него, а их обмотки (катушки) могут располагаться на одном или разных каркасах, но очень близко друг к другу.

Если магнитопровод является общим для всех обмоток, то на схемах его обозначают прерывистой линией (а), если же каждая из катушек имеет свой магнитопровод, то его изображают над катушками (б).

Возможность подстройки индуктивности катушек изменением положения магнитопровода отображают знаком подстроечного регулирования, который пересекает символы обмоток (а), а чтобы показать индуктивную связь между катушками, их символы пересекают знаком регулирования (б).

В приемной и передающей радиоаппаратуре для корректной работы некоторых блоков, содержащих трансформаторы, иногда требуется знать фазировку обмоток, т.е. порядок подключения выводов. В таких случаях на принципиальных схемах начало обмоток трансформаторов и катушек индуктивности обозначают жирной точкой, которую ставят у соответствующего вывода.

Для питания бытовой радиоаппаратуры применяют силовые трансформаторы, выполняющие две важные функции: они преобразуют напряжение переменного тока электрической сети к нужному, как правило, более низкому значению, которое используется для питания электронной схемы, а также «изолируют» электронную схему от непосредственного контакта с сетью, так как обмотки электрически изолированы одна от другой.

Выпускаемые промышленностью силовые трансформаторы предназначены для работы с напряжением 110, 127 или 220В и обеспечивают разнообразные значения вторичных напряжений от одного до нескольких тысяч вольт и токами от нескольких миллиампер до сотен ампер. Мощность наиболее распространенных трансформаторов чаще всего лежит в пределах 30 – 200 В•А. Как правило, силовые трансформаторы имеют несколько вторичных обмоток с различными напряжениями, но общее количество обмоток обычно не превышает четырех-пяти.

Некоторые устройства, питающиеся от сети переменного тока (коллекторные электродвигатели, сварочные аппараты и т.п.), создают интенсивные помехи, которые через электрическую сеть и силовой трансформатор могут проникнуть в аппаратуру и нарушить ее работу.

Для ослабления этих помех между первичной (сетевой) и остальными обмотками помещают электростатический экран, представляющий собой незамкнутый виток из полоски медной или алюминиевой фольги или один слой изолированного провода. Вывод экрана соединяют с шасси или с общим проводом (корпусом) прибора, а наличие экранирующей обмотки изображают штриховой линией, параллельной символу магнитопровода, со знаком корпуса прибора на конце.

Иногда для работы в измерительной и бытовой аудиоаппаратуре обмотку трансформатора экранируют путем размещения внутри металлического футляра (экрана) из магнитного материала, который также соединяют с шасси или с общим проводом (корпусом) прибора.

Вот в принципе и все, что хотел рассказать об устройстве и принципе работе трансформатора.
До встречи на страницах сайта.
Удачи!

1. В. А. Волгов – «Детали и узлы радио-электронной аппаратуры», Энергия, Москва 1977 г.
2. В. В. Фролов – «Язык радиосхем», Москва «Радио и связь», 1988 г.
3. И. И. Белопольский – «Расчет трансформаторов и дросселей малой моности», М-Л, Госэнергоиздат, 1963 г.
4. В. Г. Борисов, – «Юный радиолюбитель», Москва, «Радио и связь» 1992 г.

Источник