Для достижения достаточной точности построение должно быть выполнено в крупном масштабе, при котором возможна достовер­ность определения размеров паза с точностью до 0,1 мм, например 10:1 или 5:1.

Рис. 9.30. К графоаналитическому методу определения размеров паза статора

Для расчета коэффициента заполнения паза необходимо определить площадь паза “в свету” и учесть площадь поперечного сечения паза, занимаемую корпусной изоляцией S_из и прокладками в пазу S_пр. Размеры паза “в свету” определяют с учетом припусков на шихтовку сердечников Δb_п и Δh_п :

(9.42)

где Δb_п и Δh_п — см. табл. 9.14.

Площадь поперечного сечения трапецеидального паза, в кото­рой размещаются обмотка, корпусная изоляция и прокладки, м²,

(9.43)

где

h'_п.к = h'_п – (h_ш + h_к) (9.44)

высота клиновой части паза h_к = (b₁ – b_ш) tg β/ 2, т. е.

(9.45)

Площадь, занимаемая корпусной изоляцией в пазу, м2,

S_из = b_из(2h_п + b₁ + b₂), (9.46)

где b_из — односторонняя толщина изоляции в пазу, м (см. гл. 3).

Площадь, занимаемая прокладками в пазу (на дне паза, под кли­ном и между слоями обмотки в двухслойной обмотке), м²,

для двигателей с h = 180... 250 мм

S_пр = (0,9 b₁ + 0,4 b₂)10^-3;

(9.47)

для двигателей с h ≥ 280 мм

S_пр = 0,6 (b₁ + b₂) 10^-3

При отсутствии прокладок в пазу S_np = 0.

Площадь поперечного сечения паза, остающаяся свободной для размещения проводников обмотки,

(9.48)

Контролем правильности размещения обмотки в пазах является значение коэффициента заполнения паза:

k_з = (d²_из u_п n_эл) / S'_п

(см. § 3.4), который должен находиться в пределах k_з = 0,69. ..0, 71 для двигателей с 2р = 2 и k_з = 0,72. ..0,74 для двигателей с 2р ≥ 4.

Еcли полученное значение ниже указанных пределов, то пло­щадь паза следует уменьшить за счет увеличения h_a или b_z, или обо­их размеров одновременно в зависимости от принятого при их рас­чете значения индукции. Индукция в зубцах и ярме статора при этом уменьшится. Уменьшение индукции ниже пределов, указанных в табл. 9.12, показывает, что главные размеры двигателя завышены и активная сталь недоиспользована. В этом случае следует умень­шить длину сердечника или перейти на ближайшую меньшую высо­ту оси вращения.

Часто расчет показывает, что значение k_з оказывается выше ука­занных пределов. Это недопустимо, так как при чрезмерно высоких k_з проводники обмотки во время укладки приходится очень сильно уплотнять в пазах. Их изоляция может быть повреждена или, по ме­ньшей мере, ослаблена, что вызовет резкое уменьшение надежности обмотки. Для уменьшения k_з надо, взяв предельно допустимые значения B_z и В_а (см. табл. 9.12), пересчитать размеры b_z и h_a. К уменьшению k_з приводит также уменьшение числа элементарных проводников n_эл, которое возможно при одновременном пропорци­ональном увеличении площади поперечного сечения q_эл или умень­шении числа параллельных ветвей обмотки с тем, чтобы плотность тока осталась неизменной. Если и при этом значение k_з остается выше допустимого, следует сделать вывод, что принятые главные размеры двигателя занижены. Необходимо просчитать другой вари­ант, увеличив l или перейдя на большую высоту оси вращения.

---

Таблица 9. 17. Расчетные размеры зубцов статоров при

трапецеидальных или грушевидных пазах в

машинах с обмоткой из круглого провода

Размер	Рис. 9.29, а	Рис. 9.29, б	Рис. 9.29, в
			- 0,1 b2

После уточнения размеров паза ширину зубца и расчетную вы­соту паза определяют по формулам табл. 9.17. Обычно при всыпной обмотке b_z = b'_z = b"_z. В некоторых случаях возможно некоторое рас­хождение значений b'_z и b"_z, поэтому рекомендуется рассчитать оба

значения b'_z и b"_z и при небольшом расхождении результатов взять среднюю расчетную ширину зубца: b_z = (b'_z + b''_z)/ 2. При больших расхождениях следует изменить соотношения размеров пазов.

9.7. ВЫБОР ВОЗДУШНОГО ЗАЗОРА

Правильный выбор воздушного зазора во многом определяет энергетические показатели асинхронного двигателя. Чем меньше воздушный зазор, тем меньше его магнитное сопротивление и магнитное напряжение, составляющее основную часть МДС магнитной цепи всей машины. Поэтому уменьшение зазора приводит к соответственному уменьшению МДС магнитной цепи и намагничиваю­щие тока двигателя, благодаря чему возрастает его cos φ и умень­шаются потери в меди обмотки статора. Но чрезмерное уменьшение приводит к возрастанию амплитуды пульсаций индукции в воздуш­ном зазоре и, как следствие этого, к увеличению поверхностных и пульсационных потерь. Поэтому КПД двигателей с очень малыми и зазорами не улучшается, а часто даже становится меньше.

В современных асинхронных двигателях зазор выбирают, исходя из минимума суммарных потерь. Так как при увеличении зазора по­тери в меди возрастают, а поверхностные и пульсационные умень­шаются, то существует оптимальное соотношение между параметра­ми, при котором сумма потерь будет наименьшей. Такие расчеты проводят на ЭВМ по оптимизационным программам. При учебном проектировании воздушный зазор следует выбирать, руководствуясь данными выпускаемых двигателей (рис. 9.31) либо следующими приближенными формулами.

Для двигателей мощностью менее 20 кВт воздушный зазор, м, равен при 2р - 2

δ ≈ (0,3 + 1,5D) 10^-3; (9.49)

при 2р > 4

δ ≈ (0,25 + D) 10^-3. (9.50)

Для двигателей средней и большой мощности

δ ≈ (9.51)

Поверхностные и пульсацион­ные потери в двигателях зависят не только от амплитуд, но и от частоты пульсаций индукции в воздушном зазоре. В быстроход­ных двигателях частота пульсаций больше, чем в тихоходных, так как она пропорциональна часто­те вращения.

Рис. 9.31. К выбору воздушного зазо­ра асинхронных двигателей

Для уменьшения этого вида потерь 8 в быстроходных двигателях выполняют большим, что уменьшает амплитуду пульса­ций.

В статорах высоковольтных машин применяют только откры­тые пазы, и при малых зазорах это может привести к большим пуль­сациям индукции, поэтому воздушный зазор в них выполняют боль­шим, обычно равным 1,5...2 мм.

---

Воздушный зазор, полученный по эмпирическим формулам или из графиков, следует округлять до 0,05 мм при δ < 0,5 мм и до 0,1 мм при δ > 0,5 мм. Например, зазор выбирают равным 0,35; 0,4; 0,45; 0,5; 0,6 мм и т. д.

Выбранный по приведенным рекомендациям воздушный зазор обычно превышает минимально допустимый по механическим усло­виям. Однако все же необходимо провести механический расчет вала проектируемого двигателя. Прогиб вала не должен быть боль­ше 10 % воздушного зазора.

9.8. РАСЧЕТ РОТОРА

9.8.1. Фазные роторы

Для нормальной работы асинхронного двигателя необходимо, чтобы фазная обмотка ротора имела столько же фаз и столько же полюсов, сколько их имеет обмотка статора, т. е. m₂ = m₁ и р₂ = р₁.

Число пазов ротора Z₂ должно отличаться от числа пазов стато­ра. При расчете задаются обычно числом пазов на полюс и фазу ро­тора q₂ = q₁ ± К, тогда Z₂ = Z₁ q₂/q₁. В большинстве случаев К = 1 или К = 1/2. При характерном для обмоток статора асинхронных двига­телей целом q₁ обмотка ротора имеет целое или дробное число q₂ со знаменателем дробности, равным 2. Обмотки ротора со знаменате­лем дробности, большим двух, встречаются редко (в основном в крупных многополюсных машинах).

Число витков в фазе обмотки ротора выбирают исходя из допус­тимого напряжения на контактных кольцах при пуске двигателя. ЭДС фазы обмотки ротора Е₂ определяется магнитным потоком, который при постоянном уровне индукции в воздушном зазоре рас­тет с увеличением габаритов двигателя. Поэтому в крупных маши­нах напряжение на контактных кольцах может достигнуть слишком большого значения и привести к перекрытию или пробою изоляции колец.

Чтобы Е₂ не достигала опасного значения, обмотку роторов крупных машин выполняют с малым числом витков в фазе. В совре­менных асинхронных двигателях наиболее распространенной об­моткой такого типа является двухслойная стержневая обмотка, при которой в пазу размещаются только два эффективных проводника. Для уменьшения количества межгрупповых соединений она выполняется волновой.

В отдельных машинах можно встретить и однослойную стержне­вую обмотку ротора. Она применяется как исключение в крупных машинах специального исполнения, так как требует сложной в технологическом отношении конструкции лобовых частей стержней.

В небольших по габаритам машинах опасности чрезмерного увеличения Е₂ нет, так как поток в них невелик, и число витков в фазе обмотки ротора увеличивают, чтобы снизить ток через щеточные контакты, что особенно важно в двигателях с постоянно прилегаю­щими к контактным кольцам щетками. Такие обмотки выполняют из многовитковых катушек. Описание конструкции и схем обмоток фазных роторов дано в гл. 3.

Расчет обмотки фазного ротора проводят в следующей последовательности.

Для определения числа витков в фазе роторов с катушечной обмоткой предварительно задаются ЭДС фазы Е₂, при которой напряжение на контактных кольцах (U_к.к) в момент пуска двигателя приблизительно равно линейному номинальному напряжению двигателя. Обмотки роторов в большинстве случаев соединяют в звезду

---

при этом U_к.к = E₂ = 150...250 В. Если обмотку ротора соединяют в треугольник, то U_к.к = Е₂.

Число витков в фазе

Так как Е₂ выбрана приближенно и может быть несколько изменена, то, принимая отношение обмоточных коэффициентов k_об1/k_об2 = 1 и k_E = 1 и учитывая, что при s = 1 отношение f₁ / f₂ = 1, получаем

w₂ = (9.52)

Число эффективных проводников в пазу

U_п2 = (9.53)

должно быть целым и при двухслойной обмотке четным, поэтому полученное значение округляют, после чего уточняют число витков в

фазе:

w₂ = u_п p₂ q₂. (9.54)

В роторах с двухслойной стержневой обмоткой u_п2 всегда равно двум, поэтому w₂ определяют без предварительного выбора Е₂:

w₂ = 2 p₂ q₂ = Z₂ /m₂. (9.55)

После расчета w₂ необходимо проверить напряжение на контакт­ных кольцах ротора:

U _к.к. = U_1ном (9.56)

В двигателях со стержневой обмоткой ротора U_к.к обычно не превышает 800... 1000 В, но при расчете двигателей мощностью 1000 кВт и более могут быть получены значения U_к.к более 1500... 2000 В. Для снижения U_к.к в обмотке ротора иногда выполня­ют две параллельные ветви. При этом необходимо помнить, что стержневая волновая обмотка с а = 2 может быть выполнена сим­метричной только при целом числе q₂.

Предварительное значение тока в обмотке фазного ротора, А,

I₂ =k_i I₁ v_i, (9.57)

где k_i — коэффициент, учитывающий влияние тока намагничивания на отношение I₁ / I₂. Его приближенное значение может быть рассчита­но в зависимости от номинального cos φ, которым задавались в нача­ле расчета:

k_i = 0,2 + 0,8 cos φ, (9.58)

v_i — коэффициент приведения токов, для двигателей с фазными роторами

. (9.59)

Сечение эффективных проводников обмотки ротора, м²,

q_эф2 = I₂ / J₂, (9.60)

и при стержневой обмотке q_c = q_эф2. Здесь J₂ — допустимая плотность тока, А/м²; в роторах с катушечной обмоткой при классах нагревостойкости изоляции В и F J₂ = (5...6,5) • 10⁶ А/м , а в более мощных двигателях со стержневой обмоткой J₂ = (4,5...5,5) • 10⁶ А/м².

Эффективные проводники независимо от их размеров на элемен­тарные не подразделяют, так как эффект вытеснения тока в обмотке роторов при номинальных режимах асинхронных двигателей из-за малой частоты (f₂ = sf₁) не проявляется.

Окончательные размеры проводников обмотки ротора опреде­ляют по таблицам приложения 3 одновременно с расчетом размеров пазов.

В фазных роторах с катушечной обмоткой выполняют прямо­угольные открытые пазы, при стержневой обмотке — прямоуголь­ные полузакрытые пазы с узким шлицем (рис. 9.32). Ширину паза выбирают исходя из соотношения (0,4...0,45)t_z2. Примеры вычисления изоляции обмоток фаз­ных роторов приведены в табл. 3.10 и 3.11.

При расчете заполнения паза проводниками с изоляцией следует учитывать припуск на сборку магнитопровода (см. табл. 9.14). Высоту клиновой части паза при расчете расположения проводников не учитывают. В двигателях с h = 280...355 мм выполняют h_к = 2,5 мм и h_к = 3,5 мм при h = 400 мм. Ширину шлица обычно принимают равной b_ш = 1,5 мм, а высоту h_ш = 1,0 мм.

---

После предварительных расчетов необходимо уточнить размер зубца ротора в наиболее узком сечении b_z2min и проверить соответствие индукции В_z2max ее допустимому значению для данного исполне­ния двигателя по табл. 9.12:

b_z2min = ; (9.61)

В_z2max = (9.62)

Рис. 9.32. Пазы фазного ротора асинх­ронного двигателя:

а — открытые (катушечная обмотка);

б — полузакрытые (стержневая обмотка)

Наибольшая ширина зубца ротора с открытыми пазами (рис. 9.32, а)

b_z2max = ; (9.63)

Наибольшая ширина зубца ротора с полузакрытыми пазами (рис. 9.32, 6)

b_z2max = (9.64)

Расчетная высота зубцов при пазах обеих конфигураций прини­мается равной высоте паза.

9.8.2. Короткозамкнутые роторы

Короткозамкнутые обмотки роторов асинхронных двигателей делятся по конструкции и технологии изготовления на два типа: сварные и литые.

В сварных конструкциях (рис. 9.33 и 9.34) стержни обмотки уста­навливают в пазы, после чего с торцов ротора их замыкают, приваривая или припаивая замыкающие кольца. При литых конструкциях одновременно заливают как одно целое и стержни, и замыкаю­щие кольца. На

Рис. 9.33. Короткозамкнутый ротор Рис. 9.34. Короткозамкнутая обмотка

асинхронного двигателя со сварной асинхронного двигателя:

обмоткой: 1 — замыкающие кольца; 1 — замыкающие кольца;

2 — стержни обмотки 2 — стержни обмотки

замыкающих кольцах отливают также вентиляци­онные лопатки, выполняющие роль вентилятора при работе маши­ны (см. рис. 3.10).

Короткозамкнутые обмотки роторов, в отличие от всех других существующих обмоток, не имеют определенного числа фаз и числа полюсов. Один и тот же ротор может работать в машинах, статоры которых выполнены на различные числа полюсов. Это, в частности, определило возможность использования короткозамкнутых рото­ров в двигателях с регулированием частоты вращения путем пере­ключения числа полюсов обмотки статора.

Обычно принято считать, что каждый стержень обмотки образу­ет одну фазу короткозамкнутой обмотки. Тогда число ее фаз равно числу пазов (m₂ = Z₂) и обмотка каждой из фаз имеет 1/2 витка, т. е. w₂ = 1/2, так как при m₂ = Z₂ к каждой фазе относится один стержень с двумя участками замыкающих колец, расположенных с разных торцов ротора (рис. 9.35). Обмоточный коэффициент такой обмот­ки равен единице, а условное число пазов на полюс и фазу

q₂ = . (9.65)

Рис. 9.35. Фазы обмотки короткозамкнутого ротора

При проектировании зубцовой зоны короткозамкнутых роторов особое вни­мание следует уделять выбору числа па­зов ротора. Это объясняется тем, что в поле воздушного зазора машины кроме основной присутствует целый спектр гар­моник более высокого порядка, каждая из которых наводит ЭДС в обмотке ротора, поэтому ток в стержнях обмотки имеет сложный гармонический состав.

---

Смотрите также файлы

• Глава 11 Проектирование машин постоянного тока.doc

• Глава 12 Системы автоматизированного проектирования электрических машин.doc

• Обложка.doc

• Огавление.doc

• Предисловие.doc