Наиболее ответственным и сложным элементом электрической машины является обмотка. Схемы и конструкции обмоток электрических машин весьма разнообразны, поэтому рассмотрим только обмотки, наиболее часто встречающиеся в ремонтных работах.
Обмотка возбуждения электрического генератора, в зависимости от его конструкции, выполняется на неподвижной части (статор) или вращающейся (индуктор-ротор) и состоит из отдельных полюсных катушек (по числу главных полюсов). Катушки электрической машины соединяют параллельно, последовательно либо последовательно-параллельно (так называемое, смешанное соединение).
Обмотка переменного тока электрического генератора, также в зависимости от его конструкции, находится на вращающейся части (якорь) или на неподвижной (статор) и состоит из нескольких катушек, уложенных в пазы. Обычно обмотка переменного тока электрической машины имеет концентрическую конструкцию.
Обмотка постоянного тока наматывается на вращающуюся часть (якорь) маломощного генератора или на неподвижную часть (статор) мощного генератора и называется дополнительной, вырабатываемый ею переменный ток преобразуется в постоянный коллектором или селеновым выпрямителем.
Часть обмотки постоянного тока, соединенная с двумя пластинами коллектора электрической машины, называется секцией, а группа секций, стороны которых лежат в одном пазу, – катушкой. Как правило, якорные обмотки постоянного тока двухслойные и могут быть выполнены по простой или сложной петлевой или волновой схеме.
Статорная обмотка трехфазного асинхронного двигателя. Прежде чем ознакомиться со схемами и конструкциями статорных обмоток, следует вспомнить некоторые важные понятия.
Статорные обмотки асинхронных трехфазных двигателей состоят из трех одинаковых обмоток, на каждую фазу приходится по одной обмотке фаз (фазная обмотка). Обмотка фаз электрической машины в свою очередь состоит из катушек, образующих группу катушек (секцию). Количество катушек и групп их зависит от требований, предъявляемых к электрическому двигателю.
У электрических двигателей переменного тока явно выраженных полюсов нет. Полюс электрической машины создает переменный ток, протекающий по катушке или группе катушек. Количество полюсов, которые должен иметь электрический двигатель, зависит от требующегося числа оборотов:
где p – число пар полюсов;
n – требуемое число оборотов в минуту;
f – частота питающего тока.
Чтобы получить нужное число полюсов электрической машины, катушки соединяют в группы и помещают в пазы, выдерживая определенные расстояния между ними – yz – пазовый шаг (шаг обмотки). Пазовый шаг должен быть равен полюсному делению τ, т. е. диаметральному шагу либо несколько его меньше – укороченный шаг.
Рис. 1. Полюсное деление τ и полюс – фаза q.
Полюсным делением, называется число пазов z, приходящихся на один полюс электрической машины: τ = z/2p (рис. 1).
При изготовлении обмотки электрической машины пользуются понятием «полюс – фаза», q – это количество пазов или катушек одной фазы, приходящееся на один полюс:
где m – число фаз.
Число электрических градусов, занимаемых обмотками электрической машины, не всегда совпадает с числом геометрических градусов. Каждая пара полюсов составляет 360 электрических градусов и для многополюсной электрической машины равняется 360p. Обмотки фаз должны быть смещены относительно друг друга на 120 электрических градусов, которые можно выразить числом пазов. Тогда 120 электрических градусов соответствуют 1/3 пазов, приходящихся на одну пару полюсов. Таким образом, угол сдвига фаз обмоток электрической машины можно вычислить, пользуясь формулой:
Рис. 2. Конструкция (а) и схема (б) части концентричной обмотки электрической машины.
Если четырехполюсный двигатель имеет 24 паза, то начала обмоток фаз, а также их концы должны иметь сдвиг на такое число пазов:
Если начало первой фазы лежит в первом пазу электрической машины, то начало второй – в пятом, и третьей фазы – в девятом пазу.
У электрической машины статорные обмотки бывают однослойные и двухслойные. По конструкции их подразделяют на концентрические и равнокатушечные. Катушки концентрической обмотки электрической машины (рис. 2) имеют различные шаги обмотки – yz и расположены в пазах так, что одна катушка как бы находится в другой. Лобовые части катушек концентрической обмотки разной длины. Они больше у катушек с большим шагом обмотки. Равнокатушечные обмотки электрической машины имеют одинаковый шаг обмотки. По длине их сторон, лежащих в пазах, различают простые – равносторонние и цепные – разносторонние (рис. 3) обмотки.
Рис. 3. Конструкция (а) и схема (б) части цепной обмотки электрической машины.
Рис. 4. Схема однослойной равнокатушечной обмотки электрической машины.
На рис. 4 приведена полная схема однослойной равнокатушечной равносторонней обмотки трехфазного асинхронного двигателя.
Стороны двухслойных катушек электрических машин подразделяют на нижние, которые лежат на дне паза, и верхние, лежащие в верхней части паза. Иногда нижние стороны катушек на принципиальной схеме показывают штриховыми линиями, а верхние – сплошными.
Главная (рабочая), вспомогательная и пусковая обмотки асинхронного однофазного двигателя обычно однослойные с укороченным диаметральным шагом обмотки:
Главная обмотка электрической машины состоит из большого числа катушек и имеет больше витков, поэтому она занимает 2/3 пазов, а пусковая – 1/3.
Вспомогательная обмотка у конденсаторных двигателей остается включенной на все время работы, поэтому главная и вспомогательная обмотки, как правило, одинаковые и занимают равное число пазов. Они выполняются с укороченным диаметральным шагом обмотки и могут быть как двухслойными равнокатушечными, так и однослойными концентрическими.
В зависимости от схемы и конструкции обмоток катушки катушечные группы статорных обмоток электрической машины соединяются между собой так, чтобы получить правильное чередование полюсов. Например, если катушки имеют размер и шаг обмотки одинаковые и пересекаются в лобовой части (одно- и двухслойные) или катушки концентрической обмотки, т. е. не пересекающиеся в лобовой части, и с разным шагом обмотки, то соединение катушек может быть только последовательным. Параллельное соединение допустимо при равенстве ЭДС и совпадении фазы у соединяемых катушек электрической машины.
Полюсные катушечные группы одной фазы электрической машины соединяют последовательно. Параллельное соединение допускают при выполнении вышеуказанных условий.
Рис. 5. Соединение катушечных групп одной фазы электрической машины при смещении их на два полюсных деления.
Более наглядна упрощенная торцовая схема электрической машины, изображенная на рис. 8. Пронумерованные (с 1 по 12) катушечные группы представлены в виде дуг окружности, а внутри они же изображены кружочками, соединенными между собой последовательно для каждой фазы. Из этой схемы видно, что началом для 1-й фазы является начало 1-й катушечной группы электрической машины, а ее конец соединен с концом катушечной группы 4, начало которой соединяется с началом катушечной группы 7.
Дальнейшие соединения также легко проследить как для этой, так и для остальных фаз.
Соединяя концы катушечных групп электрической машины, необходимо следить, пользуясь правилом буравчика, чтобы обтекающие их токи создавали чередующуюся полярность.
Рис. 6. Соединение катушечных групп одной фазы при смещении их на одно полюсное деление.
Рис. 7. Упрощенная схема соединения катушечных групп асинхронных двигателей: а – схема катушечной группы; б – последовательное соединение двух групп; в – параллельное соединение групп; г – схема обмотки с последовательным соединением групп; д – схема обмотки с параллельным соединением групп.
В одних случаях (при смещении катушек на два полюсных деления) конец первой катушки катушечной группы электрической машины соединяется с началом второй H2 (рис. 5), а в других случаях (смещение катушек на одно полюсное деление) конец первой K-1 соединяется с концом второй K2 (рис. 6).
В процессе ремонтных работ обмотчики электрических машин пользуются упрощенными схемами соединения обмоток, а именно: катушечные группы заменяют прямоугольниками и изображают их по вертикали для каждой фазы (рис. 7). Внутрикатушечные соединения показаны пунктирными линиями, а наружные – сплошными. Из приведенной на рис. 7 упрощенной схемы четырехкатушечной обмотки трехфазного двигателя следует, что конец катушечной группы 1 должен быть соединен с концом катушечной группы 4, а ее начало – с началом катушечной группы 7 и т.д.
Рис. 8. Упрощенная торцовая схема соединений трехфазного асинхронного двигателя.