3-3. ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ ВИТКОМ НА ПОЛЮСЕ

Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым витком на полюсе является самым простым типом самопускающегося однофазного электродвигателя. Устройство его показано на рис. 3-5. Статор подковообразной формы собран из штампованных листов 4 электротехнической стали.

Листы изолированы один от другого лаковой пленкой во избежание сильного нагревания статора переменным магнитным потоком, вызывающим появление вихревых токов в сердечнике электродвигателя. У статора только одна катушка 1, но он двухполюсный. Расстояние между полюсными наконечниками равно ширине катушки, поэтому ее можно наматывать на станке прямо на изолированный сердечник статора. Витки катушки изолированы от сердечника гильзой 3 и двумя фланцами 2 из электрокартона. Для того чтобы можно было надеть фланцы на сердечник, имеются прорези 14.

В полюсных наконечниках проштампованы два отверстия, в которые вставлены замкнутые витки медной проволоки 5, охватывающие примерно одну треть полюсной дуги. В промежутках между полюсными наконечниками ротор охватывается магнитными шунтами, представляющими собой стальные пластинки 6, вставленные в пазы полюсных наконечников.

Ротор собран из листов Р и имеет отверстие в центре для вала 13. В пазы, расположенные по окружности ротора, забиты медные стержни 8, которые на его торцах припаяны к медным кольцам 7. Обычно короткозамкнутые роторы выполняют со скосом пазов примерно на одно зубцовое деление.

Ротор вращается в двух подшипниках, представляющих собой латунные втулочки 10, зажатые между пластинками 11. Шаровидная поверхность втулочек позволяет им устанавливаться по оси вала, поэтому такие подшипники называются самоустанавливающимися. Смазка подшипников производится машинным маслом и поступает через отверстия во втулочках от пропитанной в масле фетровой шайбы 12. Эти подшипники проще шарикоподшипников и работают бесшумно.

Ток, проходящий по катушке, создает пульсирующий магнитный поток, часть которого пронизывает коротко-замкнутый виток на полюсе. Таким образом, в электродвигателе с короткозамкнутым витком на полюсе имеются два магнитных потока, сдвинутых на некоторый угол. Они создают вращающееся магнитное поле. Вследствие неравенства двух потоков вектор результирующего поля будет не только вращаться, но и изменяться по величине в разные промежутки времени. Поэтому конец вектора будет описывать не окружность, а эллипс. Однако этого вполне достаточно, чтобы сдвинуть ротор при пуске.

Пусковой момент у такого электродвигателя очень мал и составляет 20—40% номинального момента. Поэтому электродвигатели с короткозамкнутым витком на полюсе применяют только там, где не требуется большого пускового момента, например для настольных вентиляторов, магнитофонов, электропроигрывателей и т. п.

Для увеличения вращающего момента между наконечниками полюсов вставляют тонкие стальные пластинки 6, которые называются магнитными шунтами. В результате этого увеличивается магнитный поток, охватываемый короткозамкнутым витком, и магнитное поле больше приближается к круговому.

Перегрузочная способность электродвигателя очень мала, и максимальный вращающий момент едва достигает 1,2 номинального. Если нагрузка на валу превысит этот момент, то ротор остановится. В отличие от других типов электродвигателей в состоянии короткого замыкания ток статора увеличивается незначительно,

поэтому электродвигатель может долгое время быть включенным в сеть при неподвижном роторе. Это свойство используется в некоторых схемах. Ввиду значительных потерь энергии в короткозамкнутом витке к. п. д. электродвигателя не превышает 40%.

Двигатели с короткозамкнутым витком на полюсе нереверсивные. Ротор вращается всегда в сторону коротко-замкнутого витка, что показано стрелкой на рис. 3-5.

3-4. ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ С ПУСКОВЫМИ ОБМОТКАМИ

Наибольшее распространение получили однофазные асинхронные электродвигатели с пусковыми обмотками, у которых обмотки не сосредоточены в виде катушек, как

На рис. 3-6 показан лист статора электродвигателя с пусковой обмоткой. На внутренней окружности равномерно распределены пазы 1, между которыми имеются зубцы 2; через них магнитный поток переходит из статора в ротор. Прорези 3 служат для вкладывания в пазы проводников обмотки. Расширенная часть зубца 4 называется коронкой.

На рис. 3-7 показана принципиальная схема однофазного электродвигателя с пусковой обмоткой. У таких электродвигателей две обмотки на статоре — рабочая С и пусковая П. Рабочая обмотка занимает ²/₃ пазов, а пусковая ¹/₃. Поэтому общее число пазов статора должно быть кратным трем. Рабочая обмотка остается включенной в сеть на все время работы электродвигателя, а пусковая включается только при разгоне ротора в момент пуска, а затем отключается выключателем 2, когда ротор достигнет частоты вращения 70—80% номинальной. В качестве выключателя применяют или кнопки с ручным отключением, или автоматические центробежные выключатели, расположенные на роторе и разрывающие цепь при достижении ротором частоты вращения выше 70% номинальной. В цепь пусковой обмотки включен пусковой элемент 1, который чаще всего представляет собой активное сопротивление или конденсатор.

Здесь необходимо познакомиться с понятием электрические градусы, которое часто встречается в обмотках электрических машин. Из геометрии известно, что окружность разбивается на 360°. Эти градусы называются геометрическими или пространственными. Поскольку статор представляет собой окружность, он всегда содержит 360 пространственных градусов. Число же электрических градусов в окружности статора может быть равно 360 или больше в целое число раз. Если на статоре расположены два полюса, то число электрических градусов также равно 360. Но если на статоре четыре полюса, то за 360° эл. следует принять часть окружности, на которой расположены один северный и один южный полюс. Так как вся окружность занимает четыре полюсных деления, то число электрических градусов будет в два раза больше, чем пространственных. Таким образом, в четырехполюсной обмотке окружность статора содержит 720° эл., в шестиполюсной обмотке 1 080° эл. и т. д.

Из этого можно вывести общее правило, что число электрических градусов в окружности равно 360 р, где р — число пар полюсов обмотки.

Для обеспечения наилучших характеристик электродвигателя необходимо выполнение следующих условий:

1) рабочая и пусковая обмотки должны быть расположены на окружности статора под углом 90° эл.;

2) векторы токов в рабочей и пусковой обмотке должны быть сдвинуты на ¹/₄ периода;

3) намагничивающие силы в обеих обмотках должны быть равны, т. ё. должны быть равны произведения токов обмоток на число их витков.

Векторы токов рабочей и пусковой обмоток образуют вращающееся магнитное поле. Это можно показать на следующей диаграмме (рис. 3-8). Изобразим токи рабочей и пусковой обмоток двумя синусоидами, сдвинутыми на ¹/₄ периода. Синусоида токов рабочей обмотки обозначена буквой С, а пусковой обмотки — буквой П. В разные моменты времени векторы токов будут находиться под разными углами и поэтому их придется складывать геометрически.

Период синусоиды пусковой обмотки разделим на 12 частей и обозначим их цифрами на горизонтальной оси.

Для каждой точки на оси синусоиды надо построить окружности, обозначив их теми же цифрами, что и точки на оси синусоиды. Каждая окружность соответствует одному значению токов в рабочей и пусковой обмотках. Будем откладывать векторы полей, создаваемые токами рабочей обмотки, по горизонтальному диаметру: положительные значения поля — вправо от центра окружности, а отрицательные — влево. Положительные значения полей пусковой обмотки будем откладывать по вертикальному диаметру вверх, а отрицательные — вниз.

На рис. 3-8 показаны четыре окружности для точек синусоиды 1, 2, 3 и 4. Диагонали прямоугольников — это векторы результирующего поля. Предоставим читателям построить окружности и сложить векторы для точек 5, 6 и 7 и т. д. Сравнение круговых диаграмм показывает, что результирующее поле вращается с синхронной частотой. Результирующее поле будет наводить токи в обмотке ротора, и он придет во вращение.

Векторы токов рабочей и пусковой обмоток создают вращающееся магнитное поле. Если выполнены все три условия, перечисленные выше, то конец вектора результирующего поля описывает окружность и поле называется круговым. Но если не выполнено хотя бы одно из перечисленных условий, то вектор результирующего поля будет изменяться по величине и магнитное поле будет не круговым, а эллиптическим. Но и при эллиптическом поле электродвигатели могут иметь удовлетворительные рабочие и пусковые характеристики.

3-5. ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ С ПУСКОВЫМИ СОПРОТИВЛЕНИЯМИ (РЕЗИСТОРАМИ) И КОНДЕНСАТОРАМИ

Как было указано выше, между векторами токов в рабочей и пусковой обмотках должен быть сдвиг, который для образования кругового поля должен быть равен ¹/₄ периода. Сдвиг векторов тока можно обеспечить, если индуктивное и активное сопротивления рабочей и пусковой обмоток будут разными. Это можно осуществить включением в цепь пусковой обмотки активного резистора или конденсатора.

Наибольшее распространение получили однофазные электродвигатели с пусковым резистором, который заключен в самой пусковой обмотке. Такие электродвигатели называются электродвигателями с встроенным резистором. У этих электродвигателей рабочая обмотка занимает % пазов и обладает большим индуктивным сопротивлением. Пусковая обмотка занимает только ¹/₃ пазов статора, имеет меньшее число витков и, следовательно, значительно меньшее индуктивное сопротивление.

Активное сопротивление пусковой обмотки должно быть больше активного сопротивления рабочей обмотки. Поэтому она намотана проводом меньшего сечения. В электродвигателях, работающих с редкими пусками, сечение провода пусковой обмотки снижают настолько, что плотность тока в ней достигает 40 А/мм², а иногда и более. Активное сопротивление не может создать сдвиг между векторами рабочей и пусковой обмоток, равный ¹/₄ периода, поэтому результирующее поле будет не круговым, а эллиптическим. Эллиптическое поле можно рассматривать как сумму двух неравных по величине круговых полей, вращающихся в разные стороны. Одно из них прямое, создающее вращающий момент, а другое — обратное, создающее тормозящий момент. Обратно вращающееся поле ухудшает пусковые и рабочие свойства электродвигателя.

У электродвигателей с встроенным пусковым резистором отношение пускового момента к номинальному составляет 1 —1,2, а отношение пускового тока к номинальному 6,5—9. Поэтому их применяют там, где не требуются очень большие пусковые моменты (холодильники, стиральные машины). Заводами электропромышленности выпускаются электродвигатели с встроенным пусковым резистором типа АОЛБ в диапазоне мощностей от 18 до 600 Вт при напряжениях 127, 220 и 380 В, частотах вращения 3 000 и 1 500 об/мин (синхронных).

Для приводов с тяжелыми условиями пуска применяют электродвигатели, у которых в качестве пускового элемента 1 (см. рис. 3-7) использован конденсатор. Эти электродвигатели обозначаются буквами АОЛГ и имеют одинаковые номинальные данные, размеры, массу и рабочие обмотки с электродвигателями типа АОЛБ. Пусковые обмотки у них разные, а соответственно разные и пусковые характеристики.

Как известно из электротехники, включение в цепь конденсатора приводит к тому, что ток пусковой обмотки опережает ток рабочей обмотки. При помощи конденсатора можно получить сдвиг токов рабочей и пусковой обмоток на 90^о и таким образом создать при пуске круговое вращающееся поле. Электродвигатели с пусковыми конденсаторами имеют хорошие пусковые свойства, т. е. большое отношение пускового вращающего момента к номинальному (2—2,5), и низкую кратность пускового тока (3—4 номинального тока). Чтобы создать большой пусковой момент даже для небольшого электродвигателя мощностью 50 Вт при напряжении 127 В, требуется конденсатор емкостью 40 мкФ. С повышением напряжения емкость конденсатора резко падает и при напряжении электродвигателя 220 В составляет 15 мкФ.

В электродвигателях с пусковыми обмотками после отключения этих обмоток ¹/₃ пазов статора остается неиспользованной. Поэтому такие электродвигатели имеют пониженную мощность. Для увеличения мощности применяют электродвигатели, у которых пусковая обмотка остается включенной. Для создания сдвига токов в рабочей С и пусковой обмотках в цепь последней включают конденсатор (рис. 3-9). Такие электродвигатели называются конденсаторными, а пусковая обмотка, используемая при работе электродвигателя, называется вспомогательной или конденсаторной и обозначается буквой В, У конденсаторных электродвигателей обе обмотки занимают одинаковое число пазов. При помощи конденсатора можно создать сдвиг между векторами токов в обмотках на 90°.

Таким образом, в конденсаторном электродвигателе при номинальной мощности создается круговое поле. Благодаря этому конденсаторные электродвигатели имеют хорошие свойства: большую мощность на валу, высокий к. п. д. (60—75%) и высокий коэффициент мощности (cos φ=0,8÷0,95). Однако пусковой момент таких электродвигателей невысок. Обычно он не превышает 30% номинального. Это объясняется тем, что при пуске магнитное поле электродвигателя будет эллиптическим. Для улучшения пусковых свойств электродвигателя в момент пуска параллельно рабочему конденсатору включают пусковой конденсатор (рис. 3-10). Таким образом, при пуске сдвиг токов осуществляется двумя конденсаторами — рабочим и пусковым, что обеспечивает создание кругового поля при пуске. После пуска электродвигателя пусковой конденсатор отключается кнопкой или центробежным выключателем.

В настоящее время заводы электропромышленности выпускают конденсаторные электродвигатели серии АВЕ, у которых высокий к. п. д., коэффициент мощности приближается к единице, хорошие пусковые и рабочие характеристики. Они охватывают мощности от 10 до 400 Вт при частотах вращения 1 000, 1 500 и 3 000 об/мин (синхронных) для сетей с напряжением 127 и 220 В.

Разновидностью конденсаторного электродвигателя является электродвигатель с массивным ротором, выточенным из стали или чугуна и не имеющим пазов и обмоток. Эти электродвигатели имеют большой пусковой момент. Частоту вращения можно регулировать в широких пределах реостатом в цепи рабочей обмотки, причем на всех частотах вращения от холостого хода до полной нагрузки электродвигатель работает устойчиво. Электродвигатели с массивным ротором просты по устройству, надежны в работе и бесшумны. Такой электродвигатель можно получить из любого конденсаторного, заменив у него ротор.

По своим рабочим характеристикам электродвигатели с массивным ротором могут заменить коллекторные электродвигатели постоянного или переменного тока. Вследствие больших потерь в роторе и магнитного рассеяния они имеют низкие к. п. д. и коэффициент мощности, поэтому по размерам и массе они больше коллекторных электродвигателей такой же мощности.

Электродвигатели с пусковыми обмотками можно реверсировать. Для этого достаточно поменять местами концы рабочей или пусковой обмотки.

3-6. СХЕМЫ ОБМОТОК ОДНОФАЗНЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

Схемы обмоток строят для распределенных обмоток статора. На схемах изображают проводники рабочей и пусковой обмоток и их соединения. Кроме того, на схемах указано, из каких пазов выходят начала и концы рабочей и пусковой обмоток. Выводы обмоток обозначают следующими буквами и цифрами: начало и конец рабочей обмотки С1 и С2 соответственно; начало и конец пусковой обмотки П1 и П2 соответственно.

У конденсаторных электродвигателей часто пусковую обмотку называют вспомогательной, так как она остается включенной на все время работы электродвигателя, и выводы ее обозначают: начало В1; конец В2.

Обмотки статора однофазных электродвигателей бывают однослойными и двухслойными. У первых сторона катушки занимает весь паз, а все стороны катушек, лежащие в пазах, образуют один слой.

У двухслойных обмоток в каждом пазу лежат стороны двух катушек, разделенные изоляционной прокладкой. Части катушек, лежащие в пазах, называются пазовыми. Части катушек, лежащие вне пазов, называются лобовыми.

Для построения схемы обмотки необходимо знать следующие данные статора:

У однослойных обмоток шаг по пазам вычисляют по формуле

Такой шаг называется диаметральным, так как в двухполюсных машинах стороны катушки расположены в двух диаметрально противоположных пазах.

В двухслойных обмотках обычно применяют укороченный шаг по следующим соображениям. Во всяком электродвигателе переменного тока, кроме основной синусоиды с периодом 1/50 с, проявляются еще синусоиды с меньшими периодами, которые называются высшими гармониками.

В однофазных и двухфазных электродвигателях особенно сильно сказывается третья гармоника с периодом 1/150 с. Она искажает характеристики электродвигателя. В кривой вращающего момента она создает так называемые провалы, из-за которых электродвигатель при пуске не может развить номинальной частоты вращения, а застревает на частоте вращения, равной 1/3 номинальной. Наиболее эффективным средством борьбы с третьей гармоникой является укорочение шага обмотки на 1/3 полюсного деления.

Из рис. 3-11 видно, что при диаметральном шаге стороны катушки лежат под серединами северного и южного полюсов и в создании э. д. с. участвует весь магнитный поток, приходящийся на полюсное деление.

На рис. 3-12 показано положение витка катушки с укороченным шагом на 1/3 полюсного деления. Катушка охватывает уже не все полюсное деление, а только 2/3 полюсного деления. Поэтому наводимая в ней э. д. с. будет меньше, чем при диаметральном шаге, но зато э. д. с., наводимые третьей гармоникой, взаимно уничтожаются. Уменьшение э. д. с. при укороченном шаге учитывают коэффициентом укорочения обмотки. В расчетах гл. 4 этот коэффициент введен в расчетные формулы.

Наибольшее распространение имеют электродвигатели с встроенными пусковыми резисторами. У таких электродвигателей необходимо получить большое активное сопротивление обмотки, не увеличивая ее индуктивного сопротивления. Это достигается применением катушек с бифилярными витками. На рис. 3-13 показана катушка с бифилярными витками. В этой катушке шесть витков, и все они участвуют в создании активного сопротивления катушки. Но последние два витка намотаны в обратном направлении. При прохождении тока по виткам катушки н.с. последних четырех витков взаимно компенсируются и в создании магнитного потока участвуют только два первых витка.

На рис. 3-14 показана схема обмотки статора со встроенным резистором. Статор имеет 24 паза, из которых 16 пазов занимает рабочая обмотка, а 8 пазов — пусковая обмотка. Как рабочая, так и пусковая обмотки имеют по четыре катушки. Следовательно, это четырехполюсный электродвигатель с синхронной частотой вращения 1500 об/мин. Сторона катушки рабочей обмотки занимает два паза, а сторона катушки пусковой обмотки— один паз. На схеме провода, лежащие в пазах, обозначены вертикальными линиями. В разрывах линий обозначены номера пазов. Схема представляет собой вид изнутри на окружность статора, которая как бы разрезана и развернута на плоскость. Некоторое затруднение для чтения развернутой схемы заключается в том, что начало и конец развертки (пазы 1 и 24), которые на статоре лежат рядом, на развернутой схеме получаются удаленными один от другого на всю длину схемы, а лобовая часть одной из катушек оказывается разрезанной.

При чтении схемы приходится мысленно проследить соединения от конца схемы к началу.

При составлении схемы надо выбрать место разреза так, чтобы наименьшее число катушек оказалось разрезанным и линия разреза располагалась симметрично по отношению к катушкам.

В развернутой схеме наглядно показаны соединения на обеих сторонах статора, направление токов и чередование полярностей. На этой схеме приняты направления токов в обмотке от зажимов С1 и П1. В пазовых частях направление стрелок вверх и вниз делит обмотку на четыре зоны в соответствии с числом полюсов электродвигателя. Косые черточки на лобовых частях показывают переходы от одной катушки полюса к другой.

Для создания бифилярных витков каждую катушку пусковой обмотки наматывают из двух катушек, а затем одну из них перевертывают на 180°. При этом образуются петли, которые видны в пазах 9, 10, 21 и 22.

Порядок составления схемы и укладки обмотки в пазы изложен в § 5-8.

На рис. 3-15 показана схема обмотки статора конденсаторного электродвигателя типа АВЕ. Это обмотка двухслойная и поэтому каждый паз обозначен на схеме двумя вертикальными линиями Пунктирная линия обозначает сторону катушки, лежащую на дне паза, а сплошная линия — сторону катушки, лежащую в верхней части паза. Вся обмотка состоит из симметричных катушек с одинаковым шагом по пазам. Толстыми линиями обозначены катушки рабочей обмотки, а тонкими —пусковой (вспомогательной) обмотки.

Статор имеет два полюса. Диаметральный шаг обмотки по пазам был бы у_z= 18/2=9. Это означало бы, что первая катушка должна быть уложена в пазы 1 и 10, так как 1+9=10.

Из схемы видно, что катушка уложена в пазы 1 и 8. Значит, это обмотка с укороченным шагом. Укорочение шага произведено на 2/9 полюсного деления, поэтому третья гармоника компенсируется не полностью.

Как у всякого конденсаторного электродвигателя, каждая из обмоток занимает половину пазов статора, т. е. по девять пазов. Но так как девять — число нечетное, то рабочая обмотка первого полюса занимает четыре паза (1, 2, 3 и 4), а обмотка второго полюса — пять пазов (10, 11, 12, 13 и 14).

Для того чтобы катушки рабочей и пусковой обмоток были сдвинуты на 90° эл., пусковая обмотка первого полюса занимает пять пазов (5, 6, 7, 8 и 9), а второго Полюса — четыре паза (15, 16, 17 и 18). К несимметричному расположению обмоток в электродвигателях заводского изготовления приходится прибегать, чтобы использовать один и тот же штамп для листов статора при разных числах полюсов.

Двухслойные обмотки выполняют следующим образом. В каждой обмотке катушки одного полюса соединены последовательно и образуют катушечную группу. Эту группу наматывают непрерывным проводом на шаблон, имеющий столько желобков, сколько пазов занимает сторона катушки на статоре. Намотанные катушки вкладывают в пазы, изолированные гильзами. Сначала вкладывают нижние стороны катушек, лежащие на дне пазов, а затем верхние.

Затем концы гильз, выступающие из пазов, загибают и пазы заклинивают клиньями из текстолита или твердых пород дерева.

В табл. 3-1 приведены обмоточные данные двигателей, обмотки которых изготовляются по этой схеме. Это электродвигатели 4-го габарита с одинаковыми диаметрами статора, но с разными длинами.

Н.В. Виноградов, Ю.Н. Виноградов
Как самому рассчитать и сделать электродвигатель
Москва 1974
Содержание