Устройство ротора и статора

Статор — неподвижная часть двигателя состоит из станины 1, сердечника 2, обмоток 3 (рисунок 7.1, а), подшипниковых щитов, закрывающих машину с торцов, и клеммной коробки, куда выводятся начала и концы обмоток и куда подключается питающая двигатель сеть.

Станина выполняется литой из чугуна, стали, алюминия или сплавов легких металлов — для маломощных двигателей. Для лучшего охлаждения внешняя поверхность станины иногда делается ребристой.

Станина является основой для всей машины, и к ней крепятся все остальные элементы. Чаще в верхней части станины делается круглое цилиндрическое отверстие, в которое вставляется сердечник и ротор.

Для уменьшения вихревых токов сердечник статора (магнитопровод) набирается из отштампованных кольцеобразных листов электротехнической стали толщиной 0,35…0,5 мм. В машинах большой мощности листы с обеих сторон покрываются изоляционным лаком (оксидной пленкой).

В пазы сердечника укладываются обмотки статора, чаще всего выполненные из медных изолированных проводов. Число обмоток у трехфазных машин делается кратным трем, следовательно, минимальное число обмоток — три. Каждая обмотка состоит из катушек (секций), число которых может быть от одной до нескольких. Катушки состоят из витков. Виток состоит из двух или нескольких параллельных проводников 1 и 2, которые размещаются в пазах, находящихся друг от друга на расстоянии шага обмотки у (рисунок 7.1, б). Начало и конец каждой обмотки маркируется и обозначается. Например, начала трех обмоток обозначаются буквами А, В, С, и они в клеммной коробке крепятся к клеммам С₁, С₂, С₃ (рисунок 7.2). Концы этих обмоток соответственно Х, У, Z и крепятся к клеммам С₄, С₅, С₆. Обмотки соединяются в звезду или треугольник.

Схема соединения зависит от номинального напряжения, на которое рассчитаны обмотки, и от напряжения питающей сети. Обычно в паспортных данных двигателя указывается напряжение, на которое рассчитаны обмотки, например Y/D 380V/220V. Это означает, что если в сети линейное напряжение U_л = 220 В, то соединять обмотки необходимо в треугольник (рисунок 7.2, а).

Рисунок 7.1 — Статор асинхронного двигателя (а) и размещение обмоток в пазах (б)

Рисунок 7.2 — Клеммная коробка ТАД при включении обмоток по схеме:
а — «треугольник», б — «звезда»

Если же U_л = 380 В, то обмотки необходимо соединить в «звезду» (рисунок 7.2, б). Однако в любом случае на каждой обмотке будет U_ном = U_Ф = 220 В.

Обмотка электротехнического изделия (устройства) – совокупность определенным образом расположенных и соединенных витков или катушек, предназначенная для создания или использования магнитного поля, или для получения заданного значения сопротивления электротехнического изделия (устройства). Катушка обмотки электротехнического изделия (устройства) – обмотка электротехнического изделия (устройства) или ее часть, выполненные в виде отдельной конструктивной единицы (ГОСТ 18311-80).

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;

3) по числу пазов на полюс и фазу — обмотки с целым числом q пазов на полюс и фазу и обмотки с дробным числом q .

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.

Секция имеет две активные стороны. Левую активную сторону называют началом секции (катушки), а правую – концом секции. Расстояние между активными сторонами секции называют шагом секции. Его можно измерять или числом зубцовых делений или в долях полюсного деления.

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

Приведенная на рис. 1 и 2 обмотка статора называется однослойной, так как она укладывается в каждом пазу в один слой. Для того чтобы разместить лобовые части, пересекающиеся на плоскости, их изгибают по разным поверхностям (рис. 2, б). Однослойные обмотки выполняются с шагом, равным полюсному делению (рис. 2, а), или этот шаг равен в среднем полюсному делению для разных катушек одной фазы, если y > 1 , y . В настоящее время более распространены двухслойные обмотки.

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.

Асинхронным (индукционным) называется электродвигатель, у которого скорость вращения ротора не соответствует частоте вращения электромагнитного поля, создающегося обмотками статора. Конструкцию двигателя этого типа разработал российский инженер М.О. Доливо-Добровольский в 1889 году. Она оказалась настолько удачной, что применяется и в настоящее время. Асинхронные двигатели используются в приводах насосов и вентиляторов, станках и транспортёрах, подъёмно-транспортных машинах и устройствах автоматики.

Из общего количества выпускаемых промышленностью электродвигателей, на долю асинхронных приходится около 80%. Это объясняется многочисленными достоинствами этого вида привода:

• дешевизна изготовления;
• простота в обслуживании;
• надёжность;
• небольшие затраты на эксплуатацию;
• отсутствие преобразователей при включении в сеть.

Однако при выборе электродвигателя нельзя забывать и о некоторых недостатках:

• количество оборотов двигателя ограниченно частотой сети (в трёхфазной сети, при частоте 50 Гц, он развивает около 3000 об/минуту);
• сложно отрегулировать скорость вращения рабочего вала;
• вращающий момент зависим от напряжения в сети;
• большой пусковой ток;
• слабое усилие при включении.

Асинхронный электродвигатель содержит в себе два основных узла. Неподвижную часть называют статором, а подвижную ― ротором. В зависимости от конструкции ротора, двигатели бывают с фазным или короткозамкнутым ротором. При этом, конструкция статора остаётся общей для обоих видов. Предназначен он для формирования вращающегося магнитного поля, которое при взаимодействии с электромагнитным полем ротора, придаёт ему вращательное движение.

Статор асинхронного двигателя: конструкция

1. Корпус. Изготавливается из немагнитного материала. Отливают его из чугуна или алюминия, при больших размерах двигателя корпус изготавливают с применением сварки. Двигатели этого типа имеют воздушное охлаждение. На поверхности корпуса расположены рёбра, повышающие теплоотдачу. Также, снаружи крепятся подшипниковые щиты, клеммная коробка и кожух вентилятора. Для крепления двигателя на его корпусе делают лапы или фланцы.
2. Сердечник. Изготавливают из пластин электротехнической стали, примерно полмиллиметра толщиной, что позволяет добиться уменьшения вихревых токов. Пластины сердечника собирают в пакеты, скрепляют скобами или швами, а затем покрывают слоями изоляционного лака. Сердечник закрепляется в станине несколькими стопорными болтами.
3. Обмотки статора. На внутренней стороне сердечника находятся пазы, в которые вкладываются обмотки, обычно в количестве трёх штук, сдвинутые по отношению одна от другой на 120 градусов. Изготавливаются они, в основном, из изолированного медного, а иногда и алюминиевого провода круглого или квадратного сечения. Концы обмоток выводятся на клеммную коробку, через которую электродвигатель подключают в трёхфазную сеть.

Для подключения асинхронных электродвигателей в сеть различного напряжения, например, 220/380 В, применяют два способа соединения обмоток в статорах:

• звездой ― концы всех обмоток статора соединяются в одной точке;
• треугольником ― обмотки последовательно соединяются в замкнутую ячейку.

При подключении следует помнить, что рабочие напряжения каждого конкретного двигателя указываются на табличке, закреплённой на корпусе. Минимальное указанное напряжение подключают в «треугольник», а наибольшее в «звезду». Сами схемы можете посмотреть по ссылке выше. При несоблюдении этого правила, обмотки статора достаточно быстро перегорят и двигатель выйдет из строя.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад, если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное. Всего доброго.