РАСЧЕТ ОБМОТКИ И ПАЗОВ ЯКОРЯ

В § 3.13 даны исходные рекомендации по выбору и расчету обмоток машин постоянного тока. Тип обмотки и число паралле­льных ветвей определяют, исходя из принятого числа главных полюсов 2р и тока параллельной ветви . Число главных полю­сов машин постоянного тока общего назначения в зависимости от диаметра можно принимать: 2р = 2 при D до 100 мм и 2р = 4 при D = 112...500 мм.

Для расчета числа параллельных ветвей определяют предварите­льное значение тока якоря, А:

для генераторов ;

для двигателей . (11.3)

Значения коэффициентов , приведены в табл. 11.8.

Исходя из принятого числа главных полюсов 2р, предваритель­ного значения тока якоря и допустимого тока параллельной ветви = 250...300 А согласно данным § 3.14 принимают тип обмотки.

При токах якоря до 600 А выбирают простую волновую обмотку, от 500 до 1400 А — простую петлевую обмотку. Число проводников обмотки якоря

N = (A D2a)/I. (11.4)

Согласно рекомендации § 3.14 и ориентировочным значениям зубцового деления определяют число пазов якоря:

Z = (11.5)

Ориентировочные значения для различных высот оси враще­ния следующие:

, мм
, мм

Число эффективных проводников обмотки в пазу N/Z должно быть в двухслойных обмотках четным числом.

По условиям коммутации пазовый ток не должен пре­вышать 1500... 1600 А при D < 1000 мм.

Для расчета числа коллекторных пластин К и числа секционных сторон в пазу и_п целесообразно рассмотреть несколько вариантов выполнения обмотки. Результаты расчета удобно представить в виде таблицы

№ варианта
.
.
.

При сравнении вариантов следует учесть, что в двигателях с по­лузакрытыми пазами всыпная обмотка из круглых проводников мо­жет иметь дробное число витков секции ,так как в этом случае допускается выполнение секций, расположенных в одном пазу с разным числом витков. Например, в некоторых машинах се­рии 2П при волновой обмотке с = 3 число витков в секциях при­нято равным 1-2-1, 2-1-2, 5-4-5.

При открытых пазах и проводах прямоугольного сечения значе­ния должны округляться до ближайшего целого числа.

Максимальное число коллекторных пластин должно оцениваться по минимально допустимому значению коллекторного деления, которое в зависимости от диаметра коллектора должно быть не менее:

, мм		140-280	315-500
, мм		3,5	3,8

Для серийных машин без компенсационной обмотки допус­кается до 16 В, для машин с компенсационной обмоткой ≤ 20 В, для машин малой мощности (до 1 кВт) ≤ 25...30 В. Для расчета коллекторного деления необходимо выбрать внешний диаметр коллектора ,из следующего ряда по ГОСТ 19780—81: 56, 63, 71, 80, 90, 100, 112, 125, 140, 160, 180 200 224, 250, 280, 315, 355, 400, 450 мм.

Диаметр коллектора при открытых пазах якоря должен нахо­диться в пределах

. (11.6)

При полузакрытых пазах якоря и отсутствии петушков на кол­лекторе

(11.7)

После выбора варианта обмотки необходимо уточнить линей­ную нагрузку

(11.8)

и скорректировать расчетную длину машины.

Поперечное сечение эффективного проводника обмотки якоря, м²,

(11.9)

где ,— плотность тока, А/м².

Плотность тока предварительно выбирают, используя зависимо­сти произведения AJ от класса нагревостойкости изоляции (рис. 11.11), построенные по данным серийных машин постоянного тока.

Для всыпных обмоток якоря с по­лузакрытыми пазами следует выбрать круглый провод марки ПЭТВ при классе нагревостойкости В. При классе нагревостойкости Н могут быть при­менены провода марки ПСДТК. Диа­метр изолированного провода не дол­жен превышать 1,8 мм.

Эффективные проводники всыпных обмоток обычно состоят из нескольких элементарных проводников. Число элементарных проводников и сече­ние элементарного проводника определяют из равенства

. (11.10)

где должно быть целым числом.

Рис. 11.11. Зависимость произ­ведения AJ от диаметра якоря

Сечение и размеры прямоугольных проводников обмотки яко­ря с открытыми пазами определяют при расчете размеров паза и зубца.

Форма паза и геометрии зубцовой зоны в целом зависят от диа­метра якоря, типа и конструкции обмотки.

Наиболее целесообразной, с точки зрения технологии обмоточ­ных работ, формой паза является открытый паз с параллельными стенками. При прямоугольной форме проводников эти пазы имеют высокий коэффициент заполнения.

Однако при открытых пазах увеличивается коэффициент воз­душного зазора, возрастают пульсация магнитного потока и зубцовые гармонические электромагнитного момента. Увеличиваются также поверхностные и пульсационные добавочные потери в маг­нитной системе.

Области применения полузакрытых и открытых пазов указаны в гл. 3.

При диаметрах якоря до 50 мм для упрощения формы штампа допускается применение пазов круглой формы.

При выбранной форме паза исходной величиной в расчетах гео­метрии зубцовой зоны является площадь паза, которая должна быть достаточной только для размещения в пазу проводников обмотки якоря, изоляции и крепления (клина).

Овальные пазы якоря.При овальной форме паза зубцы выпол­няют с равновеликим по высоте сечением (рис. 11.12). Ширина зуб­ца предварительно

, (11.11)

где — допустимое значение индукции в зубцах, Тл; k_c — коэффи­циент заполнения пакета якоря сталью (см. табл. 9.13).

Значения магнитной индукции в зависимости от частоты перемагничивания, степени защиты и способа охлаждения могут быть приняты согласно данным табл. 11.9.

Высоту паза предва­рительно выбирают согласно рис. 11.13. Предварительно вы­бранные значения размеров паза уточняют на основании расчетов индукций в соответст­вующих участках магнитной цепи зубцовой зоны и размеще­нии обмоток в пазах. Одновре­менно необходимо иметь в виду, что высота ярма якоря (см. рис. 11.13) должна быть более или равной значению , при котором магнитная индукция в спинке якоря является пре­дельно допустимой (табл. 11.10).

Рис. 11.12. Зависимость высоты паза от диаметра якоря

Таблица 11.9.Значения магнитной индукции в зависимости от частоты перемагничивания

Таблица 11.10.Исполнение двигателей по степени защиты и способу охлаждения

Примечание. При числе полюсов 2р = 2 предельные значения В_} можно увеличить на 0,2 Тл.

Минимальная высота спинки якоря равна

, (11.12)

где Ф — магнитный поток в воздуш­ном зазоре, Вб; — длина пакета яко­ря, м; d_f — диаметр аксиальных вентиляционных каналов, м, Bj — индукция в спинке якоря.

Обычно магнитопроводы якорей с овальными пазами выполняются без аксиальных каналов, и только в некоторых случаях при высотах оси вращения 200 мм и диаметрах якоря свыше 200 мм выполняется один ряд аксиальных каналов.

При расчете и необходимо вдаться значением внутреннего диаметра листов якоря (см. рис. 11.13).

Рис. 11.13. Размеры полузакрытых пазов овальной формы

Это значение прибли­женно определяют по формуле:

, (11.13)

где D₀ — в см, если в кВт.

Для машин серии 2П внутренний диаметр можно определить по табл. 11.11.

Таблица 11.11.Внутренний диаметр машин серии 2П

, мм						ISO
, мм
, мм

При выбранной ширине зубца bz и установленном значении определяют размеры и площадь сечения паза (см. рис. 11.13):

высота шлица 0,5...0,8 мм;

ширина шлица принимается больше суммы максимального диаметра изолированного проводника и двусторонней толщины изоля­ции:

больший радиус

; (11.14)

меньший радиус

; (11.15)

расстояние

; (11.16)

площадь паза в штампе

; (11.17)

площадь сечения пазовой изоляции

; (11.18)

площадь пазового клина и изоляционной прокладки между сло­ями обмотки

; (11.19)

площадь поперечного сечения паза, заполненная обмоткой,

; (11.20)

площадь поперечного сечения обмотки, уложенной в один паз,

, (11.21)

где — диаметр одного изолированного провода; — число элементарных проводников в одном эффективном проводнике; — число витков в секции; — число секционных сторон в пазу; — коэффициент заполнения паза изолированными проводника­ми: = 0,68...0,72; — толщина пазовой изоляции по (11.18).

Если площадь поперечного сечения паза больше площади поперечного сечения обмотки , то необходимо выбрать проводни­ки большего диаметра и снизить плотность тока обмотки якоря.

Если , требуется увеличить плотность тока и выбрать проводники меньшего сечения, чтобы обеспечить коэффициент за­полнения паза не более 0,72.

Средняя длина полувитка секций обмотки якоря с овальными пазами и всыпными обмотками, м,

, (11.22)

где — длина лобовой части, м; — длина якоря, м. Средняя длина лобовой части:

при 2р = 2

; (11.23)

при 2р = 4

. (11.24)

Сопротивление обмотки якоря, Ом,

, (11.25)

где — удельное сопротивление меди при расчетной рабочей темпе­ратуре, q_a — по (11.9).

Масса меди, кг,

. (11.26)

Прямоугольные пазы якоря. При прямоугольной форме паза (рис. 11.14) предварительно задаются высотой паза (см. рис. 11.13). Ширина зубца в минимальном сечении (у основания паза) определяется допустимой индукцией , значения которой можно принять по табл. 11.12.

Таблица 11.12. Значения допустимой индукции

Исполнение двигателей по степени защиты и способу и охлаждения	Магнитная индукция ,Тл. при частоте перемагничивания, Гц
			25 и ниже
IP22, IC01, IC17, IP44, IC37	1,9-2,1	2-2,2	2,1-2,3	2,2-2,4
IP44, IC0141	1,6-1,8	1,7-1,9	1,8-2	1,9-2,1
IP44, IC0041	1,5-1,7	1,6-1,8	1,7-1.9	1,8-2

Рис. 11.14. Размеры пазов прямоугольной формы

Рис. 11.15. К расчету и проектированию секций обмоток якоря

Якоря машин постоянного тока общего назначения с прямоуго­льными пазами при диаметрах свыше 200 мм имеют аксиальные вентиляционные каналы. При диаметрах до 300 мм достаточно вы­полнить один ряд каналов диаметром от 15 до 22 мм при числе ка­налов от 18 до 25.

При диаметрах от 300 мм до 500 мм выполняют два ряда кана­лов диаметром от 24 до 34 мм с числом каналов от 24 до 30.

При диаметрах якоря до 500 мм пакет магнитопровода насажи­вают непосредственно на вал. Внутренний диаметр сердечника в этом случае принимают ориентировочно равным или рас­считывают по формуле (11.13).

Размеры паза и и спинки якоря ; уточняют после проверки индукции в спинке якоря , которая не должна превышать предель­ных значений, приведенных в табл. 11.10.

При креплении обмоток в пазах якоря клиньями (рис. 11.14) вы­сота клина принимается равной приблизительно 4 мм, высота шлица = 1 мм.

После выбора размеров паза и зубца определяется максимальная ширина проводника с изоляцией:

. (11.27)

При скосах пазов на одно или половину зубцового деления рас­четную ширину паза в формуле (11.27) необходимо уменьшить на 0,1 мм.

Предельно допустимые значения высоты проводника с изоля­цией равны:

, (11.28)

где — число витков в секции. Для уменьшения эффекта вытеснения тока в проводниках обмотки якоря, вращающегося в магнитном поле, принимается высота элементарного проводника не более 4 мм при 100 Гц, 7 мм при 50 Гц, 10 мм при 25 Гц. В этом случае допускается разделить эффективный проводник по высоте на два эле­ментарных проводника, каждый из которых имеет высоту, не превы­шающую допустимый размер по высоте для данной частоты.

По размерам необходимо выбрать по табл. ПЗ.З стан­дартные размеры и сечение проводника.

Обмотки якорей с прямоугольными пазами выполняют из проводников прямоугольного сечения марки ПЭТВП при классе нагревостойкости изоляции В и ПЭТП-155 при классе нагревостойкости изоляции F.

Все типы двигателей серии 4П выполняют с изоляцией класса нагревостойкости F.

Если провода имеют круглое сечение, то при классах нагрево­стойкости изоляции Вир выбирают марку ПСД, при классе нагре­востойкости Н — ПСДК.

После проверки размещения всех проводников обмотки якоря в пазу с учетом клина, пазовой и витковой изоляций уточняют разме­ры паза, которые округляют до ближайшей большей десятой милли­метра.

По выбранному сечению проводника определяют плотность тока, А/м²,

(11.29)

и произведение AJ_a, А²/м³.

Полученное значение произведения AJ_a необходимо сравнить с рекомендованными (см. рис. 11.11). Если , превышает допусти­мые значения, то необходимо увеличить площадь паза и, повторив расчет зубцовой зоны и размеров проводников, установить оконча­тельные размеры паза.

Размеры секций обмотки якоря (рис. 11.15) определяют по черте­жу пакета якоря и обмоточным данным.

Длины переднего и заднего вылетов секции равны:

;

,

где а — прямолинейный участок секции с учетом радиуса изгиба; в за­висимости от напряжения значение а равно:

— прямолинейный участок концов секции, который при перекру­ченных проводниках секции равен 0,015...0,02 м, при расплющенных концах секции 0,04 м, при выполнении секции без скрутки проводников 0,012...0,015 м; с — прямолинейные участки лобовых частей пе­редней части секции (с учетом радиуса изгиба):

.

Прямолинейные участки лобовых частей передней части секции и задней равны:

. (11.30)

Соответственно вылеты и равны:

; , (11.31)

где

; .

Шаг для предварительных расчетов

. (11.32)

Угол определяют согласно рис. 11.15:

, (11.33)

где — толщина катушки в лобовой части; — расстоя­ние между лобовыми частями двух соседних катушек:

м.

Длина полувитка обмотки якоря, м,

. (11.34)

Сопротивление и массу обмотки определяют соответственно по (11.25), (11.26).