ТИПЫ ОБМОТОК И ИХ ИЗОЛЯЦИЯ

Конструкция и схемы обмоток

Электрических машин

В современных электрических машинах наибольшее распространение получили цилиндрические разноименнополюсные (барабанные) обмотки. Проводники таких обмоток располагаются вдоль воздушного зазора машины и не охватывают магнитопровода статора и ротора. Другие типы обмоток встречаются только в некоторых специальных типах электрических машин [6].

ТИПЫ ОБМОТОК И ИХ ИЗОЛЯЦИЯ

Обмотки бывают сосредоточенными или распределенными. В сосредоточенных обмотках витки, образующие полюс, объединены в одну, как правило, многовитковую катушку, которая насаживается на ферромагнитный сердечник. Полюс, образованный катушкой и сердечников, называют явно выраженным.

Сосредоточенные обмотки полюсов машин постоянного и переменного тока одинаковы по схемам соединения и различаются между собой лишь особенностями конструктивного исполнения и способами крепления катушек. Обмотки возбуждения почти всех машин постоянного тока выполняют сосредоточенными. В машинах переменного тока сосредоточенными выполняют обмотки возбуждения синхронных машин с частотой вращения не более 1500 об/мин. Такие машины называют машинами с явно выраженными полюсами на роторе или машинами с явнополюсными роторами (рис. 3.1).

Рис. 3.1. роторы синхронных машин с явно выраженными полюсами:

а — многополюсный; б — четырехполюсный

Распределенные обмотки состоят из катушек с относительно небольшим числом витков каждая (в машинах большой мощности — до одного-двух витков в катушке). Катушки размещают равномерно по всей длине окружности воздушного зазора в пазах статора или ротора (рис. 3.2). Соединенные между собой по определенной схеме катушки образуют так называемые неявно выраженные полюсы машины.

Рис. 3.2. Статор машины переменного тока Рис. 3.3. Катушки распределенной

с распределенной обмоткой обмотки из прямоугольного провода:

а — подразделенная; б — цельная;

1 — пазовые части; 2 — лобовые части;

3 — выводные концы

Распределенные обмотки приняты в статорах и фазных роторах асинхронных машин, в статорах синхронных машин, якорях машин постоянного тока и в роторах синхронных машин с частотой вращения 3000 об/мин (в неявнополюсных роторах). В ряде конструкций машин постоянного тока обмотки возбуждения также выполняют распределенными.

Катушки распределенной обмотки (рис. 3.3) наматывают обмоточным проводом. Прямолинейные части витков, располагающиеся в пазах магнитопровода, называют пазовыми частями; криволинейные, которые соединяют пазовые части между собой, — лобовыми частями витка. Аналогичные названия — пазовые и лобовые части — имеют соответствующие части катушки. Участки изгибов лобовых частей называют головками катушек, начала и конец обмоточного провода, которым намотана катушка, — выводными концами катушки.

Стороны катушек распределенных обмоток могут занимать либо целый паз, либо только половину (рис. 3.4). В первом случае обмотку называют однослойной, во втором — двухслойной, так как стороны катушек располагают в пазах в два слоя: одна в нижней половине паза — нижний слой, вторая в верхней половине — верхний слой.

Рис. 3.4. Поперечное сечение полузакрытых пазов статора с обмоткой из круглого провода: а — машин малой мощности, однослойная обмотка; б — машин средней мощности, двухслойная обмотка

Рис. 3.5. Схематическое изображение элементов катушечных обмоток: а — петлевой; б — волновой, стержневой обмотки; в — петлевой; г — волновой

Некоторые типы обмоток изготовляют не из катушек, а из стержней — стержневая обмотка (рис. 3.5). Каждый стержень представляет собой как бы катушку, разрезанную пополам по лобовым частям, и состоит из одной пазовой и двух половин разных лобовых частей. Витки стержневой обмотки образуются после укладки обмотки в пазы и соединения головок стержней друг с другом. В расчетах и схемах стержневая обмотка рассматривается как катушечная с одним витком в катушке.

По направлению отгиба лобовых частей катушек или стержней, который определяет последовательность их соединений между собой, различают петлевые и волновые обмотки (см. рис. 3.5).

Почти все обмотки электрических машин наматывают изолированным обмоточным проводом. Значительно реже для обмоток используют неизолированную прямоугольную проволоку или медные шины, на которые изоляцию наносят в процессе изготовления катушек. Лишь короткозамкнутые обмотки роторов асинхронных двигателей и демпферные или пусковые обмотки синхронных машин не имеют изоляции. Стержни этих обмоток устанавливают в неизолированные пазы магнитопровода, а в большинстве асинхронных двигателей мощностью до 300…400 кВт выполняют заливкой в пазы алюминия или его сплавов.

К изоляции электрических машин предъявляют ряд требований, целью которых является обеспечение надежной работы машины на протяжении всего расчетного срока ее эксплуатации. Изоляция, прежде всего, должна иметь достаточную электрическую прочность для предотвращения возможного замыкания витков обмотки на металлические части машины или между собой. Для обеспечения этого требования изоляции должна обладать хорошей теплопроводностью, так как иначе тепло, выделяемое в проводниках обмотки, нагреет ее выше допустимых пределов, и электрическая прочность изоляции снится. Кроме того, изоляция обмоток не должна заметно ухудшать свои электрические свойства под воздействием механических усилий, которым она подвергается в процессе укладки обмотки в пазы, а также при работе машины, под воздействием влаги, паров масел и различных газов, которые может содержать окружающий машину воздух. Эти требования определяют необходимые для изоляции термическую и механическую прочность, влаго- и маслостойкость и т. п.

По своему функциональному назначению изоляция обмоток подразделяется на корпусную — наружную изоляцию катушек, изолирующую их от стенок пазов в сердечниках (пазовая изоляция) и от других металлических частей машины (изоляция лобовых частей катушек); междуфазную, изолирующую катушки каждой фазы обмотки от других фаз; витковую, изолирующую каждый виток катушки от других витков; проводниковую — изоляцию каждого из проводников обмотки. Каждый из видов изоляции имеет свою, специфическую конструкцию и к ним предъявляются различные требования.

В общем случае толщина и конструкция всех видов изоляции определяются ее функциональным назначением, уровнем номинального напряжения машины, ее типом и условиями эксплуатации, для которых предназначена данная машина.

В наиболее тяжелых условиях при эксплуатации находится корпусная изоляция пазовых частей катушек обмотки. Ограниченные размеры паза приводят к необходимости выполнения пазовой изоляции в виде тонкого и механически прочного слоя, отвечающего всем перечисленным выше требованиям к изоляции электрических машин, т. е. электрической и механической прочности, теплопроводности и др. Современные электроизоляционные материалы позволяют выполнить пазовую изоляцию машин с номинальным напряжением до 660 В толщиной, не превышающей нескольких десятых долей миллиметра на сторону, а машин высокого номинального напряжения — толщиной, не превышающей нескольких миллиметров на сторону.

Корпусная изоляция по своей конструкции бывает непрерывной или гильзовой. Непрерывную изоляцию образуют обертыванием проводников катушки по всей их длине лентой изоляционного материала, например микалентой, стекломикалентой или стеклослюдинитовой лентой. Ленту обычно наносят вполперекроя (вполнахлеста) в несколько слоев, число которых зависит от номинальное напряжение машины. В большинстве случаев конструкций после наложения ленты изоляцию пропитывают изолирующими составами — лаками или компаундами для создания монолитного изолирующего слоя и увеличения ее теплопроводности и механической прочности.

Гильзовую изоляцию образуют обертыванием прямолинейных пазовых частей катушек широким листовым изоляционным материалом с последующей горячей обкатной наложенных слоев (мягкая гильза) или горячей обкаткой, опрессовкой и запечкой (твердая гильза). На изогнутые лобовые части катушек с гильзовой изоляцией наносят непрерывную ленточную изоляцию.

Непрерывную и гильзовую изоляцию применяют для обмоток всех машин напряжением 3000 В и выше, в обмотках якорей машин постоянного тока большой мощности, стержневых волновых обмотках фазных роторов асинхронных двигателей, а также в машинах специального, например, влагостойкого исполнения при любом номинальном напряжении.

Пазовые части обмотки машин напряжением до 600 В изолируют коробами из одного или двух слоев изоляционного материала — пленкосинтокартон, электронита, имидофлекса и т. п. Пазовые короба устанавливают в пазы до укладки обмотки. Они не могут служить надежной корпусной изоляцией для обмоток машин более высокого напряжения.

Примеры выполнения изоляции обмоток приведены при описании конкретных конструкций обмоток.