Двухслойные обмотки с укороченным шагом

Как мы видели выше, двухслойные обмотки с диаметральным шагом в электрическом и магнитном отношениях ничем не отличаются от однослойных обмоток со сплошными фазными зонами. При несинусоидальном распределении магнитного потока э. д. с. будет также несинусоидальной. Результирующая кривая м. д. с. будет значительно отличаться от синусоидальной кривой, вследствие чего и магнитный поток, создаваемый обмоткой, будет несинусоидальным. Исходя из этого, в практике электромашиностроительных заводов двухслойная обмотка с диаметральным шагом почти совсем не применяется.

Наоборот, двухслойные обмотки с укороченным шагом получили большое распространение. То обстоятельство, что они позволяют легко получить почти любое укорочение шага, и явилось одной из причин их широкого применения.

На рис. 2-68, а показано распределение фазных участков при диаметральном и укороченном шагах катушек.

Если верхние стороны катушек поместить на одном и том же участке обмотки — между точками 5 и 6, то при диаметральном шаге катушек нижние стороны расположатся на диаметрально противоположном участке — между точками 1 и 2. Лобовые части катушек в этом случае определятся кривыми а.

При укороченном шаге катушек участок 3—4, где располагаются их нижние стороны, будет находиться ближе к участку 5—6, а лобовые части б катушек будут короче. На рисунке участки, на которых располагаются стороны катушек с укороченным шагом, заштрихованы.

— сокращение шага, Z — ширина катушки (рис. 2-68 б).

Если сопоставить рис. 2-61 и 2-68 с рис. 2-22, то можно прийти к заключению, что стороны катушек одного слоя двухслойных

обмоток, независимо от ширины катушек, располагаются так же, как стороны катушек однослойных обмоток со сплошными фазными участками. Поэтому при одинаковых магнитных полях ротора в проводниках верхних и нижних слоев двухслойных обмоток будут индуктироваться э. д. с, одинаковые по величине и изменению во времени с э. д. с. однослойных обмоток со сплошными фазными участками. То же самое можно сказать и относительно м. д. с. — при одинаковых токах и числах проводников в пазах кривые м. д. с. слоя двухслойных обмоток и однослойной обмотки будут одинаковыми.

Таким образом, двухслойная обмотка представляет собой две однослойные обмотки со сплошными фазными зонами. При диаметральном шаге катушек эти однослойные обмотки располагаются одна над другой без всякого сдвига по отношению друг к другу, а при укороченном шаге со сдвигом, равным

— к катушкам с укороченным

, попадают под полюсы пятой гармоники одинаковой полярности, и поэтому э. д. с. от пятой гармоники поля ротора будет близкой к нулю. То же самое можно заметить и при других положениях ротора (положения 2, <?, рис. 2-69, е).

Таким образом, применением укороченного шага катушки мы достигаем того, что при несинусоидальном распределении магнитного потока кривая напряжения получается более близкой к синусоидальной, чем при обмотках с диаметральным шагом.

На рис. 2-69 мы рассмотрели только частный случай, когда кривую действительного распределения магнитного потока можно заменить двумя синусоидальными кривыми — кривой I и кривой 2.

Чаще в машинах магнитный поток распределяется по более сложной кривой, которую можно заменить суммой не двух, а многих синусоидальных кривых. Так, на рис. 2-70 изображена кривая 2 действительного распределения магнитного потока, которую в основном можно заменить суммой трех синусоидальных кривых, 1, 3, 4. Из рисунка видно, что при диаметральном шаге катушки напряжение на ее зажимах будет изменяться по кривой 2; если же сделать шаг укороченным и равным Z, то кривая напряжения приблизится к синусоиде, так как магнитный поток, изображенный кривой 4, не будет индуктировать э. д. с, потому что в любом положении катушки этот магнитный поток, проходящий через нее, равен нулю. Магнитный поток кривой 3 будет индуктировать очень незначительную э. д. е., так как действует только небольшая его часть.

В отношении образования магнитного потока обмотки с укороченным шагом также имеют преимущества перед обмотками с диаметральным шагом.

На рис. 2-71 изображено распределение активных сторон катушек двухслойной обмотки с укороченным шагом и q = 3.

Так как стороны верхнего и нижнего слоев распределяются так же, как стороны однослойной обмотки, кривые м. д. с. слоев при тех же мгновенных значениях фазных токов будут иметь вид кривой результирующей м. д. с. (см. рис. 2-32).

При диаметральном шаге катушек кривые м. д. с слоев располагаются относительно обмотки одинаково, и поэтому кривая результирующей м. д. с имеет тот же вид, что и кривая м. д. с. слоев.

  180°, и поэтому кривая результирующей м. д. с. будет иметь другой вид — она будет более синусоидальной (рис. 2-71).

Предположим, что кривая м. д. с. верхнего слоя обмотки несинусоидальна и имеет вид 1 (рис. 2-72). Пусть кривая 2 является основной гармоникой, а кривая 3 — наиболее сильно выраженной высшей гармоникой м. д. с верхнего слоя.

Ввиду того, что распределение тока по нижнему слою такое же, как и по верхнему, кривые м. д. с этих слоев будут одинаковы. На рис. 2-72 м. д. с. нижнего слоя изображена кривой 4, а основная и наиболее сильно выраженная высшая гармоника — кривыми 5 и 6.

Так как м. д. с. слоев действуют в одной и той же магнитной цепи, то, складывая кривые м. д. с. верхнего и нижнего слоев, получим результирующую м. д. с. обмотки — кривая 7. Рисунок показывает, что эта кривая более синусоидальная, чем кривая 1 или 4, сдвиг нижнего слоя по отношению к верхнему, т. е. ширина катушек, выбраны так, что кривая 5 оказывается сдвинутой по отношению к кривой 2 на ширину одного полюсного шага высшей гармоники, вследствие чего в результирующей м. д. с. высшая гармоника пропадает, так как м. д. с. — кривая 3 и м. д. с. — кривая 6 равны и действуют навстречу друг другу.

Если бы обмотка имела диаметральный шаг, кривая 6 совпадала бы по расположению с кривой 3 высшая гармоника в кривой результирующей м. д с была бы вдвое больше высшей гармоники одного слоя.

Таким образом, путем сокращения шага катушек можно вести борьбу с той или иной нежелательной высшей гармоникой и получать более синусоидальное распределение м. д. с. и магнитного поля обмотки.

, в этом случае нижний слой обмотки будет смещен относительно верхнего слоя на ширину одного полюсного шага пятой гармоники (рис. 2-72).

— число пазов на полюс и фазу, то для унич-

шаг из первого в одиннадцатый паз.

Выше мы говорили, что укороченный шаг по сравнению с диаметральным уменьшает э. д. с. Поэтому для получения одной и той же э. д. с. нужно увеличить число витков в фазе, т. е. увеличить число витков каждой катушки.

Обмоточный коэффициент укорочения в указанных случаях будет:

Отсюда мы видим, что уменьшение э. д. с. при укорочении шага до 0,8 достигает приблизительно 5%. Если бы длина витка оставалась той же, что и катушки с диаметральным шагом, то вес меди обмотки увеличился бы приблизительно на 5 %. Ниже будет показано, что с укорочением шага катушки длина лобовых частей обмотки уменьшается, так что в результате расход меди на обмотку уменьшается примерно на 10—15%.

К другим преимуществам двухслойной обмотки с укороченным штагом следует отнести уменьшение индуктивного сопротивления обмотки. Известно, что вокруг каждого проводника, по которому протекает электрический ток, образуется магнитное поле. При изменении тока во времени (переменный ток) меняется и магнитный поток, окружающий проводник, вследствие чего в последнем будет индуктироваться э. д. с. самоиндукции. Э. д. с. самоиндукции, деленная на ток, называется индуктивным сопротивлением.

Если взять две катушки с одинаковым числом витков: одну с диаметральным шагом, а другую с укороченным, то при одном и том же токе индуктивное сопротивление катушки с укороченным шагом будет меньше, так как длина ее витка будет короче, т. е. меньше будет магнитный поток, сцепленный с лобовыми частями катушки.

Кроме того, при укороченном шаге катушки будет уменьшаться индуктивное сопротивление и активной части катушки, т. е. уложенной в пазы. Дело в том, что, как мы увидим ниже, при укороченных катушках в некоторых пазах по верхним и нижним проводникам паза протекает ток различных фаз, в то время как при диаметральных катушках проводники каждого паза принадлежат одной какой-нибудь фазе. Это приводит к тому, что общий объем тока паза (сумма произведений из мгновенных значений тока на число проводников верхнего и нижнего слоев) будет меньше, что повлечет за собой уменьшение магнитного потока, вызываемого этим током.

Меньшее индуктивное сопротивление во многих случаях благоприятно влияет на эксплуатационные свойства машины.