Размеры пазов в электрических машинах должны быть выбраны таким образом, чтобы, во-первых, площадь поперечного сечения паза соответствовала количеству и размерам размещаемых в нем проводников обмотки с учетом всей изоляции и, во-вторых, чтобы значения индукций в зубцах и ярме статора находились в определенных пределах, зависящих от типа, мощности, исполнения машины и от марки электротехнической стали сердечника. Конфигурация пазов и зубцов определяется типом обмотки, который, в свою очередь, зависит от мощности, номинального напряжения и исполнения машины. Расчет размеров зубцовой зоны проводят по допустимым индукциям в ярме и в зубцах статора (табл. 4.1).
Обмотка из прямоугольного провода укладывается в прямоугольные пазы (рис. 4.1). Боковые стенки таких пазов параллельны, поэтому зубцы статора имеют трапецеидальное сечение, и индукции в них неравномерна. Обычно задаются значениями допустимой индукции в ярме статора и индукцией в наиболее узком сечении зубца либо индукцией в сечении зубца с шириной , взятом на расстоянии, равном 1/3 его высоты от наиболее узкой части зубца (см. рис. 4.1).
Рис. 4.1. К расчету размеров прямоугольных пазов статора:
а – открытых; б – полуоткрытых
Таблица 4.1. Допустимые значения индукции на участках магнитной цепи
асинхронных двигателей, Тл
Участок магнитной цепи | Обозначение | Исполнение IР44 при числе полюсов 2р | ||||
10 и 12 | ||||||
Ярмо статора | 1,4-1,6 | 1,15-1,35 | 1,1-1,2 | |||
Зубцы статора при постоянном сечении (обмотка из круглого провода) | 1,6-1,9 | 1,6-1,8 | ||||
Зубцы статора при наиболее узком сечении: | ||||||
при полуоткрытых пазах | 1,75-1,95 | |||||
при открытых пазах | 1,6-1,9 | |||||
Ярмо ротора: | ||||||
короткозамкнутого | ≤1,45 | ≤1,4 | ≤1,2 | ≤1 | ||
фазного | ≤1,3 | ≤1,15 | ≤0,9 | |||
Зубцы ротора при постоянном сечении (трапецеидальные пазы) | 1,7-1,95 | |||||
Зубцы ротора в наиболее узком сечении: | ||||||
короткозамкнутого | 1,5-1,7 | 1,6-1,9 | ||||
фазного | 1,75-2,15 | 1,7-1,95 |
Примечание. Индукции на участках магнитной цепи в большинстве асинхронных двигателей не отличаются от указанных в таблице более чем на 5%.
По выбранным значениям индукций определяются:
высота ярма статора, м,
; (4.1)
минимальная ширина зубца, м,
, (4.2)
или ширина зубца на расстоянии 1/3 его высоты от наиболее узкой части
. (4.3)
Значение коэффициента заполнения сердечника сталью следует брать из табл. 4.2.
Таблица 4.2. Способы изолирования листов электротехнической стали
и коэффициенты заполнения сталью магнитопроводов статора и ротора
с номинальным напряжением до 660 В
Высота оси вращения | Статор | Короткозамкнутый ротор | Фазный ротор | |||
Способ изолирования листов | Способ изолирования листов | Способ изолирования листов | ||||
50-250 280-355 | Оксидирование Лакировка | 0,97 0,95 | Оксидирование “ | 0,97 0,97 | – Лакировка | – 0,95 |
Размеры паза вначале определяют без учета размеров и числа проводников обмотки, исходя только из допустимых значений индукций в зубцах и ярме статора:
высота паза, м,
; (4.4)
ширина паза, м,
, (4.5)
или
. (4.6)
Обычно .
Предварительно определенная ширина паза используется для выбора размеров обмоточного провода. Ширина проводника b должна быть меньше ширины паза на толщину всей изоляции с учетом допусков, т.е. корпусной, витковой (если она устанавливается в данной конструкции) и проводниковой (2 ), а также припусков на сборку сердечников ( см. ниже):
, (4.7)
где — толщина всей изоляции.
Все данные по толщине всех видов изоляции берутся из соответствующих таблиц в зависимости от номинального напряжения и мощности машины, конструкции и класса, нагревостойкости изоляции.
Если эффективный проводник обмотки состоит из двух элементарных проводников, то ширина каждого из них будет равна:
. (4.8)
Значения по (4.7) и (4.8) являются предварительными. Окончательная ширина проводника находится по таблице стандартных размеров обмоточных проводов (см. табл. 4.3).
После уточнения размеров проводников составляется спецификация паза (таблица заполнения паза) с указанием размеров проводов, названий, размеров и числа слоев изоляционных материалов, различных прокладок и т. п.
Сумма размеров по высоте и ширине паза всех проводников и изоляции с учетом необходимых допусков на разбухание изоляции и на укладку обмотки определяет размеры части паза, занятой обмоткой.
В боковых стенках верхней части открытых пазов выполняют выемки для крепления пазовых клиньев (см. рис. 4.1). Глубина выемок под клин, высота шлица и высота клиновой части паза возрастают с увеличением мощности машины и ширины ее пазов. Обычно в асинхронных двигателях общего назначения , и в машинах средней мощности и достигает 5 мм в крупных машинах.
Полученные при расчете заполнения паза его размеры являются размерами паза «в свету», т.е. размерами реального паза в собранном шихтованном сердечнике с учетом неизбежной при этом «гребенки», образующейся за счет допусков при штамповке листов и шихтовке магнитопроводов.
Размеры паза «в свету» будут меньше, чем в штампе, т.е. чем размеры паза в каждом отдельном листе после штамповки, на величину припусков, указанных в табл. 4.4.
Таблица 4.4. Припуски по ширине и высоте, паза
Высота оси вращения H, мм | Припуски, мм | |
по ширине паза | по высоте паза | |
50–132 160–250 280–355 400–500 | 0,1 0,2 0,3 0.4 | 0,1 0,2 0,3 0,3 |
Поэтому размеры паза в штампе следующие:
(4.9)
где и — размеры паза «в свету», полученные при расчете заполнения паза проводниками обмотки и изоляцией.
После того как размеры паза в штампе окончательно установлены, определяют расчетные размеры зубцов , или и (табл. 4.5).
Таблица 4.3. Максимальная толщина изоляции обмоточных проводов
Марка провода | Двусторонняя толщина изоляции | |||||||
при диаметрах голого провода d, мм | ||||||||
0,05–0,09 | 0,1–0,19 | 0,2–0,25 | 0,265–0,3 | 0,315–0,355 | 0,375–0,5 | 0,53–0,71 | 0,75–0,95 | |
ПБД | - | - | 0,19 | 0,22 | 0,22 | 0,22 | 0,22 | 0,22 |
АПБД | - | - | - | - | - | - | - | - |
ПЭЛБО | - | - | 0,125 | 0,155 | 0,16 | 0,165 | 0,17 | 0,18 |
ПЭЛШО, ПЭЛШКО | 0,07 | 0,075 | 0,09 | 0,1 | 0,105 | 0,11 | 0,115 | 0,125 |
ПСД, ПСДК | - | - | - | - | 0,23 | 0,23 | 0,25 | 0,25 |
ПСДТ | - | - | - | - | 0,18 | 0,18 | 0,19 | 0,2 |
ПСДКТ | - | - | - | - | 0,14 | 0,14 | 0,16 | 0,16 |
ПДА | - | - | - | - | - | - | - | - |
ПЭВП, ПЭМП, ПЭВППИ, ПЭТВП | - | - | - | - | - | - | - | - |
ППТБО, ППЛБО | - | - | - | - | - | - | - | - |
ПБД | 0,27 | 0,27 | 0,27 | 0,33 | 0,33 | 0,27 | 0,33 | 0,44 |
АПБД | 0,27 | 0,27 | 0,27 | 0,33 | 0,33 | 0,27 | 0,33 | 0,44 |
ПЭЛБО | 0,21 | 0,21 | 0,21 | - | - | - | - | - |
ПЭЛШО, ПЭЛШКО | 0,135 | 0,155 | 0,155 | - | - | - | - | - |
ПСД, ПСДК | 0,27 | 0,27 | 0,27 | 0,33 | 0,33 | 0,27 | 0,33 | 0,4 |
ПСДТ | 0,21 | 0,21 | 0,23 | - | - | - | - | |
ПСДКТ | 0,18 | 0,18 | - | - | - | 0,22 | - | - |
ПДА | 0,3 | 0,3 | 0,3 | 0,35 | 0,35 | 0,4 | 0,4 | 0,4 |
ПЭВП, ПЭМП, ПЭВППИ, ПЭТВП | - | - | - | - | - | 0,1-0,12 | 0,15 | - |
ППТБО, ППЛБО | - | - | - | - | - | 0,45 | 0,45 | 0,5 |
Таблица 4.5. Расчетные размеры трапецеидальных зубцов статора
при открытых и полуоткрытых пазах
Размер | Паз по рис. 4.1, а | Паз по рис. 4.1, б |
Обмотку из подразделенных катушек в машинах общего назначения с номинальным напряжением укладывают в полуоткрытые пазы (см. рис. 4.1, б). Ширина шлица паза выбирается из условия обеспечения свободной укладки полукатушек в паз, поэтому . Высоту шлица и высоту клиновой части паза выполняют в пределах и (большие значения берутся при широких пазах и большей мощности двигателей). Выбор размеров проводников, расчет заполнения паза и определение его размеров «в свету» и в штампе производят так же, как и для открытых пазов. Ширину и расчетную высоту зубцов определяют по формулам табл. 4.5.
Круглые обмоточные провода всыпной обмотки могут быть уложены в пазы произвольной конфигурации, поэтому размеры зубцовой зоны при всыпных обмотках выбирают таким образом, чтобы параллельные грани имели зубцы, а не пазы статора (рис. 4.2). Такие зубцы имеют постоянное, не изменяющееся с высотой зубца поперечное сечение, индукция в них также не изменяется, и магнитное напряжение зубцов с параллельными гранями оказывается меньше, чем магнитное напряжение трапецеидальных зубцов, при том же среднем значении индукции в них. Это объясняется отсутствием в зубцах с параллельными гранями участков с высокой индукцией, напряженность поля в которых резко возрастает из-за нелинейности магнитной характеристики стали, увеличивая суммарное магнитное напряжение зубцов.
Рис. 4.2. К расчету размеров зубцовой зоны статоров с обмоткой из круглого провода:
а–в – различные конфигурации пазов
Обмотку из круглого провода укладывают в пазы одной из приведенных на рис. 4.2, а–в конфигураций. В большинстве современных двигателей, выпускаемых отечественной промышленностью, выполняют трапецеидальные пазы (рис. 4.2, а, б), хотя лучшее заполнение паза достигается в пазах с овальной нижней частью (рис. 4.2, в). Угол наклона грани клиновой части в трапецеидальных пазах у двигателей с h ≤ 250 мм обычно β = 45°, при большей высоте оси вращения β = 30°.
Принцип расчета размеров паза всыпной обмотки остается таким же, как и для пазов с прямоугольными проводами. Сначала проводят предварительный выбор размеров, исходя из допустимой индукции в зубцах и ярме статора,
(4.10)
и по (4.1).
В дальнейшем, после расчета коэффициента заполнения паза проводниками обмотки, полученное значение уточняется.
По допустимым индукциям в ярме и зубцах статора (см. табл. 4.1) из (4.1) и (4.10) определяют высоту ярма и ширину зубца статора. Далее находят размеры паза в штампе (см. рис. 4.2, а), м,
; (4.11)
. (4.12)
Размер определяют в зависимости от угла β:
при β = 45°
; (4.13)
при β = 30°
. (4.14)
Полученные размеры округляют до десятых долей миллиметра.
Высота шлица паза обычно лежит в пределах от 0,5 до 1 мм в зависимости от мощности двигателя. Следует иметь в виду, что должна быть достаточной для обеспечения механической прочности кромок зубцов, удерживающих в уплотненном состоянии проводники паза после заклиновки пазов. Однако увеличение приводит к возрастанию потока рассеяния паза, что в большинстве случаев нежелательно. Обычно в двигателях с h ≤ 132 мм принимают = 0,5 мм, в двигателях с h ≥ 160 мм увеличивают до = 1 мм.
Ширину шлица паза в статорах, рассчитанных на укладку обмотки вручную, принимают равной , где — диаметр изолированного обмоточного провода, мм. Размер должен обеспечить возможность свободного пропуска проводников обмотки через шлиц с учетом толщины изоляционных технологических прокладок, устанавливаемых при укладке обмотки для предохранения изоляции проводников от повреждений об острые кромки шлица.
В машинах с однослойной, одно-двухслойной или с двухслойной концентрической обмоткой, в которых укладка обмотки механизирована, ширину шлица паза выполняют несколько большей. При совмещенном методе укладки ширина шлица паза, мм,
.
Для расчета коэффициента заполнения паза необходимо определить площадь паза «в свету» и учесть площадь поперечного сечения паза, занимаемую корпусной изоляцией и прокладками в пазу . Размеры паза «в свету» определяют с учетом припусков на шихтовку сердечников и :
(4.15)
где и – см. табл. 4.4.
Площадь, занимаемая корпусной изоляцией в пазу, м2,
, (4.16)
где — односторонняя толщина изоляции в пазу, м.
Площадь, занимаемая прокладками в пазу (на дне паза, под клином и между слоями обмотки в двухслойной обмотке), м2,
для двигателей с h = 180...250 мм
; (4.17.1)
для двигателей с h ≥ 280 мм
. (4.17.2)
При отсутствии прокладок в пазу .
Площадь поперечного сечения паза, остающаяся свободной для размещения проводников обмотки,
. (4.18)
Контролем правильности размещения обмотки в пазах является значение коэффициента заполнения паза:
который должен находиться в пределах = 0,69...0,71 для двигателей c 2 p =2 и = 0,72...0,74 для двигателей с 2 p ≥ 4.
К уменьшению приводит также уменьшение числа элементарных проводников , которое возможно при одновременном пропорциональном увеличении площади поперечного сечения или уменьшении числа параллельных ветвей обмотки с тем, чтобы плотность тока осталась неизменной. Если и при этом значение остается выше допустимого, следует сделать вывод, что принятые главные размеры двигателя занижены. Необходимо просчитать другой вариант, увеличив l или перейдя на большую высоту оси вращения.
После уточнения размеров паза ширину зубца и расчетную высоту паза определяют по формулам табл. 4.6. Обычно при всыпной обмотке . B некоторых случаях возможно некоторое расхождение значений и , поэтому рекомендуется рассчитать оба значения и и при небольшом расхождении результатов взять среднюю расчетную ширину зубца: . При больших расхождениях следует изменить соотношения размеров пазов.
Таблица 4.6. Расчетные размеры зубцов статоров при трапецеидальных или
грушевидных пазах в машинах с обмоткой из круглого провода
Размер | Рис. 4.2, a | Рис. 4.2, б | Рис. 4.2, в |
Таблица 4.7. Заполнение паза статора при прямоугольном проводе a × b
Обозначение | Размер, мм | |
по ширине паза | по высоте паза | |
1. Обмотный провод изолированный a × b 2. Пазовая изоляция и допуск на укладку Всего на паз без клина | a × число слоев обмотки см. табл. 4.8 ∑ | b × uп см. табл. 4.8 ∑ |
Таблица 4.8. Изоляция обмоток статоров машин переменного тока с полуоткрытыми прямоугольными пазами на напряжение до 660 В
Часть обмотки | Пози-ция | Материал | Число слоев | Двусторонняя толщина изоляции, мм | ||||
Наименование, марка | Толщина, мм | |||||||
Класс нагревостойкости | ||||||||
B | F | H | по ширине | по высоте | ||||
Обволакивающее покрытие Бумага телефонная. Бумага фенилоновая лакированная бакелизированная Лакотканеслюдопласт ГИТ-ЛСБ- ГИП-ЛСП-ЛСЛ ГИК-ЛСК- ЛСЛ ЛСЛ Стеклотекстолит СТ СТЭФ СТК СТ СТЭФ СТК СТ СТЭФ СТК Допуск на усадку обмотки Общая толщина изоляции в пазу (без витковой и без клина) | 0,05 0,09 0,55 1,0 0,5 0,5 – – | 1,5оборота – – | 0,2 0,6 1,1 – – – 0,3 2,2 | 0,2 0,6 1,1 1,0 0,5 0,5 0,6 4,5 | ||||
средние | Скрепляющий бандаж из ленты стеклянной ЛЭС шириной 20 мм в двух местах Обволакивающее покрытие Стеклоткань ЛСБ-105/ ЛСП-130/155 ЛСК-155/ 120 180 Стеклянная лента ЛЭС Общая толщина изоляции полукатушки (без витковой) Скрепляющий бандаж из ленты стеклянной ЛЭС шириной 20 мм в трех местах Обволакивающее покрытие Общая толщина изоляции полукатушки (без витковой) | 0,1 0,05 0,15 0,1 0,1 0,05 – | 2,5оборота 1 впол-нахлеста 1 впол-нахлеста 2,5оборота – | 0,5 0,1 0,6 0,4 1,6 0,5 0,1 0,6 | 0,5 0,1 0,6 0,4 1,6 0,5 0,1 0,6 | |||