Понимание обмоток двигателей: ключевые различия и промышленные применения

Обмотки двигателей могут принимать многие формы. Однако трехфазные распределенные обмотки наиболее часто используются в двигателях переменного тока для промышленных применений — на них будет сосредоточена эта статья. Следующее обсуждение равно применимо к использованию этого типа обмотки в асинхронных двигателях или в синхронных двигателях с постоянными магнитами.

Цель распределенной обмотки — создать синусоидальное распределение магнитomotorной силы (ММС, MMF) в воздушном зазоре двигателя. Эта ММС возникает, когда в фазных обмотках течет сбалансированная система трехфазных токов переменного тока. Именно ММС в сочетании с магнитной системой двигателя порождает бегущую волну потока в воздушном зазоре, создающую необходимый электромагнитный момент.

Обмотки состоят из нескольких катушек, намотанных из изолированной меди или в некоторых случаях алюминия. Несколько проводников могут быть соединены параллельно, образуя один проводник, который затем наматывается в катушку с несколькими витками. Число витков зависит от конкретных конструктивных требований.

Распределенная обмотка состоит из нескольких катушек, уложенных в пазы статора двигателя, как показано ниже. Число катушек зависит от числа пазов статора, числа фаз (в нашем случае 3) и числа полюсов двигателя, p.

Каждая катушка охватывает несколько пазов. Обмотка с полным шагом имеет катушки, средний охват которых соответствует числу пазов, равному полюсному шагу или 360°/p, тогда как обмотка с сокращенным шагом охватывает меньше пазов. На рисунке ниже показана обмотка с полным шагом для типичного 4-полюсного двигателя.

4-полюсный статор двигателя с 3-фазной распределенной обмоткой

Часть обмотки находится в пазе, где она участвует в создании момента. Остаток — в торцевых частях обмотки, которые не участвуют в создании момента. Поэтому нужен тщательный дизайн, чтобы избежать ненужных потерь дорогой меди. Кроме того, хорошая тепловая характеристика требует высокого коэффициента заполнения пазов и теплового управления торцевыми частями. Эти факторы часто ограничиваются технологическими соображениями производства. Идеальная распределенная обмотка имела бы бесконечное число катушек в бесконечном числе пазов так, что пространственное распределение ММС было идеальной синусоидой. На практике это невозможно, поэтому нужно находить лучший компромисс для достижения требуемой производительности.

Катушки разных фаз должны быть изолированы друг от друга и от пакета статора, чтобы избежать коротких замыканий и отказов. Изоляция создает дополнительные тепловые барьеры, ограничивающие передачу тепла изнутри машины наружу. Воздушные пустоты будут присутствовать между проводами обмотки, между изоляцией, обмоткой и статором. Эти пустоты заполняются смолой процессом пропитки, что улучшает теплопередачу и дополнительно улучшает изоляцию обмотки.

Применения электрических двигателей многочисленны и разнообразны. Разные приложения накладывают разные требования на дизайн двигателя. Некоторые из этих требований зависят от дизайна обмотки и могут включать:

• Минимизацию гармонических потерь для повышения КПД
• Уменьшение пульсаций момента
• Снижение акустического шума и вибраций

Существует несколько вариантов компоновки обмотки для достижения одинаковой электрической производительности. Выбор этих вариантов определяется производственными ограничениями, которые сильно зависят от уровня автоматизации производства обмотки.

Таблица ниже приводит некоторые из наиболее распространенных конфигураций обмоток вместе с основными критериями выбора.

[Таблица конфигураций обмоток]

Ясно, что нужно делать сильные компромиссы между техническими требованиями, сложностью процесса, уровнем автоматизации и стоимостью. Это означает, что конструкторы двигателей должны тесно взаимодействовать с технологистами производства, чтобы определить лучшее общее решение.