Первой операцией по расчету обмотки, вернее по подготовке к её расчету, является определение всех необходимых для него размеров активной стали (сердечника) двигателя, подлежащего ремонту, а именно, перемотке.

Подготовка к обмеру электродвигателя перед перемоткой.

При подготовке, перед тем как приступить к обмеру, следует тщательно очистить сердечник статора (а если надо, то и ротора) от грязи и масла, остатков старой обмотки и ее изоляции, слоев лака, краски, ржавчины и т. п. При очистке сердечника статора не следует применять напильник даже и с мелкой насечкой. Лучше всего пользоваться только тряпкой, смоченной в керосине; в крайнем случае, крепко приставшие частицы удаляются шабером. Внутренность пазов удобно протирать веревкой, смоченной в керосине. После очистки сердечник обтирается насухо чистой ветошью.

Инструмент для замеров.

Измерение каждой величины следует повторить в разных местах, чтобы не впасть в ошибку из-за неправильности одного измерения.

Внутренний диаметр статора или, как часто говорят диаметр его расточки D является одним из самых важных размеров двигателя; так как от размеров сердечника статора и точности его измерения зависит правильность определения других размеров, его нужно производить по возможности тщательнее.

Наилучшим инструментом для этого является внутренний микрометр (микроскопический штихмас); при его помощи можно измерить диаметр расточки в любом месте.

Обычно такие штихмасы изготовляются для измерений от 50 до 63 или 70 мм; к ним придаются комплекты удлиняющих насадок, позволяющих расширять микрометрический штихмас с точностью измерения до нескольких сотых миллиметра. Если этого инструмента нет, то для диаметров до 200 - 250 мм можно пользоваться штангенциркулем; однако это не всегда удается, так как зачастую сердечник статора сидит настолько глубоко в корпусе, что губки штангенциркуля его не захватывают. В таких случаях можно производить измерение посредством обыкновенного штихмаса, изготовленного из куска стальной проволоки; после подгонки такого штихмаса к диаметру расточки длина его измеряется штангенциркулем.

При диаметрах больше 250 - 300 мм можно применять и обыкновенный слесарный кронциркуль с масштабной линейкой, хотя это значительно менее точно.

При измерении внутреннего диаметра нужно следить за тем, чтобы оно производилось между серединами двух противоположных зубцов, так как края зубцов могут могут быть несколько завалены внутрь паза.

Замеряемые значения.

Наружный диаметр статора Dн не всегда удается измерить непосредственно; измерение осуществляется проще всего, если сердечник статора запрессован в корпус без всякого промежутка между ними, как это обычно делается в закрытых двигателях; тогда можно просто измерить диаметр расточки корпуса. Если же сердечник статора сидит в корпусе на лапках, составляющих часть самого сердечника, или не приливах к корпусу, то измерению могут воспрепятствовать нажимные кольца, сжимающие сердечник. Обычно их наружный диаметр примерно равен наружному диаметру статора, но они зачастую сидят на своих местах не вполне точно, с некоторым сдвигом, который препятствует правильному захвату статора губками штангенциркуля. Тогда можно поступить так: вместо измерения диаметра измерить высоту статора вместе с зубцами в направлении радиуса при помощи штангенциркуля, просунув одну из его губок в промежуток между сердечником статора и корпусом, притом так, чтобы сдвинутое нажимное кольцо оказалось в вырезе, которым обычно снабжаются губки штангенциркуля у своего основания. Если обозначить измеренную таким способом толщину статора через hc, то наружный диаметр будет равен:

DH = D + 2hc (см)

Высота тела статора hs при наличии промежутка между сердечником статора и корпусом измеряется так же, как и величина hc при наличии промежутка между сердечниками статора и корпусом измеряется так же, как и величина hc. Если же промежутка нет, то она получается вычислением из других величин (см. ниже).

Длина сердечника статора в осевом направлении ln является не очень строго определенной величиной; поэтому ее измерение можно производить как измерение осевой длины статора штангенциркулем, так и простой масштабной линейкой. Однако ее никогда не следует измерять по головкам зубцов, потому что зубцы по концам всегда несколько расходятся в стороны, образуя так называемый «веер». Правильное значение получается при измерении этой величины по дну паза.

Общее число пазов статора Z определяется счетом; оно всегда делится на 3 и обычно четное.

Размеры пазов и зубцов статора, подлежащие измерению, зависят от их формы. Различаются пазы:

• открытые; с шириной отверстия равной ширине паза;
• полузакрытые, имеющие отверстие шириной, меньшей ширины паза;
• закрытые, вовсе не имеющие отверстия.

Открытые пазы, характерные для современных более или менее крупных машин, имеют всегда прямоугольную форму и снабжены у отверстия заплечиками для установки клина; измерению в них подлежат: ширина, полная глубина и глубина ниже заплечиков.

Полузакрытые пазы значительно разнообразнее по форме, которые следует измерять. Здесь можно дать только некоторые общие указаний к этой наиболее кропотливой части обмера.

1. Способ оттиска; берутся две пластинки из листового свинца толщиной 2 - 3 мм такой величины, чтобы каждая из них могла прикрыть два-три паза. Для получения оттиска эти пластинки кладутся на торец сердечника по концам какого-либо его диаметра и прикрываются массивной полосой с отверстием в середине. Другая подобная же полоса располагается с противоположной стороны сердечника; через отверстия в обеих полосах пропускается болт Затягиванием гайки свинец вжимается в пазы и получает их оттиск, который затем тщательно обмеривается при помощи штангенциркуля с острыми губками или чертежного циркуля-измерителя и десятичного масштаба. Вместо свинца может быть применен мягкий, но не слоистый картон. Получение оттиска путем удара молотком по свинцовой пластинке через прокладку не рекомендуется, так как оттиск при этом сбивается и получается неточным.
2. Способ клинообразного щупа: две стальные масштабные линейки длиной по 150 мм и шириной 20 мм срезаются наискось так. Клинообразные щупы; получаются два клинообразных щупа, один из которых служит для измерения от 1 до 15 мм, а другой от 10 до 20 мм.

Измерение с помощью щупов.

Каждому миллиметру длины щупа соответствует увеличение ширины на 0,1 мм; вставляя эти щупы в различных местах паза до упора в его стенки и замечая, против какого деления приходятся точки упора, можно с достаточной степенью точностью произвести все нужные измерения. Мало вероятно встретить паз шире 20 мм; что же касается глубины паза, то ее лучше всего измерять при помощи глубиномера штангенциркуля, или ему подобного инструмента. Для ее измерения можно применять и клинообразные щупы—до 20 мм один щуп, свыше 20 мм, складывая оба щупа вместе. Малые радиусы закруглений по углам прямоугольных и трапециевидных лазов достаточно оценивать на глаз.

Размеры поперечных вентиляционных каналов: число их nк и ширина b пояснений не требуют. В современных мелких двигателях такие каналы почти не встречаются.

Размеры продольных вентиляционных каналов: число рядов mк и диаметр dK пояснений также не требуют. В современных машинах такие каналы продольные вентиляционные каналы встречаются довольно часто.

Толщина листов стали обычно либо 0,5 мм, либо (реже) 0,35 мм; она определяется подсчетом числа листов на какой-нибудь длине, например, 10 мм. Осторожно отгибая крайние листы в зубцах, следует определить, оклеены ли листы бумагой, или покрыты лаком, или единственной изоляцией между ними является слой естественной окалины, как это большей частью и встречается в современных мелких машинах. Обмер сердечника ротора требуется производить только в случае перемотки роторов с фазовыми обмотками; при этом обычно достаточно бывает ограничиться определением общего числа пазов Z и их размеров. Так как такие роторы большей частью имеют пазы простой овальной формы, то определение их размеров легко производится посредством штангенциркуля или клинообразных щупов. Изредка может встретиться необходимость в измерении высоты тела ротора hp, аналогичной высоте тела статора hc. В большинстве мелких машин ротор насаживается непосредственно на вал, и диаметр последнего DB является одновременно и внутренним диаметром ротора. Однако в некоторых конструкциях внутреннему отверстию ротора придается форма трилистника или четырёхлистника с целью создать внутри него продольные вентиляционные каналы. При этом для определения высоты тела ротора за внутренний его диаметр следует принять диаметр окружности D"B, описанной вокруг такого отверстия. При обмере сердечника ротора необходимо иметь в виду, что его полная длина может иногда несколько отличаться от полной длины сердечника статора ln не только вследствие неизбежной неточности изготовления, но и преднамеренно, с целью некоторого понижения магнитных нагрузок. Толщина листов в роторе та же, что и в статоре; изоляция листов обычно не применяется.

• Нет смысла хранить в мастерской по ремонту электродвигателей обмоточный провод всех существующих диаметров. Какой провод должен быть всегда под рукой зависит от мощности электродвигателей чаще всего поступающих в ремонт. В этой статье расскажу как пересчитать обмотку при отсутствии провода нужного диаметра.

Допустим, требуется перемотать электродвигатель 5,5 кВт. 1000 оборотов в минуту. Обмоточные данные электродвигателя: напряжение 380 вольт, соединение обмотки в звезду, витков в пазу 20, намотан в два провода диаметр каждого d=1,04 с шагом обмотки по пазам у=11;9;7, количество параллельных ветвей а=1, количество пазов Z 1 =54.

Первый способ пересчета.

• В первом способе сама обмотка не пересчитывается, а подбирается общее сечение имеющихся в наличии параллельных проводов вместо отсутствующего провода нужного диаметра. При этом не важно во сколько параллельных проводов намотана заводская обмотка, в один, два или более провода, задача обмотчика подобрать общее сечение новых проводов равным общему сечению проводов заводской обмотки . Таблица сечений круглого провода. Заводская обмотка выполнена в два провода диаметром d=1,04, сечение провода 1,04 равно S=0,849, складываем сечения обоих проводников 0,849+0,849=1,698. В таблице сечений круглого провода находим провод с сечением S=1,698, это провод диаметром 1,47 мм., но обмоточные провода с таким диаметром не выпускаются, а рядом в таблице есть провод с диаметром 1,45 мм. Допустимое уменьшение сечения провода 3%, проверяем 1,698-3%=1,647 сечение провода 1,45 равно S=1,651 поэтому мы можем вместо двух проводов 1,04 использовать один с диаметром 1,45. Представим себе что у нас нет провода 1,45, тогда подберем нужное сечение в два или более проводов. К имеющемуся проводу с диаметром 1,12 S=0,916 найдем второй провод, 1,698-0,916=0,782, по таблице сечений круглого провода можно воспользоваться проводом с диаметром 1,00. Можно рассчитать и в три провода, общее сечение делим на три 1,698/3=0,566 получился провод 0,85. При данном расчете витки, напряжение, шаг, количество параллельных ветвей не изменяются, изменяется только диаметр провода, но общее сечение проводников остается неизменной. Расчет можно использовать для трехфазных и однофазных электродвигателей.

Второй способ пересчета.

• Вторым способом изменяют количество параллельных ветвей обмотки, соответственно изменяются диаметр провода, витки и схема соединений катушек в обмотке. Сначала надо определить на сколько параллельных ветвей возможно пересчитать данный для примера двигатель. Воспользуемся схемой укладки рис. №1. По рисунку видно, что в каждой фазе по три катушки, соответственно возможное количество параллельных ветвей а=1 или а=3. При увеличении количества параллельных ветвей, число проводников в пазу увеличивается, а сечение провода уменьшается в число раз параллельных ветвей. При уменьшении количества параллельных ветвей, число проводников в пазу уменьшается, а сечение провода увеличивается в число раз параллельных ветвей. Прежде чем переходить к составлению схемы, рассчитаем новые диаметр провода и количество витков в пазу. При переходе с одной параллельной ветви на три сечение провода уменьшаем в три раза 1,698/3=0,566 получился провод 0,85, а количество витков в пазу увеличиваем в три раза 20×3=60. У нас получилась обмотка с новыми данными: витков в пазу 60, диаметр провода 0,85. Теперь нужно изменить схему соединений катушек в обмотке с одной параллельной ветви на три параллельные ветви.

• На рисунке №2 показана схема соединений катушек в одну параллельную ветвь для данного двигателя. Так как соединения катушек в фазах одинаковые рассмотрим на примере фазы А желтого цвета. По рисунку видно, что все катушки первой фазы соединены последовательно конец первой соединяется с началом четвертой, а конец четвертой соединяется с началом седьмой. Вспомните правила составления схемы соединений катушек в обмотке электродвигателя. Направление тока показано стрелками от вывода С 1 к выводу С 4 .

Рис. 2

• При составлении схемы соединения в три параллельные ветви направление тока не должно измениться рис. №3. Направление тока осталось от вывода С 1 к выводу С 4 .

Рис. 3

• Также можно расширить возможности для расчета, если перейти от однослойной обмотки на двухслойную рис. №4. Возможное количество параллельных ветвей: а=1 , a=2 , a=3 , a=6 , соответственно увеличивается возможность подбора нужного провода.

Рис. 4

• Расчет можно использовать для трехфазных и однофазных электродвигателей.

Третий способ пересчета.

• Третий способ расчета можно использовать только для трёхфазных электродвигателей и обмотчик должен знать какое напряжение будет подаваться на вывода электродвигателя . Обмоточные данные нашего электродвигателя: напряжение 380 вольт, соединение обмотки в звезду. Мы можем пересчитать обмотку на соединение фаз в треугольник, оставив при этом напряжение питания электродвигателя 380 вольт. При пересчете обмотки со звезды на треугольник сечение провода уменьшают в 1,73 раза, а количество витков увеличивают в 1,73 раза. При пересчете обмотки с треугольника на звезду сечение провода увеличивают в 1,73 раза, а количество витков уменьшают в 1,73 раза. Так как мы пересчитываем двигатель со звезды на треугольник, то сечение провода уменьшаем в 1,73 раза S=1,698/1,73=0,981 в таблице сечений круглого провода находим провод с сечением S=0,981, подходит провод диаметром 1,12 мм. Количество витков требуется увеличить в 1,73 раза , 20×1,73=35 витков в пазу. После расчета получилась обмотка с новыми данными: витков в пазу 35, диаметр провода 1,12, соединение фаз в треугольник.

Четвертый способ пересчета.

• Четвертый способ расчета, это объединение всех выше перечисленных способов. Вы можете пересчитать данный для примера электродвигатель в три параллельные ветви, соединение фаз в треугольник, еще и в два или более провода. При пересчете обмотки двигателя в несколько параллельных проводников или в несколько параллельных ветвей, выбирайте более тонкую пазовую изоляцию.

Параллельные ветви при дробным "q".

• При пересчете в несколько параллельных ветвей электродвигателя с дробным "q", возможное количество параллельных ветвей равно количеству периодов в фазе. Для примера возьмем схему укладки обмотки электродвигателя с количеством пазов 33, 2p=4 1500 об. мин. рис. №5.

Рис. 5

• Порядок чередования катушечных групп в периоде для данного двигателя 2-3-3-3, одна катушка двухсекционная и три катушки трехсекционные. Общее количество катушек в периоде 4. По рисунку видно, что в каждой фазе по четыре катушки, поэтому максимальное количество параллельных ветвей для данного электродвигателя а=1 .

Параллельные секции в катушках.

Прежде чем применять данный вид обмотки, читаем на стр. 310 "Обмотки электрических машин" Жерве Г.К 1989 г.

• Если при всех выше перечисленных расчетах не удалось выйти на требуемый провод, расчет можно продолжить путем деления катушек обмотки на параллельные секции. Для примера возьмем обмотку двигателя 24 паза 3000 об/мин.

Рис. 6

• По рисунку №6 видно, что в катушке 4 секции, возможное количество параллельных секций а=1с, а=2с и а=4с.

Рис. 7. Схема укладки при параллельных секциях в катушке.

• Так как секции в катушкак соединяются конец с началом, то и параллельные секции будем соединять с учётом этого.

Рис. 8. Схема соединений обмотки, количество параллельных ветвей/секций а=2/2с .

Рис. 10. Схема соединений обмотки, количество параллельных ветвей/секций а=2/4с .

• При увеличении количества параллельных секций в катушке, число проводников в секции увеличивается, а сечение провода уменьшается в число раз параллельных секций.

Параллельные обмотки в электродвигателе.

• Расчет можно продолжить, разделив обмотку электродвигателя на две с мощностью каждой в два раза меньше заводской и соединить их параллельно. Для примера возьмем двигатель 36 пазов 1500 об/мин.

Рис. 11. Схема укладки.

Рис. 12. Схема соединений. Число параллельных ветвей а=4 .

Литература по данной теме:
Жерве Г.К "Обмотки электрических машин" 1989 г.

4-7. ПРИМЕР РАСЧЕТА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Номинальные данные электродвигателя: Р=5 Вт, U=12 В, n=4 000 об/мин.

По кривой рис. 4-2 определяем к. п. д. электродвигателя, равный 30%. По (4-2) определяем расчетную мощность электродвигателя:

Для нахождения значений A и В по кривым рис. 4-3 вычислим отношение мощности электродвигателя к скорости вращения, выраженной в тысячах оборотов в минуту. Для данного электродвигателя это отношение составляет 5:4 = 1,25. Отложив это число на горизонтальной оси рис. 4-3, находим значение линейной нагрузки A =5000 А/м. Аналогично находим значение индукции в воздушном зазоре В=0,22 Т. Примем отношение e = l/D= 1. Подставив числовые значения расчетных величин в (4-6), найдем диаметр якоря:

При е=1 длина якоря

Сила тока якоря по формуле (4-3)

Электродвижущая сила обмотки якоря по формуле (4-4)

Полюсное деление якоря

Магнитный поток по формуле (4-7)

Число проводников обмотки якоря по (4-8)

Число пазов якоря Z = 3 2,6=7,8; округляем до ближайшего нечетного числа, Z= 7.

Число проводников в пазу N z =620/7=88,8; округляем до ближайшего четного числа, N z =88:

Сечение проводника обмотки якоря при?==8 А/мм 2

Число пазов статора для электродвигателей с отключаемой пусковой обмоткой выбирают кратным шести. Для электродвигателей мощностью До 10 Вт можно взять 12 пазов статора. Из них 8 пазов будут заняты рабочей обмоткой, а 4 — пусковой. Для электродвигателей большей мощности берут 18 пазов. Из них 12 пазов занимает рабочая обмотка и 6 пазов — пусковая.

Число витков рабочей обмотки

Число проводников в пазу рабочей обмотки:

где Z p — число пазов, занимаемых рабочей обмоткой.

Ток, А, в рабочей обмотке

Сечение провода, мм 2 , рабочей обмотки

Диаметр провода и толщину изоляции берем по табл. 4-1 и 4-2. Размеры пазов определяют аналогично расчету пазов электродвигателей постоянного тока.

Пусковая обмотка занимает 1 / 3 пазов статора. Число витков пусковой обмотки зависит от того, какой элемент включается при пуске последовательно с пусковой обмоткой. Если в качестве пускового элемента служит активное сопротивление, то число витков пусковой обмотки берут в 3—4 раза меньше числа витков рабочей обмотки. Но она занимает в 2 раза меньше пазов. Следовательно, в каждом пазу будет в 1,5—2 раза меньше проводников, чем в пазу рабочей обмотки. Диаметр провода для пусковой обмотки можно взять меньше, чем для рабочей обмотки, так как пусковая обмотка включается на короткий промежуток времени. Если в качестве пускового элемента применяется конденсатор, то число витков пусковой обмотки берут равным числу витков рабочей обмотки. А так как она занимает в 2 раза меньше пазов, то в каждом пазу пусковой обмотки будет в 2 раза больше проводников, чем в пазу рабочей обмотки. Поэтому сечение провода пусковой обмотки надо взять в 2 раза меньше. Схема обмотки составляется по § 3-6.

Число пазов ротора выбирают в зависимости от числа пазов статора. При 12 пазах статора можно взять 9 пазов ротора, при 18 пазах статора — 15 пазов ротора. Диаметр паза ротора выбирается из расчета, чтобы общее сечение стержней ротора было в 1,5—2 раза больше общего сечения проводников рабочей обмотки статора. В пазы ротора забивают медные стержни, которые припаивают к замыкающим кольцам на торцах ротора. Сечение замыкающего кольца должно быть примерна втрое больше сечения стержня.

Пусковой момент электродвигателя зависит от сопротивления обмотки ротора. Поэтому для электродвигателей с большим пусковым моментом следует стержни ротора делать из латуни или бронзы.

Воздушный зазор между статором и ротором в асинхронных электродвигателях следует брать по возможности меньшим, чтобы только ротор не задевал за статор. Чем больше зазор, тем больший ток потребуется для создания магнитного потока. В электродвигателях заводского изготовления зазор берут 0,25 мм на сторону. В самодельных электродвигателях при таком малом зазоре возможно задевание ротора за статор. Поэтому зазор приходится брать 0,3 или даже 0,4 мм.

Активное сопротивление или емкость конденсатора, применяемые в качестве пусковых элементов, рекомендуется подобрать опытным путем при испытаниях изготовленного электродвигателя. По опыту изготовленных электродвигателей активное пусковое сопротивление примерно вдвое больше сопротивления пусковой обмотки.

Сопротивление пусковой обмотки можно определить следующим образом. Средняя длина витка пусковой обмотки приблизительно равна четырехкратной длине статора. Развернутую длину обмотки можно узнать, умножив длину среднего витка на число витков. Сопротивление обмотки можно определить по табл. 4-1, в которой указано сопротивление 100 м провода.

Емкость пускового конденсатора для электродвигателя при напряжении 120 В должна быть порядка 3—10 мкФ. Следует иметь в виду, что на зажимах конденсатора образуется напряжение, значительно превосходящее напряжение осветительной сети. Поэтому при конденсаторном пуске электродвигателя надо принимать меры предосторожности. Зажимы конденсатора нельзя оставлять открытыми. Конденсаторы надо выбирать на тройное напряжение электродвигателя во избежание их пробоя. Конденсаторы целесообразно применять только для электродвигателей, работающих от осветительной сети. При понижении напряжения необходимая емкость конденсатора повышается квадратично. Поэтому для электродвигателей напряжением 12 В пришлось бы взять конденсаторы огромной емкости.

4-13. ПРИМЕР РАСЧЕТА ОДНОФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ С ПУСКОВОЙ ОБМОТКОЙ

Номинальные данные: мощность 3 Вт, напряжение 120 В, частота вращения (синхронная) 3 000 об/мин, работа электродвигателя повторно-кратковременная при продолжительности включения 25%,

По кривой рис. 4-9 произведение ηcosφ=0,08.

Расчетная мощность электродвигателя определяется по (4-33):

Наружный диаметр статора определяется по (4-34):

Для упрощения изготовления возьмем форму статора в виде квадрата (рис. 4-10).

Внутренний диаметр статора определяется по (4-35);

Длина статора

Полюсное деление

Число пазов ротора принимаем равным 9.

Общее сечение меди в пазах рабочей обмотки статора

Общее сечение меди в пазах ротора

Сечение стержня ротора

Диаметр стержня ротора

Диаметр паза ротора с припуском на забивку стержней

Диаметр окружности, на которой расположены центры пазов ротора:

Расстояние между соседними пазами

Толщина зубца в узком месте

Скос паза на одно пазовое деление статора, т. е. на 30°.

4-14. РАСЧЕТ КОНДЕНСАТОРНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Расчет конденсаторного электродвигателя имеет некоторые особенности по сравнению с расчетом электродвигателя с пусковыми обмотками. У конденсаторного электродвигателя обе обмотки остаются все время включенными.

При определении расчетной мощности произведение ηcosφ для конденсаторного электродвигателя берут равным 0,5. Для получения симметричной обмотки число пазов статора берут кратным восьми. Половину пазов занимает рабочая обмотка, а другую половину — вспомогательная обмотка. На рис. 3-13 показана схема обмотки статора конденсаторного электродвигателя. Сплошными линиями показаны катушки рабочей обмотки, а пунктирными — катушки вспомогательной обмотки. Обе обмотки можно выполнить совершенно одинаковыми, т. е. из одного и того же провода с одинаковым числом витков.

Ток в каждой обмотке определяется по формуле

В остальном расчет конденсаторного электродвигателя аналогичен расчету электродвигателя с пусковыми обмотками.

Конденсаторный электродвигатель может быть выполнен как с короткозамкнутой обмоткой ротора, так и с массивным ротором. В качестве пускового элемента обычно применяется второй конденсатор. Емкость пускового конденсатора примерно в 3 раза больше емкости рабочего конденсатора в цепи вспомогательной обмотки.

Н.В. Виноградов, Ю.Н. Виноградов
Как самому рассчитать и сделать электродвигатель
Москва 1974