Обмотки роторов асинхронных машин, как уже отмечалось, выполняются либо короткозамкнутыми, либо фазными с контактными кольцами.
Короткозамкнутые обмотки конструктивно являются очень несложными и весьма надежными и простыми в эксплуатации. Поэтому большинство асинхронных двигателей выполняется с короткозамкнутыми роторными обмотками.
Применение фазной роторной обмотки с кольцами всегда обусловливается тяжелыми условиями пуска приводимого механизма или необходимостью регулировать скорость вращения. Выполнение фазных обмоток существенно сложнее, чем короткозамкнутых, и, кроме того, конструкция и обслуживание усложняются наличием контактных колец, угольных щеток и пусковых сопротивлений, включаемых в цепь ротора во время пуска.
Короткозамкнутые роторные обмотки могут выполняться в виде беличьей клетки или в виде короткозамкнутой фазной обмотки. Обмотки в виде беличьей клетки как более простые и дешевые получили наибольшее распространение.
Обмотка в виде клетки может быть выполнена при любом числе полюсов и поэтому применяется, в частности, при переключении полюсов обмотки статора. Беличья клетка обладает достаточной конструктивной простотой и малым расходом меди, так как лобовые части такой обмотки относительно коротки. Для машин малой мощности беличья клетка может выполняться литой из алюминия.
Для системы, состоящей из пар полюсов и пазов, короткозамкнутая клетка может рассматриваться как многофазная обмотка с одним пазом на полюс и фазу и числом фаз m3 = z/p.
Как известно, многофазная обмотка с числом пазов на полюс и фазу q2 = 1 содержит в н. с. реакции, кроме основной гармонической с числом пар полюсов р, только зубцовые гармонические порядка
(5-1)
следовательно, н. с, реакции короткозамкнутой клетки будет иметь вид
(5-2)
где k=0, 1, 2, 3, . .; ω2 = ωs— круговая частота тока относительно ротора; θ2— текущая угловая координата относительно ротора; I2 — ток в стержне ротора z2/р-фазной системы; t — время; s = (ω — ωr)/ω — скольжение.
Таким образом, спектр гармонических в кривой н. с. ротора будет определяться в первую очередь содержанием гармонических в н. с. статора и обмоточными характеристиками самой роторной обмотки.
Для того чтобы содержание гармонических в кривой н. с. статорной обмотки было достаточно благоприятным, такие обмотки выполняются обычно
с целым или с дробным, вида
Асинхронные машины выполняются с относительно узким воздушным зазором, поэтому в кривой н. с., помимо основной гармонической, наиболее сильно выражены зубцовые гармонические, т. е. гармонические порядка vz1 = 1 ± kz2/p, к = 1, 2, 3, . . .
Первая зубцовая гармоническая (k = 1) имеет большое значение в теории асинхронных машин с короткозамкнутым ротором.
Схема короткозамкнутой обмотки в виде беличьей клетки показана на рис. 5-8.
Короткозамкнутая обмотка может быть выполнена в виде фазной обмотки. Схема обмотки в этом случае может быть волновой или петлевой. На рис. 5-9 показана двухслойная петлевая восемнадцатифазная короткозамкнутая обмотка с числом пазов z3= 36 и р = 2. По своему конструктивному выполнению фазная короткозамкнутая обмотка является более сложной. Поэтому она применяется относительно редко.
К преимуществам таких обмоток следует отнести отсутствие короткозамкнутых колец, в которых протекают большие токи. Кроме того, с помощью сокращения шага могут быть подавлены нежелательные гармонические н. с.
В фазной короткозамкнутой обмотке число фаз в общем случае будет для двухслойной обмотки m2=z2J/(2p), для однослойной обмотки m2= z2/(2р). поэтому н. с. ротора от тока основной гармонической статора будет определяться той же формулой (5-2) и, следовательно, в их кривой, помимо основной, будут содержаться только зубцовые гармонические.
Рис. 5-8. Схема короткозамкнутой беличьей клетки с числом пазов z2= 36
В общем случае выражение для н. с. фазной обмотки ротора будет соответствовать формуле (5-6). Количественное содержание гармонических будет определяться электрическими свойствами обмоток, т. е. в первую очередь их обмоточными коэффициентами. В этом отношении короткозамкнутые клетки имеют менее благоприятные характеристики, чем фазные обмотки.
Короткозамкнутые клетки являются достаточно чувствительными к содержанию высших гармонических, и в первую очередь зубцовых гармонических в н. с. обмотки статора.
Рис. 5-9. Схема двухслойной петлевой восемнадцатифазной короткозамкнутой обмотки с диаметральным шагом; z2= 36, р=2
При применении короткозамкнутых клеток во время пуска могут возникнуть большие пусковые токи и относительно малые пусковые моменты. Для компенсации этого недостатка применяются глубокопазные и двойные обмотки (см. рис. 8-8). Для глубокопазных обмоток большое распространение получили стержни с бутылочным профилем.
Обмотки с двойной клеткой могут выполняться из различного материала, причем верхняя (пусковая) клетка должна в этом случае иметь большее удельное электрическое сопротивление, чем нижняя (рабочая) клетка. Коэффициенты увеличения активного сопротивления для пазов различного профиля приведены на рис. 8-15.
