а) Соотношение чисел пазов статора и ротора
При наличии пазов воздушный зазор над прорезью (шлицем) паза и зубцом неодинаков. Поэтому магнитная проводимость над Шлицем паза меньше, чем над зубцом. Кривая магнитной индукции в воздушном зазоре содержит наряду с основной (первой) гармоникой и высшие (зубцовые) гармоники, обусловленные наличием шлицев. Амплитуда индукции зубцовой гармоники определяется шириной шлица паза и величиной воздушного зазора. В общем случае, когда шлицы имеются как на статоре, так и на роторе, зубцовые гармоники будут взаимодействовать друг с другом. Кроме того, кривая распределения н. с. вследствие расположения обмотки в пазах имеет ступенчатый вид, содержит высшие гармоники н. с., которые взаимодействуют с зубцовыми гармониками того же порядка. В общем случае в асинхронном двигателе могут существовать гармоники н. с. одного и того же порядка, перемещающиеся в направлении и против направления вращения ротора. В результате взаимодействия гармоник, порядок которых отличается на единицу, возникают несимметричные магнитные притяжения между статором и ротором, появляются вибрации и шумы. При выборе чисел пазов статора и ротора следует руководствоваться следующими соотношениями.
Сверхвысокоскоростные двигатели обычно имеют небольшой пусковой момент. Поэтому в них важно с целью уменьшения времени пуска устранить синхронные паразитные моменты при неподвижном роторе и малых частотах вращения. Для этого в двухполюсных двигателях можно применить нечетное число пазов на роторе, но при соблюдении по крайней мере условия (z1—z2)—2р>1, при котором одностороннее притяжение уменьшается.
б) Формы пазов.
Сверхвысокоскоростные электродвигатели выполняются чаще всего двухполюсными. Для двухполюсных асинхронных машин не существует идеальных соотношений чисел пазов. Поэтому в них рекомендуется скос пазов для уменьшения паразитных моментов. Последнее приводит к некоторому уменьшению вращающего момента по первой гармонике и. с. При закрытых пазах на роторе (рис. 3-11,а) и полузакрытых — на статоре (рис. 3-12,а, б) задача выбора числа пазов облегчается, но и здесь имеется заметное изменение магнитной проводимости зазора, что легко установить по изменению тока первичной обмотки при повороте ротора. Поэтому и при закрытых пазах следует делать скос пазов. С целью получения лучших электромеханических характеристик желательно делать полузакрытые пазы на роторе сверхвысокоскоростного двигателя. При этом должен быть достаточный запас прочности по пределу текучести материала обмотки (стержня) ротора. Толщина коронки зубца (рис. 3-11,в) выбирается при расчете по условиям прочности и оказывается значительно толще, чем в обычных двигателях на 50 Гц. Шлиц заливается вместе с пазом ротора проводниковым материалом для того, чтобы не возникало завихрений воздуха.
Рис. 3-11. Пластины и пазы ротора сверхвысокоскоростных двигателей.
а, б — пластины ротора с закрытыми пазами; в — к расчету коэффициента магнитной проводимости закрытого паза; г — полузакрытый круглый паз; д —полузакрытый трапециевидный паз; е — массивный ферромагнитный ротор, в полузакрытых пазах которого расположена короткозамкнутая обмотка: 1 — цилиндрический бандаж из немагнитной стали; 2 — стержни короткозамкнутой обмотки; 3 — массивный ферромагнитный ротор; 4 — шлиц; ж — пазы ротора двигателя большой мощности: 1 — стальной массив ротора: 2 — стержень короткозамкнутой обмотки ротора; 3 — пластина из немагнитной
Пазы по рис. 3-11,б, ж выполняются для двигателей мощностью в несколько киловатт. При весьма больших линейных скоростях ротора (свыше 185 м/с) рекомендуется применить массивный ферромагнитный ротор с короткозамкнутой обмоткой в полузакрытых пазах и цилиндрическим бандажом из немагнитной стали (рис. 3-11,е).
Следует отметить, что ввиду контакта стержней к. з. обмотки ротора со сталью пакета в стали ротора возникают токи, снижающие эффективность скоса пазов.
в) Выбор обмотки статора и ротора
Сверхвысокоскоростные электрошпиндели выполняют преимущественно трехфазными. Пазы на статоре в них иногда делают закрытыми (рис. 3-12,в) для уменьшения потерь трения от завихрений воздуха, а также для уменьшения зубцовых гармоник в кривой поля и снижения шума. В этом случае обмотка статора изготовляется в протяжку. Закрытые пазы на статоре применяют редко в связи со сложностью технологического процесса и недоиспользованием электродвигателя.
При полузакрытых пазах (рис. 3-12,а, б) уменьшение зубцовых гармоник, потерь на трение от завихрения воздуха и снижение шумов достигается путем скоса пазов, подбором материала и формы клина для паза статора. При полузакрытых пазах статора получается меньшим индуктивное сопротивление рассеяния первичной обмотки, чем при закрытых пазах, и значительно упрощается укладка обмотки в пазы. Поэтому в настоящее время электрошпиндели изготовляют с полузакрытыми пазами на статоре; шлицы пазов после намотки следует закрывать специальными клиньями или замазывать специальной немагнитной пластмассой с высокой диэлектрической и механической прочностью. Электрошпиндели имеют сравнительно небольшой диаметр расточки статора, при котором несколько затруднена укладка обмотки. Обмотка статора выполняется или однослойной, или двухслойной; трудоемкость изготовления в обоих случаях почти одинакова. Однако лобовые части обмотки получаются более компактными в двухслойной обмотке. Кроме того, двухслойная обмотка может быть выполнена с укороченным шагом, что приводит к уменьшению высших пространственных гармоник н. с. обмотки и поля.
Рис. 3-12. Формы пазов статора двигателей. а, б — пластины статора с полузакрытыми пазами; в — то же с закрытыми пазами; г — листы стали статора и ротора АИД; д —лист стали статора сверхвысокоскоростной микромашины.
Так как сверхвысокоскоростные двигатели строят в большинстве случаев двухполюсными, то вылет лобовых частей при малом внутреннем диаметре получается сравнительно большим; из-за этого увеличивается расстояние между опорами, уменьшается жесткость вала, снижается значение критической скорости. В крупном турбогенераторостроении применяют обмотки, ширина секций которых приблизительно равна половине полюсного деления: у=0,5τ.
В рассматриваемом микродвигателе, при такой ширине секций уменьшается обмоточный коэффициент, увеличивается число витков в фазе обмотки, в результате чего объем, занятый проводниками в лобовой части, мало изменяется, несмотря на сокращение ширины секции. Поэтому столь большое укорочение шага обмотки для таких двигателей нецелесообразно. В них следует выбирать шаг обмотки около 0,8τ.
В сверхвысокоскоростных микродвигателях удается расположить 12 пазов на статоре и выполнить обмотку статора с числом пазов на полюс и фазу q—2 или однослойной, или двухслойной. В более мощных электродвигателях, например при Ζ1=24, обмотка статора имеет и может быть выполнена двухслойной с двумя параллельными ветвями.
Обмотку ротора сверхвысокоскоростных двигателей следует выполнять в виде короткозамкнутой обмотки типа «беличьего колеса». При сравнительно небольших линейных скоростях <100 м/с можно делать полузакрытые пазы на роторе с увеличенной толщиной. В этом случае получаются все же меньшие индуктивные сопротивления рассеяния по сравнению с закрытым пазом, двигатель использован лучше и обладает улучшенными электромеханическими характеристиками.
