Обмотки двигателя могут принимать различные формы. Однако 3-фазные распределенные обмотки наиболее часто используются в двигателях переменного тока для промышленного применения, чему и будет посвящена эта статья. Последующее обсуждение в равной степени применимо к использованию этого типа обмотки в асинхронных двигателях или в синхронных двигателях с постоянными магнитами.
Целью распределенной обмотки является создание синусоидального распределения магнитодвижущей силы (MMF) в воздушном зазоре двигателя. Этот ММФ создается, когда в фазных обмотках протекает сбалансированный набор 3-фазных токов переменного тока. Именно MMF в сочетании с конструкцией магнитопровода двигателя создает бегущую волну потока в воздушном зазоре для создания требуемого крутящего момента двигателя.
Обмотки состоят из нескольких катушек, намотанных из изолированной медной или в некоторых случаях алюминиевой проволоки. Несколько прядей провода могут быть соединены параллельно, образуя единый проводник, который затем наматывается в катушку, имеющую несколько витков. Количество витков будет зависеть от конкретных требований к конструкции.
Распределенная обмотка состоит из нескольких катушек, вставленных в пазы статора двигателя, как показано ниже. Количество катушек будет зависеть от количества пазов статора, количества фаз (в нашем случае 3) и количества полюсов двигателя, p.
Каждая катушка будет занимать несколько слотов. Обмотка с полным шагом будет иметь катушки, средний размах которых соответствует числу пазов, равному шагу полюса или 360° / p, тогда как обмотка с коротким шагом будет охватывать меньшее количество пазов. На рисунке ниже показана обмотка полного шага для типичного 4-полюсного двигателя.
4-полюсный статор двигателя с 3-фазной распределенной обмоткой
Часть обмотки будет находиться в пазу, где она способствует созданию крутящего момента двигателя. Остальная часть будет находиться в концевых обмотках, которые не способствуют созданию крутящего момента двигателя. Поэтому необходим тщательный дизайн, чтобы избежать ненужной траты дорогостоящей меди. Кроме того, хорошие тепловые характеристики обуславливают необходимость в высоком заполнении пазов и регулировании температуры торцевой обмотки. Эти факторы часто ограничены соображениями производственного процесса.Идеальная распределенная обмотка будет иметь бесконечное количество витков, размещенных в бесконечном количестве пазов таким образом, что распределение MMF в пространстве представляет собой идеальную синусоиду. На практике это явно невозможно, поэтому необходимо найти наилучший компромисс для достижения требуемой производительности.
Катушки разных фаз должны быть изолированы друг от друга и от сердечника статора, чтобы избежать коротких замыканий и выхода из строя. Изоляция создает дополнительные тепловые барьеры, которые ограничивают возможность передачи тепла изнутри машины наружу. Воздушные пустоты будут присутствовать между проводами обмотки и между изоляцией, обмоткой и сердечником статора. Эти пустоты заполняются смолой с использованием процесса пропитки, который улучшает теплопередачу и дополнительно улучшает изоляцию обмотки.
Области применения электродвигателей многочисленны и разнообразны. Различные области применения предъявляют разные требования к конструкции двигателя. Некоторые из этих требований будут зависеть от конструкции намотки и могут включать:
Для достижения одинаковых электрических характеристик возможно несколько компоновок обмоток. Выбор этих компоновок будет определяться производственными ограничениями, на которые сильно влияет уровень автоматизации, используемый для производства намотки.
В таблице ниже приведены некоторые из наиболее распространенных конфигураций намотки наряду с основными критериями выбора.
Очевидно, что необходимо идти на серьезные компромиссы между техническими требованиями, сложностью процесса, уровнем автоматизации и стоимостью. Это означает, что проектировщикам двигателей необходимо тесно сотрудничать с инженерами-изготовителями, чтобы определить наилучшее общее решение.
