Chương 3 :Dây quấn và lõi sắt Stato ppsx

Chương 3 DÂY QUẤN VÀ LÕI SẮT STATO 3.1.Dây quấn stato Dây quấn stato có hai loại, dây quấn một lớp và dây quấn hai lớp. Dây quấn một lớp lại chia làm hai kiểu: dây quấn đồng tâm và dây quấn đồng khuôn. Hình 3-1.Dây quấn đồng tâm hai mặt phẳng với z = 24, 2p = 4. Đặc điểm của dâ y quấn đồng tâm là các bối dây có hình dáng và chiều dài khác nhau (hình 3-1). Các tổ bối dây của dây quấn đồng tâm có thể đặt vào rãnh với phần đầu nối tạo thành hai m ặt phẳng (nếu số đôi cực p là số chẵn) hoặc thành ba mặt phẳng (nếu số đối cực p là số lẻ) và ta có dây quấn đồng tâm làm hai mặt phẳng hay ba mặt phẳng. Trong dây quấn kiểu đồng tâm hai cạnh của một bối dây có thể đồng thời đặt vào rãnh mà không trở ngại cho việc đặt các bối dây khác vào rãnh, nên việc cho dây vào rãnh dễ dàng, tốn ít thời gian, cách điện đơn giản. Khuyết điểm của dây quấn nà y là không thể làm thành bước ngắn, do đó không thể triệt tiêu được ảnh hưởng của sóng bậc cao, đồng thời phần đầu nối dây quấn tương đối dài, tốn nhiều dây đồng hơn, mặt khác kích thước của các bối dây khác nhau nên khuôn quấn dây không giống nhau. Hình 3-1. Dây quấn đồng tâm với Z = 24, 2p = 4. Đặc điểm của dây quấn đồng khuôn là kích thước các bối dây giống nhau và có thể làm thành bước đủ hay bước ngắn (trong dây quấn mắt xích). Dạng khai triển của dây quấn đồng khuôn kiểu mắt xích như trên hình 3-2 trong đó cạnh dài và cạnh ngắn của bối dây trong tổ bối dây xen kẽ nhau. Hình 3-2. Dây quấn đồng khuôn với Z = 24, 2p = 4. Trong dây quấn mắt xích, mặc dầu có thể làm thành bước ngắn nhưng nhì n toàn bộ dây quấn thì giố ng như một dây quấn bước đủ vì vậy ưu điểm của dây quấn này là tiết kiệm đồng ở phần đầu nối. Khuyết điểm của loại dâ y quấn đồng khuôn là lồng dây vào rãnh khó khăn hơn và mất thời gian hơn vì các cạnh chồng đè lên nhau. Có thể kết hợp cả hai kiều đồng tâm và đồng khuôn trong một dây quấn. Dây quấn một lớp chế tạo đơn giản nên thường được dùng trong động cơ điện công suất dưới 10kW. Trong động cơ điện c ông suất trên 10kW thường dùng dây quấn hai lớp (hình 3-3). Dây quấn hai lớp có thể làm thành bước ngắn (thường bước ngắn y = 0,8) để cải thiện đặc tính của máy. Kích thước các bối dây của dây quấn hai lớp giống nhau, phần đầu nối của các bối dây chồng đè lên nhau nên tiết kiệm được dây đồng nhưng lồng dây khó khăn và tốn c ông hơn nhất là khi đường kính trong lõi sắt stato nhỏ. Vì có cách điện giữa hai lớp trong rãnh nên hệ số lợi dụng rãnh có phần kém hơn loại dây quấn một lớp. Ở các máy điện không đồng bộ công suất dưới 100kW, dây quấn đều được chế tạo bằng dây đồng tiết diện tròn làm thành các bối dây mềm và cho từng sợi vào rãnh. Khi đường kính dây lớn hơn 1,8mm dây sẽ cứng nên việc cho dây và o rãnh gặp khó khăn vì vậy khi công suất máy lớn, muốn có tiết diện lớn phải ghép nhiều sợi song song (thường không quá 3 sợi) hoặc tăng số mạch nhánh song song của dây quấn. Hình 3-3. Dây quấn hai lớp bước ngắn (y = 5) với Z = 24, 2p = 4. Hình 3-2. Dây quấn hai lớp với Z = 24, 2p = 4. Dây quấn cách điện cấp A thường dùng loại dây tráng men bọc một lớp sợi (ký hiệu Liên Xô là ÝBO) song do cách điện dây, hút Nm nhiều nên ngày càng ít được dùng. Ngày nay nhờ kỹ thuật hóa chất phát triển người ta sử dụng phổ biến dây tráng men có độ bền cơ cao, cách điện vừa mỏng vừa chịu được ma sát, chịu N m, nóng tốt hơn. Hiện nay Liên X ô dùng phổ biến loại dây men có độ bền cao bằng viniflex (ký hiệu ÝB-2) đối với cách điện cấp A và dây men có độ bền cao chịu nhiệt ÝTB đối với cấp B trở lên. Khi thiết kế dây quấn stato, trước hết phải xác định số rãnh của mỗi pha dưới mỗi cực q. Nên chọn q trong khoảng từ 2 đến 5. Thường chọn q=34. Đối với máy công suất nhỏ hoặc tốc độ thấp thì chọn q= 2. Máy tốc độ cao công suất lớn có thể chọn q = 6. Chọn q nhiều hay ít có ảnh hưởng đến số rãnh stato Z 1 . Số rãnh Z 1 này không nên nhiều quá vì như vậy tổng diện tích cách điện các rãnh sẽ nhiều hơn so với tổng diện tích cách điện các rãnh sẽ nhiều hơn so với số rãnh ít do đó hệ số lợi dụng rãnh sẽ kém. Hơn nữa xét về mặt bền cơ thì răng sẽ yếu vì quá mảnh, đồng thời quá trình chế tạo lõi sắt và dây quấn cũng tốn công hơn. Số rãnh ít quá sẽ làm cho dây quấn phân bố không đều trên bề mặt lõi sắt do đó sức từ động phần ứng có nhiều sóng bậc cao, khó chọn được hệ số dây quấn thí ch hợp để triệt tiêu các sóng bậc cao đó. Trị số q nói chung nên chọn số nguyên vì như vậy có thể cải thiện đặc tính làm việc và có khả năng làm giảm tiếng kêu của máy. Chỉ trong trường hợp không thể tránh được mới dùng q là phân số với mẫu số bằng 2. Sở dĩ như vậy vì sức từ động sóng bậc cao và s óng rãnh của dây quấn có q là phân số trong máy điện không đồng bộ là loại máy có khe hở rất nhỏ rất dễ sinh ra chấn động, mômen phụ và làm cho tổn hao phụ tăng lên. Trong thiết kế dãy động cơ điện, thường người ta muốn lợi dụng một bộ khuôn dập rãnh để dập lá tôn dùng được cho nhiều máy có tốc độ khác nhau. Vì vậy muốn trị số của q phù hợp với những loại máy có tốc độ khác nhau người ta không thể chọn q tùy ý được. Có thể chọn theo bảng 3-1a. Bảng 3-1a Số rănh của một pha dưới một cực từ q, khi chiều cao tâm trục h, mm 2p 50-132 160-225 250-450 2 3; 4 5; 6 7; 8 4 2; 3 3; 4 4; 5 6 2; 3 3; 4 4; 5 8 1,5; 2 2; 3 3; 4 10 - - 2; 3 12 - - 2; 2,5 Số rãnh stato Z 1 của dãy máy 4A Bảng 3.1b Z 1 khi số cực từ 2p Z 1 khi số cực từ 2p Ch. cao h (mm) 2 4 6 8 Ch. cao h (mm) 2 4 6 8 50 56 63,71 80 90 100 112 132 160 180 12 24 24 24 24 24 24/22 - 36/28 36/28 24 24 24 36 36 36 36/34 36/34 48/41 48/38 - - 36 36 36 36 54/51 54/51 54/50 72/58 36 36 48/44 48/44 200 225 250 280 315 H315 355 H355 400 450 36/28 36/28 48/40 48/38 48/38 60/50 72/58 72/56 72/56 72/58 72/56 72/56 Sau khi chọn được số rãnh của một pha dưới một cực, ta tính các bước tiếp theo như sau: - Số rãnh của stato: Z 1 = 2mpq 1 (3-1) - Bước răng stato: cm Z D t , π 1 1  (3-2) - Chọn số đôi mạch nhánh song song a 1 . Trong điều kiện có thể chọn a 1 càng ít càng tốt. - Số thanh dẫn tác dụng trong mỗi rãnh: âm r I a A t u 1 11  ` (3-3) Phải quy u r thành số nguyên. Nếu là dây quấn hai lớp thì u r phải là số chẵn. - Số vòng dây nối tiếp của một pha: 1 11 a u pqN r  (3-4a) Có thể tính tiết diện dây nối tiếp của một pha theo công thức sau: 11 1 ' 1 Jna I S 1 âm  , mm 2 . (3-4b) trong đó: a 1 - số mạch nhánh song song của dây quấn; n 1 - số sợi ghép song song của dây dẫn. Phải chọn a 1 và n 1 sao cho đường kính dây dẫn kể cả cách điện là d cd  1,95mm. Căn cứ vào S’ 1 chọn tiết diện quy chuNn S 1 của dây dẫn, từ đó được đường kính tiêu chuNn của dây đồng d. Đường kính và tiết diện dây đồng được ghi trong phụ lục IV. Tùy theo cấp cách điện, cấp F thường dùng dây men bọc sợi ÝO hay dây men có độ bền cao ÝB-2. Với cách điện cấp E và B thường dùng dây men chịu nhiệt có độ bền cao ÝTB, còn cách điện cấp cao hơn dùng dây bọc sợi thủy tinh CÔ. Chiều dày cách điện của các loại dây tra ở phụ lục IV-2. Sau khi chọn dây dẫn, tính lại mật độ dòng điện J, với tiết diện quy chuNn. Các bước tính toán tiếp theo như sau: - Chọn kiểu dây quấn (một lớp, hai lớp) và bước dây quấn. Trong kiểu dây quấn hai lớp thường chọn bước ngắn có y = 0,8 rồi căn cứ vào số rãnh thực tế mà xác định bước dây (theo rãnh) từ đó được hệ số bước ngắn chính xác τ β y  (tính theo rãnh). - Theo phụ lục VI hoặc tính để có hệ số dây quấn k dq1 . - Từ thông khe hở không khí của máy: 11 1 4 Φ Nkk U k dqs E  , Wb (3-5) -Mật độ từ thông khe hở không khí: δδ δ τα Φ l B  ,Tesla (3-6) trong đó: k s ,   vẫn chọn như trên, sau này khi thiết kế xong mạch từ sẽ kiểm nghiệm lại. 3.2. Lõi sắt stato. Lõi sắt stato của máy điện thường làm bằng những lá tôn silic ghép lại thành một khối để giảm tổn hao do dòng điện xoáy và từ trễ gây nên. Tôn silic là loại thép hợp kim và phân loại theo hàm lượng silic trong hợp kim. Lượng silic càng nhiều thì điện trở của hợp kim càng lớn, suất tổn hao càng bé, tôn silic càng giòn, tính năng gia công kém, tính dẫn từ càng thấp. Trong máy điện công suất nhỏ và vừa thường dùng loại tôn cán lạnh hàm lượng silic thấp, ký hiệu Liên Xô là 2011, 2012, 2013… Hàm lượng silic và suất tổn hao của vài loại tôn silic của Liên Xô như trong bảng 3-2a. Đặc tính kỹ thuật của tôn silic Bảng 3-2a Ký hiệu tôn silic Hàm lượng silic % Trọng lượng riêng G/cm3 Chiều dày lá tôn, mm Suất tổn hao p 1,0/50 W/kg (ở tần số 50Hz và B=1T) 2011, 0-0,4 7,8 0,5 3,5 2012 0-0,4 7,8 0,5 2,9 2013, 2211 0-0,4 0,8-1,8 7,8 0,5 2,5 2312 1,8-2,8 7,75 0,5 1,75 2411 2,8-3,8 7,65 0,5 1,10 2412 2,8-3,8 7,65 0,5 0,95 2413 2,8-3,8 7,65 0,5 0,80 2414 2,8-3,8 7,65 0,5 0,70 Chiều dày của tôn silic thường có hai loại 0,5 mm và 0,35 mm. Loại tôn dày 0,5 mm giá rẻ, hệ số ép chặt lại cao hơn khi ép lõi sắt nhưng tổn hao sắt lớn hơn so với loại dày 0,35 mm. Trong máy điện thường dùng loại dày 0,5 mm. Lõi sắt làm bằng nhiều lá tôn silic ép lại (trong máy lớn còn phủ sơn cách điện) nên không thể ép chặt như một khối thép được, giữa các lá còn có khe hở; vì vậy người ta dùng hệ số ép chặt k c để chỉ độ ép chặt đó. k c là tỷ số giữa chiều dài thực của sắt với chiều dài hình học của lõi sắt. Hiện nay những máy công suất dưới 10kW không cần phủ sơn cách điện trên lá tôn trước khi ép chặt, chỉ những máy trên 10kW mới phủ sơn cách điện để giảm tổn hao sắt. Tùy theo cách xử lý lá tôn mà hệ số ép chặt k c có giá trị khác nhau, xem bảng 3-2b. Bảng 3-2b Hệ số k c Chiều dày lá tôn, mm Lá tôn không phủ sơn cách điện Lá tôn có phủ sơn cách điện 0,50 0,35 0,95 0,93 0,93 0,91 Số rãnh và dạng rãnh trên lõi sắt stato phụ thuộc vào thiết kế điện từ của máy. Rãnh phải được thiết kế để có thể đặt được số dây dẫn quy định cho một rãnh kể cả cách điện và nêm, đồng thời mật độ từ thông trong răng và gông nằm trong phạm vi thích đáng để đảm bảo tính năng của máy. Bảng 3.3a. Mật độ từ thông B g trong gông stato Mật độ từ thông gông B g (T) Chiều cao tâm trục h (cm) Điện áp U(V) Số cực từ 2p Kiểu máy IP44 Kiểu máy IP23 50-132  660 2, 4 6 8 1,5-1,65 1,45-1,6 1,1-1,30 160 - 250  660 2, 4 6 8 1,45-1,60 1,35-1,50 1,10-1,20 1,55-1,7 1,45-1,6 1,2-1,30 280 - 355  660 2,4,6 8,10 12 1,35-1,50 1,30-1,45 1,15-1,30 1,45-1,60 1,40-1,55 1,25-1,40 400 - 500 6000 2,4,6 8,10 12 1,30-1,40 1,10-1,20 0,90-1,00 1,40-1,50 1,20-1,30 1,00-1,30 Mật độ từ thông trong các phần của lõi sắt thường thiết kế như trong các bảng 3- 3. Bảng 3.3b. Mật độ từ thông B Z1 trên răng stato có cạnh song song Mật độ từ thông răng B Z (T) Chiều cao tâm trục h (cm) Số cực từ 2p Kiểu máy IP44 Kiểu máy IP23 50-132 2, 4, 6 8 1,75-1,95 1,70-1,90 1,80-2,00 1,80-2,00 160 - 250 2, 4, 6, 8 1,75-1,95 1,70-1,85 1,90-2,10 1,80-2,00 280 - 315 10, 12 1,60-1,80 1,70-1,90 Bảng 3. 3c. Trị số mật độ từ thông răng ở chỗ hẹp nhất khi có cạnh song song Mật độ từ thông răng B Z max (T) Chiều cao tâm trục h (cm) Kiểu rãnh Số cực từ 2p Kiểu máy IP44 Kiểu máy IP23 280-355 Nửa hở 2 4 - 12 1,75-1,95 1,70-1,85 1,90-2,10 1,80-2,00 400 - 500 hở 4- 12 1,60-1,80 1,70-1,90 Khi thiết kế răng và gông, để đảm bảo cho mật độ từ thông nằm trong phạm vi đã nêu ở bảng 3-3 cần chú ý làm sao cho các răng có đủ độ cứng để phòng khi ép hoặc khi gia công răng khỏi bị gẫy. Trong máy điện công suất dưới 100kW, thường dùng rãnh hình thang hay hình quả lê với miệng rãnh kiểu nửa kín như hình 3-4a và b; miệng rãnh b 4S phải thiết kế sao cho có thể đặt dây dẫn vào một cách dễ dàng. Thường chọn b 4S = d cđ + (1,5 2) mm, trong đó d cđ là đường kính dây dẫn kể cả cách điện. Chiều rộng của rãnh ở phần hẹp b 1 (hay d 1 ) quảng 69mm, chiều cao h 4S phải bảo đảm cho đầu răng đủ cứng. Trong máy công suất nhỏ hơn 100kW, h 4S thường lấy bằng 0,5  1,0mm. Trình tự thiết kế như sau: ( a ) ( b ) Hình 3- 4. Vài dạng rãnh stato. a. Rãnh quả lê; b. Rãnh nửa quả lê; c. Rãnh hình than ( c ) - Chọn l oại tôn silic, hệ số ép chặt k c . - Sơ bộ định chiều rộng của răng: cZ Z klB t lB b 11 1δδ ' 1  ,cm - Sơ bộ tính chiều cao của gông: cg g klB h 11 ' 1 2 Φ  ,cm Trong đó mật độ từ thông ở răng B Z1 và gông B g1 chọn theo bảng 3-3. - Căn cứ vào những trị số của b z1 và h g1 và số thanh dẫn trong một rãnh để thiết kế rãnh. Khi thiết kế rãnh, diện tích rãnh phải đảm bảo chứa tất cả các dây dẫn mà không quá chặt hoặc quá lỏng. Thường dùng hệ số lấp đầy rãnh k d để xác định độ lấp đầy đó. Hệ số k đ được tính theo công thức sau: r cdr d S du k 2  (3-7) trong đó: u r - số thanh dẫn trong một rãnh; d cđ - đường kính dây dẫn kể cả cách điện; S r = S  - S cđ : diện tích có ích của rãnh; S  - diện tích thực của rãnh (trừ nêm); S cđ - tiết diện cách điện. Cách tính S r và S cđ như sau: )( 2 1 21 nr hh bd S    với rãnh hình nửa quả lê; trong đó: h n - chiều cao nêm, thường lấy h n = 2,5  3mm. Các kích thước khác được tính như sau : Rãnh hình quả lê (hình 3-4a) : π )2(π 4 1     S SZSS Z Zb h D d (3-8) π )2(π 1     S SZSgSn Z Zb h D d (3-9) trong đó D và D n lần lược là đường kính trong và ngoài stato. Chiều cao rãnh : 2 2 gSn rS h DD h    (3-10) Chiều cao phần thẳng của rãnh : h 12 = h rS - 0,5(d 2 + d 1 + 2h 4S ) (3-11) Diện tích rãnh : )(5,0 8 )(π 2112 2 2 2 1 ddh dd S r    (3-12) Diện tích cách điện rãnh : S cd = C(2h 1 + 2 π 2 d ) + C’(d 1 + d 2 ) với dây quấn hai lớp; S cd = C(2h 1 + 2 π 2 d ) với dây quấn một lớp. C và C’ là chiều dày cách điện rãnh và cách điện giữa hai lớp. Rãnh hình nửa quả lê (hình 3-4b) : π )2(π 1 1141 1     Z Zb h D d Z (3-13) 1 1 1 2 )2(π Z gn b Z h D b    (3-14) trong đó D và D n lần lược là đường kính trong và ngoài stato. Chiều cao rãnh : 2 2 gSn rS h DD h    (3-15) Chiều cao phần thẳng của rãnh : h 12 = h rS - 0,5(d 1 + 2h 4S ) (3-16) Diện tích rãnh : 12 21 2 1 28 π h bdd S r   (3-17) Diện tích cách điện rãnh : S cđ = C(2h 1 + b 2 ) + C’(d 1 + b 2 ) với dây quấn hai lớp; S cđ = C(2h 1 + b 2 ) với dây quấn một lớp. C và C’ là chiều dày cách điện rãnh và cách điện giữa hai lớp (Phụ luc V.1). Rãnh hình thang (hình 3-4c) : π )2(π 1 114141 1      Z Zbb h D b Z (3-18) 1 1 1 2 )2(π Z gn b Z h D b    (3-19) Chiều cao rãnh : 2 2 1 1 gn r h DD h   (3-20) Chiều cao phần thẳng của rãnh : h 12 = h r1 - (2h 41 + 2 411 bb  ) (3-21) Diện tích rãnh : 42 2 41 2 1 12 21 bb h bb S r     (3-22) Diện tích cách điện rãnh : S cd = C(2h 1 + b 2 ) + C’(b 1 + b 2 ) với dây quấn hai lớp; S cd = C(2h 1 + b 2 ) với dây quấn một lớp C và C’ là chiều dày cách điện rãnh và cách điện giữa hai lớp. Chiều dày cách điện rãnh phụ thuộc vào điện áp và cấp cách điện của máy. Kết cấu cách điện rãnh hạ áp (dưới 1000V) được ghi trong phụ lục V. Trị số của hệ số lấp đầy k đ = 0,7  0,75 là hợp lý nhất, k đ không nên vượt quá 0,8 vì như vậy khi đặt dây vào rất chặt ảnh hưởng đến thời gian lồng dây và dễ làm cho dây bị xây xát, k đ nhỏ quá thì không lợi dụng triệt để được rãnh và khi máy làm việc, do lực điện từ, dây bị rung làm hỏng cách điện. Sau khi đã thiết kế rãnh, tính toán lại chính xác b Z1 . Có thể tính b Z1 bằng phương pháp vẽ chính xác hoặc bằng giải tích. Chiều cao gông tính toán được tính như sau: Nếu rãnh đáy phẳng: 11 2 r n g h DD h    , cm (3-23a) Nếu rãnh đáy tròn: 111 6 1 2 dh DD h r n g    , cm (3-24b) trong đó: h r1 = chiều cao toàn bộ rãnh; D n , D = đường kính ngoài và trong của stato; d 1 = đường kính xem ở hình 3-4a, b. . Chương 3 DÂY QUẤN VÀ LÕI SẮT STATO 3. 1.Dây quấn stato Dây quấn stato có hai loại, dây quấn một lớp và dây quấn hai lớp. Dây quấn một lớp lại chia làm hai kiểu: dây quấn đồng tâm và. 100 112 132 160 180 12 24 24 24 24 24 24/22 - 36 /28 36 /28 24 24 24 36 36 36 36 /34 36 /34 48/41 48 /38 - - 36 36 36 36 54/51 54/51 54/50 72/58 36 36 48/44. bảng 3- 1a. Bảng 3- 1a Số rănh của một pha dưới một cực từ q, khi chiều cao tâm trục h, mm 2p 50- 132 160-225 250-450 2 3; 4 5; 6 7; 8 4 2; 3 3; 4 4; 5 6 2; 3 3; 4 4; 5 8 1,5; 2 2; 3 3;