По принципу образования трехфазные обмотки статоров синхронных и асинхронных машин практически одинаковы. В сущности они не отличаются и от обмоток якоря машин постоянного тока (МПТ), только наличие механического выпрямителя ( коллектора ) вносит особенности в изготовление обмоток якоря МПТ.
Для примера на рис. 1 (а) условно показана кольцевая обмотка якоря для 2р = 2, которая представляет собой намотанную на тороид (1)
замкнутую обмотку (2). Если поставить между полюсами щетки (3) так, чтобы они скользили по неизолированным верхним частям обмотки, то со щеток можно снять ток.
Рис. 1 - Принцип образования обмоток: а – якорных машин постоянного тока; б – трехфазных машин переменного тока
Чтобы в такой же схеме получить трехфазное переменное напряжение, необходимо от обмотки вывести на кольца напряжения от трех точек, отстоящих друг от друга на электрический угол, равный 120° (рис. 1, б).
Кольцевые обмотки применялись в электротехнике на заре развития электрических машин, однако они отличались малой эффективностью, т.к. ЭДС в них наводится только в тех частях витков, которые лежат на поверхности тороида и пересекаются магнитными силовыми линиями внешнего поля.
В применяемых в настоящее время барабанных обмотках стороны катушек размещены в пазах, расположенных на поверхности якоря (статора) под полюсами разной полярности. Катушки состоят из одинакового числа последовательно соединенных витков, а по способу соединения между собой они могут быть петлевыми или волновыми, катушечными или стержневыми (рис.2, а и б).
Рис. 2 – Конструкции обмоток машин переменного тока: а) катушечная секция; б) стержневая; в) катушечная группа
По величине шага они могут быть с полным или укороченным шагом.
Несколько последовательно соединенных катушек одной фазы образуют катушечную группу рис.2 (в). Катушечные группы, в свою очередь, могут соединяться последовательно или параллельно.
На рис.3 (а) показано расположение простейшей трехфазной обмотки в пазах статора синхронного генератора.
Рис. 3 - Расположение трехфазной обмотки в пазах статора синхронного генератора
Направление ЭДС, индуктируемой в каждой стороне одного витка, определяется по правилу правой руки. При расположении активных частей витка под полюсами разной полярности эти ЭДС складываются, что увеличивает эффективность использования барабанных обмоток по сравнению с кольцевыми.
Естественно, что общая ЭДС фазы определяется как числом витков в отдельной катушке, так и числом последовательно соединенных катушек с учетом их распределения по пазам и симметричности расположения по отношению к полюсам разной полярности. Распределение катушек по пазам, укорочение или удлинение шага катушки по отношению к полюсному делению приводит к уменьшению ЭДС, что учитывается соответствующими коэффициентами.
При выполнении трехфазных обмоток наряду с обеспечением достаточной механической и электрической прочности, нагревостойкости и надежности соблюдают следующие основные условия:
— все фазы должны находиться в одинаковых условиях по отношению к магнитному полю ;
— во всех фазах должны наводиться одинаковые ЭДС;
— электродвижущие силы трех фаз должны быть сдвинуты на электрический угол 120°.
