Avvolgimenti a singolo strato a passo intero

AVVOLGIMENTI NELLE MACCHINE
ELETTRICHE ROTANTI
Gli avvolgimenti nelle macchine elettriche rotanti si distinguono principalmente a
seconda del tipo di corrente:
avvolgimenti in CORRENTE CONTINUA,
avvolgimenti in CORRENTE ALTERNATA.
Inoltre, a seconda del tipo di macchina:
SINCRONA,
ASINCRONA,
IN CORRENTE CONTINUA,
si hanno tipi diversi di avvolgimenti su statore e rotore che costituiscono i circuiti
elettrici di induttore e indotto.
Inizieremo lo studio partendo dagli avvolgimenti in CORRENTE ALTERNATA
nelle MACCHINE SINCRONE, poiché questi comprendono la maggior parte
dei tipi di avvolgimenti che possiamo trovare nelle macchine elettriche rotanti.
AVVOLGIMENTI NELLE MACCHINE
ELETTRICHE ROTANTI
Un’altra distinzione tra avvolgimenti
nelle macchine elettriche rotanti è:
Esempi nelle macchine SINCRONE:
Concentrati attorno ai poli salienti
rotore ai poli salienti (anisotropo)
Distribuiti “concentrati” nelle cave
rotore liscio (isotropo)
Distribuiti nelle cave
Distribuiti a sbarre
statore
corrente continua
corrente alternata
circuito smorzatore a gabbia (nel
rotore a poli salienti)
corrente alternata
AVVOLGIMENTI IN CORRENTE
ALTERNATA DISTRIBUITI NELLE CAVE
Partiamo quindi dallo studio degli avvolgimenti in corrente alternata distribuiti
nelle cave che sono presenti negli statori delle macchine sincrone (e asincrone).
I conduttori attivi, interessati dalle f.e.m. utili ai fini della conversione
elettromeccanica, sono quelli disposti nelle cave.
Le connessioni frontali, non sottoposte a f.e.m. utili, sono disposte sulle fronti
del pacco lamellare e servono per il collegamento elettrico dei conduttori attivi.
L’insieme di due conduttori attivi collegati da una
connessione frontale si definisce spira.
L’insieme delle spire i cui conduttori attivi sono
disposti nella stessa coppia di cave è la matassa (o
bobina).
I due lati di conduttori attivi costituenti la matassa
sono detti lati di matassa.
Le due connessioni frontali della matassa sono dette
teste (o testate) di matassa.
AVVOLGIMENTI IN CORRENTE
ALTERNATA DISTRIBUITI NELLE CAVE
Gli avvolgimenti distribuiti nelle cave si possono distinguere a seconda di:
disposizione in cava
sviluppo periferico delle spire
singolo strato
doppio strato
tipo A (spire lunghe)
tipo B (spire corte)
forme delle teste di matassa
concentrici
embricati
collegamenti tra matasse
a spirale
ondulato
raccorciamento
a passo intero
a passo raccorciato
COPPIE POLARI
Per comprendere il significato delle diverse distinzioni tra tipi avvolgimenti,
dobbiamo prima di tutto ricordare che tutte le macchine elettriche rotanti sono
costituite da un certo numero di circuiti magnetici, che corrisponde al numero di
coppie polari (pp), il cui flusso si concatena con due circuiti elettrici: quello di
induttore (o di eccitazione) e quello di indotto.
Il passo polare () è la distanza tra gli assi di due poli consecutivi lungo il traferro.
In particolare, nella macchina sincrona il circuito elettrico di induttore si trova
sul rotore e può presentarsi, come già detto, sotto forma di:
concentrato attorno ai poli salienti;
distribuito “concentrato” nelle cave.
In entrambi i casi, il circuito elettrico di induttore della macchina sincrona è
percorso da corrente continua.
Poiché l’induttore è rotante, anche il flusso magnetico da esso prodotto è rotante.
CIRCUITI ELETTRICI E MAGNETICI NELLE
MACCHINE SINCRONE
Macchina sincrona con avvolgimento
di induttore (rotore) concentrato
attorno ai poli salienti (pp  2) :
Macchina sincrona con avvolgimento di
induttore (rotore) distribuito
“concentrato” nelle cave (pp = 1 o 2) :


N
S
S
N
N
S
N
S
pp = 3  n° poli p = 6
n° cave di statore Q = 36
n° fasi m = 3
n° cave di statore per polo e per fase q = 2
pp = 1  n° poli p = 2
n° cave di statore Q = 48
n° fasi m = 3
n° cave di statore per polo e per fase q = 8
AVVOLGIMENTI DI STATORE NELLE
MACCHINE SINCRONE
Faremo riferimento a macchine sincrone TRIFASI (m = 3), aventi 3 avvolgimenti di
fase disposti a 120° elettrici l’uno dall’altro.
Il legame tra angolo elettrico  e angolo meccanico (o geometrico)  è:
  p p 
pp = paia
poli
Ad ogni passo polare  corrispondono 180° elettrici.
Ogni avvolgimento di fase occupa 1/3 delle cave complessive Q.
Considerando per il momento solo avvolgimenti A PASSO INTERO, in ciascun
passo polare  ogni avvolgimento di fase occupa q cave su 60° elettrici (180°/3):
Q
q
m p
trifase

q
Q
3p
p = numero poli = 2pp
m = numero fasi = 3
AVVOLGIMENTI DI STATORE NELLE
MACCHINE SINCRONE
Considerando solo avvolgimenti A PASSO INTERO, i gruppi di q cave occupate
dallo stesso avvolgimento di fase che si susseguono lungo lo statore distano tra loro
di 180° gradi elettrici, cioè di un passo polare . I successivi gruppi di lati attivi
devono essere percorsi alternativamente in un senso e nell’altro.
Con questi criteri, è possibile assegnare le cave alle 3 fasi e stabilire i sensi di
percorrenza.
Consideriamo una macchina sincrona trifase a 4 poli con 2 cave di statore per polo
e per fase: m = 3 , p = 4 , q = 2  n° cave di statore Q = q*m*p = 2*3*4 = 24.
Disegniamo lo sviluppo in piano dello statore:
AVVOLGIMENTI DI STATORE NELLE
MACCHINE SINCRONE
Il criterio è di assegnare la cava 1 alla prima fase (A).
Poiché q = 2  si assegnerà anche la cava 2 alla prima fase (A).
Si assegneranno quindi alla prima fase (A) anche i gruppi di cave 7-8, 13-14, 19-20
che si trovano a 180° gradi elettrici l’uno dall’altro.
I versi di percorrenza delle cave 7-8 saranno opposti a quelli delle cave 1-2.
Poiché la seconda fase (B) deve essere distante 120° dalla prima fase (A), ad essa
verranno assegnati i gruppi di cave 5-6, 11-12, 17-18, 23-24.
AVVOLGIMENTI DI STATORE NELLE
MACCHINE SINCRONE
Analogamente, alla terza fase (C) si assegnano i gruppi di cave 9-10, 15-16, 21-22,
3-4:
Supponiamo, per il momento, di avere un solo conduttore per cava (singolo strato):
 n° totale conduttori Nt = 24  n° conduttori per fase: N = Nt/3 = 8
Quindi ogni avvolgimento di fase sarà costituito da N = 8 conduttori che dovranno
essere collegati tra loro.
N.B.: I versi indicati nei disegni rappresentano i versi di percorrenza dei conduttori
inseriti nelle cave. Il verso della f.m.m. è determinato dall’andamento nel tempo
delle correnti che circolano nei tre avvolgimenti di fase.
AVVOLGIMENTI DI STATORE NELLE
MACCHINE SINCRONE
Gli andamenti nel tempo di iA(t), iB(t) e iC(t) sono sfasati di 2/3:
iA (t)  IM cos t
2 

i B (t)  I M cos  t 

3 

4 

i C (t)  I M cos  t 

3 

iA (t)  IM
All’istante t = 0:
iB (t)   IM 2
iC (t)   IM 2
AVVOLGIMENTI DI STATORE NELLE
MACCHINE SINCRONE
Perciò, all’istante t = 0, la f.m.m. sviluppata dalle correnti circolanti nei 3
avvolgimenti di fase dello statore avrà questa forma:
DISPOSIZIONE IN CAVA:
SINGOLO O DOPPIO STRATO
Gli avvolgimenti in alternata possono essere disposti in cava:
a SINGOLO STRATO, quando ogni cava contiene un solo lato di matassa:
 il numero di matasse è uguale alla metà del numero di cave: Nm = Q/2
a DOPPIO STRATO: quando ogni cava contiene due lati di matassa:
 il numero di matasse è uguale al numero di cave: Nm = Q
Gli avvolgimenti a DOPPIO STRATO sono più vantaggiosi perché:
le matasse sono tutte uguali fra loro (possono essere solo embricati e non
concentrici);
si adattano a un numero di cave tale per cui Q/m sia un intero (a singolo strato
deve essere un intero Q/2m);
presentano la massima simmetria sia meccanica sia elettromagnetica;
permettono la costruzione di avvolgimenti raccorciati.
SVILUPPO PERIFERICO DELLE SPIRE:
SPIRA LUNGA (tipo A) O CORTA (tipo B)
A seconda dello sviluppo periferico delle spire rispetto al passo polare si hanno:
avvolgimenti a SPIRA LUNGA (o di TIPO A o a POLI OMONIMI): si
collegano tutti i conduttori di una fase posti sotto un polo con tutti i conduttori della
stessa fase che si trovano sotto il polo adiacente. Successivi gruppi di bobine sono
percorsi nello stesso senso.
connessioni frontali (teste di matassa)
conduttori
attivi
connessioni frontali (teste di matassa)
Esempio con avvolgimenti CONCENTRICI
SVILUPPO PERIFERICO DELLE SPIRE:
SPIRA LUNGA (tipo A) O CORTA (tipo B)
avvolgimenti a SPIRA CORTA (o di TIPO B o a POLI ALTERNI): si
collegano metà dei conduttori di una fase posti sotto un polo con metà dei conduttori
della stessa fase che si trovano sotto il polo seguente; l’altra metà dei conduttori
viene collegata con metà dei conduttori della stessa fase che si trovano sotto il polo
precedente. Successivi gruppi di bobine sono percorsi alternativamente in un senso e
nell’altro.
connessioni frontali (teste di matassa)
conduttori
attivi
connessioni frontali (teste di matassa)
Esempio con avvolgimenti CONCENTRICI
SVILUPPO PERIFERICO DELLE SPIRE:
SPIRA LUNGA (tipo A) O CORTA (tipo B)
avvolgimenti a SPIRA LUNGA (o di TIPO A o a POLI OMONIMI):
connessioni frontali (teste di matassa)
Esempio con avvolgimenti
EMBRICATI
collegamenti tra matasse
avvolgimenti a SPIRA CORTA (o di TIPO B o a POLI ALTERNI):
connessioni frontali
(teste di matassa)
Esempio con avvolgimenti
EMBRICATI
collegamenti tra matasse
FORME DELLE TESTE DI MATASSA:
CONCENTRICI O EMBRICATI
Gli avvolgimenti CONCENTRICI
presentano
matasse
disuguali,
interne le une alle altre e non
presentano incroci alle testate:
 disposizione su ordini distinti
 non consentono il doppio strato,
né il raccorciamento.
Gli avvolgimenti EMBRICATI
presentano matasse tutte uguali,
disposte in modo contiguo e
parzialmente sovrapposte tra loro:
 di più facile realizzazione pratica;
 consentono il doppio strato.
conduttori
attivi
connessioni frontali
conduttori
attivi
FORME DELLE TESTE DI MATASSA:
CONCENTRICI O EMBRICATI
Esempio di avvolgimenti CONCENTRICI di tipo A:
Esempio di avvolgimenti EMBRICATI di tipo A:
DISPOSIZIONE SU ORDINI DISTINTI
(per avvolgimenti CONCENTRICI)
Nel caso di avvolgimenti CONCENTRICI a singolo strato,
le testate sono disposte su ORDINI DISTINTI.
Se l’avvolgimento è di TIPO A, le testate possono essere
disposte su 2 o 3 ordini.
2° ordine
1° ordine
1° ordine
2° ordine
collegamenti tra
matasse
DISPOSIZIONE SU ORDINI DISTINTI
(per avvolgimenti CONCENTRICI)
Se l’avvolgimento è di TIPO B, le testate possono essere disposte solo su 3 ordini:
le teste di ogni avvolgimento di fase occupano completamente un ordine.
3° ordine
2° ordine
1° ordine
COLLEGAMENTI TRA MATASSE:
A SPIRALE O ONDULATI
I collegamenti tra matasse, per formare gli avvolgimenti di fase, possono essere:
A SPIRALE, quando le matasse sotto una coppia di poli sono collegate tra loro.
Adatto quando si hanno molti conduttori per cava.
A SPIRALE,
concentrico, di tipo A
A SPIRALE,
embricato, di tipo A
COLLEGAMENTI TRA MATASSE :
A SPIRALE O ONDULATI
ONDULATI, quando si collegano i conduttori sotto i poli successivi procedendo
lungo le cave sempre nello stesso senso. Adatto quando si hanno pochi conduttori
per cava o per gli avvolgimenti a sbarre. Non consentono il raccorciamento.
A
ONDULATO,
concentrico
(progressivo)
ONDULATO,
embricato
(progressivo)
RACCORCIAMENTO:
PASSO INTERO O RACCORCIATO
a PASSO INTERO: quando la distribuzione dei lati di matassa nelle cave per
ogni fase interessa un terzo del passo polare (/3) ed è distante un passo polare ()
da quella successiva (lo sviluppo periferico medio della spira è di un passo polare).
a PASSO RACCORCIATO: quando i lati di matassa di ciascuna fase disposti
sotto un polo coprono più di un terzo del passo polare (lo sviluppo periferico
medio della spira è più piccolo del passo polare).
Gli avvolgimenti a PASSO RACCORCIATO hanno i seguenti vantaggi:
minore lunghezza delle testate  minori perdite per effetto Joule;
si eliminano o si attenuano alcune armoniche nella f.e.m. risultante.
e svantaggi:
la f.e.m. risultante ha un valore più piccolo (3-10% in meno);
difficoltà per l’isolamento elettrico (entro alcune cave si trovano lati di matassa
appartenenti a due fasi).