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Wicklungen für Elektromotoren
Wicklungen für Elektromotoren können in konzentrierte Wicklung und verteilte Wicklung unterteilt werden. Bei einer verteilten Wicklung wird immer über mindestens zwei Stator Zähne gewickelt. Hingegen bei der konzentrierten Wicklung wird nur genau ein Stator Zahn bewickelt. Beide Typen von Wicklungen haben unterschiedliche Vor- und Nachteile. Wann eine konzentrierte Wicklung und wann eine Verteilung Wicklung eingesetzt wird, hängt von den Abmessungen des Motors ab und von dessen Einsatzzweck. Aber auch die Stückzahl und wie der Motor hergestellt werden soll, hat einen Einfluss auf die Wahl des Wicklungstypen. Weitere Unterscheidungsmerkmale, welche für die Auslegung der Wicklung wichtig sind, ist die Bruchlochwicklung und die Ganzlochwicklung, sowie einschichtig Wicklung und zweischichtige Wicklung.
konzentrierte Wicklung
Bei der konzentrierten Wicklung wird immer genau über einen Zahn des Stators gewickelt. Das hat entscheidende Vorteile bei der Herstellung der Stators. So können zum Beispiel bereits fertige Wicklungen einfach auf den Stator aufgeschoben werden. Allerdings muss das Design der Zähne des Stators dafür ausgelegt sein. Ein wesentlicher Vorteil einer konzentrierten Wicklung ist der sehr kleine Wickelkopf am oberen und unteren Ende des Motors. Bei einer verteilten Entwicklung ist dieser Wickelkopf aufgrund der Überlappung der Wicklungen größer. Wegen des kleineren Wickelkopfes von konzentrierten Wicklungen sind die ohmschen Verluste im unteren Drehzahlbereich, geringer alles bei einer verteilten Wicklung. Bei der Verwendung eines klassischen Designs eines Elektromotors mit einer konzentrierten Entwicklung ist die Gegen-EMK trapezförmig. Dadurch kann gerade im unteren Bereich mit diesem Wicklungstyp ein hohes Drehmoment erzeugt werden. Das bedeutet aber nicht, dass daraus auch ein hoher Wirkungsgrad resultiert. Denn der wesentliche Nachteil einer konzentrierten Wicklung sind entstehende Oberwellen, welche gerade bei hohen Drehzahlen zu hohen Verlusten führen können. Diese Verluste können in den Wicklungen im Blech als auch in Permanentmagneten auftreten. Primär werden konzentrierte Wicklungen für Motoren eingesetzt, die kurz sind und einen hohen Durchmesser haben. Ein Beispiel dafür sind Radnabenantrieb für Elektrofahrräder ohne Getriebe. Auch für Antriebe, welche eine hohe Dynamik benötigen und der Wirkungsgrad nicht so entscheidend ist, kommen konzentrierte Wicklungen zum Einsatz. Ein weiterer Nachteil von konzentrierten Wicklungen ist ein nicht unerheblicher Drehmomentenrippel. Dieser kann beispielsweise ausgeglichen werden, indem die Magnete auf dem Rotor zueinander verschoben werden oder die Magnete entsprechend geformt werden.
verteilte Wicklung
Bei einer verteilten Wicklung wird immer mindestens über zwei Zähne des Stators gewickelt, wie hier in diesem Beispiel auf dem Bild. Über wie viele Zähne gewickelt wird nennt man Spulenabstand oder Schrittweite und natürlich kann man auch über 3, 4, 5 oder mehr Zähne wickeln. Bei einer verteilten Wicklung überlappen sich die Wicklungen am oberen und unteren Ende des Elektromotors, dieser Bereich des Motors nennt man auch Wickelkopf. Aufgrund der Überlappung ist der Wickelkopf bei einer verteilten Wicklung größer als bei einer konzentrierten Wicklung. Für sehr kurze Elektromotoren wird deshalb in der Regel eher eine konzentrierte Wicklung verwendet. Dadurch können die ohmschen Verluste vom Wickelkopf reduziert werden. Bei längeren Elektromotoren ist der Einfluss der Verluste vom Wickelkopfes nicht so groß im Verhältnis zu den gesamten Verlusten. Ein ganz wesentlicher Vorteil einer verteilten Wicklung für einen Elektromotor ist, dass die entstehende Gegen-EMK einen gleichmäßigen meist sinusförmigen Verlauf hat. Somit ist der Anteil der Oberwellen sehr gering und dadurch auch die Verluste im Blech des Stators und der Wicklungen. Verteilte Wicklungen werden überall da eingesetzt, wo hohe Wirkungsgrade benötigt werden, wie zum Beispiel bei Elektrofahrzeugen. Ein weiterer Vorteil von verteilten Wicklungen ist ein hoher Gleichlauf, dass bedeutet, dass der Drehmomentenrippel und somit auch die Geräusche des Motors sehr niedrig sind. Deswegen werden für Drehspindeln von Werkzeugmaschinen überwiegend Elektromotoren mit verteilten Wicklungen eingesetzt, da sonst die Drehmomentschwankungen eine negative Auswirkung auf die Qualität des zu bearbeitenden Werkstücks hätte.
Motor Wicklungsschema
Bei einer konzentrierten Wicklung trägt ein Zahn des Stators genau eine Wicklung. Die unterschiedlichen Farben stehen für die drei Phasen U, V und W. Die zwei Wicklungen einer Phase sind miteinander verbunden und die drei Phasen können dann in einem Stern oder einem Dreieck verschaltet werden. Bei einer verteilten Wicklung wird mindestens über zwei Zähne gewickelt, wie hier in diesem Beispiel. Über wie viele Zähne gewickelt wird, nennt man Spulenabstand und natürlich kann man auch über 3, 4, 5 oder mehr Zähne wickeln. Der Spulenabstand ist abhängig von der Anzahl der Zähne des Stators und der Polpaarzahl des Rotors.
verteilte Wicklung vs konzentrierte Wicklung
Worin liegt der technische Unterschied zwischen einer verteilten Wicklung und einer konzentrierten Wicklung. Dafür schauen wir uns die Spannung der Gegen-EMK an. Das ist die Spannung, die an den Klemmen eines Elektromotors mit Permanentmagneten gemessen werden kann, wenn der Motor von Hand oder mit einer Lastmaschine schnell genug gedreht wird.
Im Diagramm sieht man, dass die Spannung des Elektromotors mit einer verteilten Wicklung schön sinusförmig ist. Hingegen ist die Gegen-EMK der konzentrierten Wicklung eher trapezförmig. Was bedeutet das jetzt für die Leistung des Motors? Mit einem Motor mit einer konzentrierten Wicklung kann man aufgrund der trapezförmigen Gegen-EMK mehr Drehmoment erzeugen. Allerdings sind die Verluste im Kupfer und Blech größer, da mehr und höhere Oberwellen auftreten. Mit einer verteilen Wicklung kann man also einen höheren Wirkungsgrad erreichen aufgrund der sinusförmigen Gegen-EMK und das ist eben bei Elektrofahrzeugen besonders wichtig. Es bedeutet aber nicht direkt, dass wenn ein Elektromotor eine sinusförmige Gegen-EMK hat, dass dieser Motor einen hohen Wirkungsgrad hat. Und auch mit konzentrierten Wicklungen kann durch das Anpassen vom Design des Rotors eine sinusförmige Verlauf der Gegen-EMK erreicht werden.