Wicklungen für Elektromotoren

Wicklung Elektromotor

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.

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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.

verteilte Wicklung

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.

Wicklungsschema Elektromotor

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.

Gegen-EMK Elektromotor

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.