Verständnis von Motorwicklungen: Wichtige Unterschiede und industrielle Anwendungen

Motorwicklungen können viele Formen annehmen. Allerdings sind 3-phasige verteilte Wicklungen die am häufigsten in AC-Motoren für industrielle Anwendungen verwendeten, worauf sich dieser Artikel konzentriert. Die folgende Diskussion gilt gleichermaßen für den Einsatz dieser Wicklungsart in Asynchronmotoren oder permanenterregten Synchronmotoren.

Ziel der verteilten Wicklung ist es, eine sinusförmige magnetomotorische Kraft (MMF) Verteilung im Motorluftspalt zu erzeugen. Diese MMF entsteht, wenn ein symmetrisches System von 3-phasigen Wechselströmen in den Phasenwicklungen fließt. Es ist die MMF, kombiniert mit dem magnetischen Kreisdesign des Motors, die eine wandernde Flusswelle im Luftspalt erzeugt, um das erforderliche Motormoment zu produzieren.

Wicklungen bestehen aus mehreren Spulen, die aus isoliertem Kupfer- oder in manchen Fällen Aluminiumdraht gewickelt sind. Mehrere Drahtlitzen können parallel geschaltet werden, um einen einzelnen Leiter zu bilden, der dann zu einer Spule mit mehreren Windungen gewickelt wird. Die Windungszahl hängt von spezifischen Designanforderungen ab.

Eine verteilte Wicklung besteht aus mehreren Spulen, die in die Nuten des Motorstators eingesetzt werden, wie unten dargestellt. Die Anzahl der Spulen hängt von der Anzahl der Statornuten, der Phasenzahl (in unserem Fall 3) und der Polpaarzahl p des Motors ab.

Jede Spule überspannt mehrere Nuten. Eine vollschrittige Wicklung hat Spulen, deren mittlerer Schritt einer Nutenzahl entspricht, die dem Polschritt oder 360°/p gleich ist, während eine kurzschrittige Wicklung weniger Nuten überspannt. Die folgende Abbildung zeigt eine vollschrittige Wicklung für einen typischen 4-poligen Motor.

Ein 4-poliger Motorstator mit 3-phasiger verteilter Wicklung

Ein Teil der Wicklung liegt in der Nut, wo er zur Momenterzeugung beitragt. Der Rest liegt in den Überhängewindungen, die nicht zur Momenterzeugung beitragen. Sorgfältiges Design ist daher nötig, um unnötige Verschwendung von teurem Kupfer zu vermeiden. Darüber hinaus erfordert gute thermische Leistung hohe Nutfüllfaktoren und thermisches Management der Überhängewindungen. Diese Faktoren werden oft durch Fertigungsprozess-Beschränkungen limitiert. Eine ideale verteilte Wicklung hätte unendlich viele Spulen in unendlich vielen Nuten, sodass die MMF-Raumverteilung ein perfekter Sinus wäre. Dies ist in der Praxis unmöglich, daher muss ein bestmöglicher Kompromiss gefunden werden, um die geforderte Leistung zu erreichen.

Spulen verschiedener Phasen müssen voneinander und vom Statorblechpaket isoliert sein, um Kurzschlüsse und Ausfälle zu vermeiden. Die Isolierung stellt zusätzliche thermische Barrieren dar, die die Wärmeableitung vom Inneren der Maschine nach außen begrenzen. Lufteinschlüsse zwischen Wickeldrähten und zwischen Isolierung, Wicklung und Statorblechpaket sind vorhanden. Diese Hohlräume werden durch ein Imprägnierverfahren mit Harz gefüllt, was den Wärmeübergang verbessert und die Wicklungsisolierung weiter erhöht.

Elektromotor-Anwendungen sind vielfältig. Verschiedene Anwendungen stellen unterschiedliche Anforderungen an das Motordesign. Mehrere dieser Anforderungen werden vom Wicklungsdesign beeinflusst und können umfassen:

• Minimierung harmonischer Verluste für verbesserte Effizienz
• Reduzierung von Momentenwelligkeit
• Reduzierung von akustischem Geräusch und Vibrationen

Mehrere Wicklungslayouts sind möglich, um dieselbe elektrische Leistung zu erreichen. Die Wahl dieser Layouts wird durch Fertigungsbeschränkungen bestimmt, die stark vom Automatisierungsgrad der Wicklungsfertigung beeinflusst werden.

Die folgende Tabelle gibt einige der gängigsten Wicklungskonfigurationen mit den Hauptauswahlkriterien wieder.

Tabelle: Gängige Wicklungskonfigurationen und Auswahlkriterien

Es wird deutlich, dass starke Kompromisse zwischen technischen Anforderungen, Prozesskomplexität, Automatisierungsgrad und Kosten gemacht werden müssen. Das bedeutet, dass Motordesigner eng mit der Fertigungstechnik zusammenarbeiten müssen, um die beste Gesamtlösung zu definieren.