Motorwikkelingen begrijpen: Belangrijkste verschillen en industriële toepassingen

Motorwikkelingen kunnen veel vormen aannemen. Echter, 3-fasen gedistribueerde wikkelingen zijn de meest gebruikte in AC-motoren voor industriële toepassingen, wat de focus van dit artikel zal zijn. De discussie die volgt is eveneens toepasbaar op het gebruik van dit type wikkeling in asynchrone motoren of in permanente-magnet synchrone motoren.

Het doel van de gedistribueerde wikkeling is om een sinusoïdale Magneto-Motorieke Kracht (MMK) verdeling in het motorluchtspleet te produceren. Deze MMK wordt geproduceerd wanneer een gebalanceerde set van 3-fasen wisselstroom in de fasewikkelingen vloeit. Het is de MMK, gecombineerd met het motor-magnetische circuitontwerp, wat een voortplantende golf van flux in het luchtspleet oplevert om het benodigde motorkoppel te produceren.

Wikkelingen bestaan uit diverse spoelen gewonden van geïsoleerde koper of in sommige gevallen aluminium draad. Verschillende dradenstrengen kunnen parallel worden aangesloten om een enkele geleider te vormen die vervolgens in een spoel gewonden wordt die diverse windingen zal hebben. Het aantal windingen hangt af van specifieke ontwerpvereisten.

Een gedistribueerde wikkeling bestaat uit diverse spoelen die in de sleuven van de motorstator worden geïnsereerd zoals hieronder getoond. Het aantal spoelen hangt af van het aantal stator-sleuven, het aantal fasen (in ons geval 3) en het aantal motorpolen, p.

Elke spoel zal diverse sleuven overspannen. Een vol-pitch wikkeling zal spoelen hebben wiens gemiddelde overspanning correspondeert met een aantal sleuven gelijk aan de pool-pitch of 360°/p, terwijl een kort-pitch wikkeling minder sleuven overspant. De onderstaande figuur toont een vol-pitch wikkeling voor een typische 4-polige motor.

Een 4-polige motorstator met een 3-fasen gedistribueerde wikkeling

Een deel van de wikkeling zal in de sleuf zitten waar het bijdraagt aan motorkoppelproductie. De rest zal in de eindwikkelingen zitten die niet bijdragen aan motorkoppelproductie. Zorgvuldig ontwerp is daarom nodig om onnodige verspilling van dure koper te vermijden. Verder drijft goede thermische prestaties de behoefte aan hoge sleufvulling en eindwikkeling thermisch beheer. Deze factoren worden vaak beperkt door productieprocesoverwegingen. Een ideale gedistribueerde wikkeling zou een oneindig aantal spoelen hebben geplaatst in een oneindig aantal sleuven zodat de MMK ruimtelijke verdeling een perfecte sinus is. Dit is duidelijk niet praktisch mogelijk, dus een beste compromis moet worden gevonden om de vereiste prestaties te halen.

Spoelen van verschillende fasen moeten van elkaar en van de stator-kern geïsoleerd zijn om kortsluitingen en falen te vermijden. Isolatie vormt additionele thermische barrières die de vermogens om warmte van de binnenkant van de machine naar de buitenkant over te brengen, zullen beperken. Luchtholtes zullen aanwezig zijn tussen wikkeldraden en tussen de isolatie, wikkeling en stator-kern. Deze holtes worden gevuld met een hars door een imprégnatieproces wat de warmteoverdracht verbetert en de wikkelingisolatie verder verbetert.

Elektrische motor toepassingen zijn talloos en gevarieerd. Verschillende toepassingen leggen verschillende eisen aan het motorontwerp. Verschillende van deze eisen zullen beïnvloed worden door het wikkelontwerp en kunnen omvatten:

• Minimalisatie van harmonische verliezen voor verbeterde efficiëntie
• Vermindering van koppelpulseringen
• Vermindering van akoestische ruis en trillingen

Verschillende wikkellayouts zijn mogelijk om dezelfde elektrische prestaties te bereiken. De keuze van deze layouts zal bepaald worden door productiebeperkingen die sterk beïnvloed worden door het automatiseringsniveau dat gebruikt wordt om de wikkeling te produceren.

De onderstaande tabel geeft enkele van de meest voorkomende wikkelingconfiguraties samen met de belangrijkste selectiecriteria.

Het is duidelijk dat sterke compromissen gemaakt moeten worden tussen technische eisen, procescomplexiteit, het automatiseringsniveau en kosten. Dit betekent dat motorontwerpers nauw moeten samenwerken met productietechniek om de beste algehele oplossing te definiëren.