Motorwikkelingen: wat zijn de verschillen?

Motorwikkelingen zijn er in vele vormen. In dit blog richten we ons op 3-fasen wikkelingen. Deze worden het meest gebruikt in wisselstroommotoren voor industriële toepassingen.

Wat is het doel van de 3-fasen wikkeling?

Het doel van deze wikkeling is het creëren van een sinusvormige verdeling van de magneto-motoren kracht (MMK) in de luchtspleet van de motor. Deze MMK ontstaat wanneer een gebalanceerde set van driefasige wisselstromen door de fasewikkelingen stroomt. Het is de MMK, in combinatie met het ontwerp van het magnetische circuit van de motor, die een lopende fluxgolf in de luchtspleet veroorzaakt om het vereiste motorkoppel te produceren.

Opbouw en materialen van motorwikkelingen

Wikkelingen bestaan uit meerdere spoelen die gewikkeld zijn van geïsoleerde koperdraad of in sommige gevallen van aluminiumdraad. Meerdere draden kunnen parallel worden geschakeld om één geleider te vormen, die vervolgens wordt gewikkeld tot een spoel met meerdere windingen. Het aantal wikkelingen is afhankelijk van de specifieke ontwerpvereisten. 

Plaatsing van spoelen in de stator

Een 3-fasen wikkeling bestaat uit meerdere spoelen die in de gleuven van de stator van de motor zijn geplaatst, zoals hieronder weergegeven. Het aantal spoelen is afhankelijk van het aantal statorsleuven, het aantal fasen (in ons geval 3) en het aantal motorpolen.

Verschil tussen volledige en korte spoelafstand

Elke spoel beslaat meerdere sleuven. Een spoel met volledige spoelafstand heeft spoelen waarvan de gemiddelde spanwijdte overeenkomt met een aantal sleuven dat gelijk is aan de poolafstand of 360°/p, terwijl een spoel met korte spoelafstand minder sleuven beslaat. De onderstaande afbeelding toont een spoel met volledige spoelafstand voor een typische 4-polige motor.

 
Afbeelding 1: spoel met volledige spoelafstand voor een typische 4-polige motor

Ontwerpcompromissen tussen efficiëntie en prestaties

Een deel van de wikkeling bevindt zich in de sleuf waar het bijdraagt aan de motorkoppelproductie. De rest bevindt zich in de eindwikkelingen die niet bijdragen aan de motorkoppelproductie. Een zorgvuldig ontwerp is daarom noodzakelijk om onnodige verspilling van duur koper te voorkomen. Bovendien vereisen goede thermische prestaties een hoge sleufvulling en thermisch beheer van de eindwikkelingen. Deze factoren worden vaak beperkt door afwegingen in het productieproces. Een ideale 3-fasen wikkeling heeft een oneindig aantal spoelen in een oneindig aantal sleuven, zodat de MMK-ruimteverdeling een perfecte sinusoïde is. Dit is in de praktijk duidelijk niet mogelijk, dus moet een compromis worden gevonden om aan de vereiste performance te voldoen.

Isolatie en warmteafvoer door impregnatie

Spoelen met verschillende fasen moeten van elkaar en van de statorkern worden geïsoleerd om kortsluiting en storingen te voorkomen. Isolatie vormt extra thermische barrières die de warmteoverdracht van binnen naar buiten beperken. Er zullen luchtbellen aanwezig zijn tussen de wikkeldraden en tussen de isolatie, de wikkeling en de statorkern. Deze holtes worden gevuld met een hars door middel van een impregnatieproces. Dit verbetert de warmteoverdracht en de isolatie van de wikkelingen.

Toepassingseisen en keuze van wikkelingsconfiguraties

Toepassingen van elektromotoren zijn talrijk en gevarieerd. Verschillende toepassingen stellen verschillende eisen aan het motorontwerp. Verschillende van deze eisen worden beïnvloed door het wikkelingsontwerp, waaronder:
• Minimalisering van harmonische verliezen voor een verbeterde efficiëntie
• Vermindering van koppelpulsaties
• Vermindering van akoestisch geluid en trillingen

Er zijn verschillende wikkelingsconfiguraties mogelijk om dezelfde elektrische performance te bereiken. De keuze voor deze configuraties wordt bepaald door productiebeperkingen, die sterk worden beïnvloed door de mate van automatisering die wordt gebruikt om de wikkeling te produceren.

Wat zijn de selectiecriteria voor wikkelconfiguraties?

De onderstaande tabel geeft enkele van de meest voorkomende wikkelingsconfiguraties weer, samen met de belangrijkste selectiecriteria. Het is duidelijk dat er sterke compromissen moeten worden gesloten tussen technische vereisten, procescomplexiteit, automatiseringsniveau en kosten. Dit betekent dat motorontwerpers nauw moeten samenwerken met de productieafdeling om de beste totaaloplossing te definiëren.

Afbeelding 2: Meest voorkomende wikkelingsconfiguraties

Zijn motoren met 3-fasen wikkeling beschikbaar bij Nidec?

Ja, deze zijn zeker beschikbaar. Denk aan motoren binnen het IMfinity platform en de Dyneo+
Het IMfinity platform varieert van 0,12 tot 1200 kW voor snelheden tot 3000 rpm.
De Dyneo+ serie varieert van 11 kW tot 500 kW voor snelheden tot 6000 rpm

Afbeelding 3: IMfinity en Dyneo+ motoren

Meer weten?

Nidec Netherlands is de Nederlandse vertegenwoordiging van het merk Leroy-Somer in Sliedrecht. Heeft u nog vragen? Neemt u dan contact met ons op. Wij helpen u graag verder!