So lesen Sie die Nomenklatur der Wicklungscodes

Die Nomenklatur der Wicklungscodes enthält zwei Informationen:

Beispielsweise steht die Motorkonfiguration „4Y“ für eine Wicklung mit vier Windungen in Reihe in Sternschaltung, während 2D eine Wicklung mit zwei Windungen in Reihe in Dreieckschaltung bezeichnet.

Abbildung 1 fasst die Nomenklatur der Wicklungscodes und die für die meisten Motoren verfügbaren Konfigurationen zusammen. 2D repräsentiert das Ende des Bereichs mit der niedrigsten Spannung und dem höchsten Strom, 8Y das Ende mit der höchsten Spannung und dem niedrigsten Strom.

Die verfügbaren Konfigurationen hängen von der Motorgröße ab. Größere SlimTorq™-Motoren sind mit 2, 4 oder 8 Windungen in Reihe erhältlich, während bei anderen Motorgrößen Kombinationen wie 2 und 6 oder 1 und 3 Windungen zum Einsatz kommen.  

Möchten Sie die verfügbaren Wicklungsoptionen vergleichen? Entdecken Sie die SlimTorq™- und GearTorq™- Konfigurationen in unserem Produktselektor.

Was ändert sich durch die Anzahl der Windungen in Reihe?

Die Anzahl der Windungen in Reihe ist die Anzahl der einzelnen Drahtschleifen, die hintereinandergeschaltet die Wicklung für eine bestimmte Phase in jedem Magnetpol bilden. Dies beeinflusst sowohl die Drehmoment- als auch die Spannungskonstante des Motors. In diesem Artikel folgt die Drehmomentkonstante 𝐾_𝑡 der Katalogkonvention von Alva und wird in Bezug auf den Effektivwert (RMS) des q-Achsen-Stroms angegeben. Die Spannungskonstante 𝐾_𝑒 basiert auf der maximalen verketteten Gegen-EMK. Andere Hersteller verwenden möglicherweise eine andere Konvention zur Darstellung dieser Werte, was für einen Vergleich entsprechende Berechnungen erfordern kann.

Innerhalb des linearen Betriebsbereichs eines Permanentmagnetmotors ist das Drehmoment annähernd proportional zum q-Achsen-Strom:

T ≈ Kt × Iq

T = Drehmoment [Nm]
Kt = Drehmomentkonstante [Nm/Arms]
Iq = Effektivwert des q-Achsen-Stroms [Arms]

Mehr Windungen in Reihe erhöhen die Drehmomentkonstante, sodass für das gleiche Drehmoment weniger Strom benötigt wird. Die Spannungskonstante steigt in etwa im gleichen Maße wie die Drehmomentkonstante. Bei einer gegebenen Drehzahl erzeugt der Motor daher eine höhere Gegen-EMK und nutzt somit mehr der vom Servoregler bereitgestellten Spannung. Dies ist besonders bei Anwendungen mit mittleren bis hohen Drehzahlen relevant. Weniger Windungen bewirken den umgekehrten Effekt: Für das Drehmoment wird mehr Strom benötigt, aber bei hohen Drehzahlen bleibt mehr Spannungsspielraum.

Innerhalb derselben Wicklungsart (Dreieck oder Stern) skalieren der verkettete Widerstand und die Induktivität annähernd mit dem Quadrat des Verhältnisses der in Reihe geschalteten Windungen.  

Abbildung 2 fasst die konstruktiven Kompromisse bei der Wahl der Windungszahlkonfiguration zusammen.

Was ist der Unterschied zwischen Stern- und Dreieckschaltung?

Stern- und Dreieckschaltung beschreiben, wie die drei Motorphasen miteinander verbunden sind.

Bei einer Sternschaltung ist ein Ende jeder Phase an einem gemeinsamen internen Punkt verbunden. Bei einer Dreieckschaltung sind die Phasen in einem geschlossenen Dreieck hintereinander geschaltet.

Für dieselbe zugrunde liegende Phasenwicklung und unter Verwendung derselben Konventionen für Strom und Spannung an den Anschlüssen gilt:

• Kt und Ke sind in Sternschaltung etwa √3-mal so hoch wie in Dreieckschaltung.  

• Der verkettete Widerstand und die Induktivität sind in Sternschaltung etwa dreimal so hoch wie in Dreieckschaltung.  

• Der für das gleiche Drehmoment erforderliche Strom beträgt in Sternschaltung etwa 1/√3 des Stroms in Dreieckschaltung.  

• Die Leerlaufdrehzahl bei gleicher Anschlussspannung beträgt etwa 1/√3 der Drehzahl in Dreieckschaltung.  

Keine der beiden Verbindungsarten ist grundsätzlich besser. Die Sternschaltung begünstigt einen Betriebsbereich mit höherer Spannung und niedrigerem Strom. Die Dreieckschaltung begünstigt einen Betriebsbereich mit niedrigerer Spannung und höherem Strom.

Deshalb führt der Wechsel von 2D zu 8Y den Motor schrittweise von einer elektrischen Schnittstelle mit hoher Stromstärke und höherer Drehzahl hin zu einer Schnittstelle mit niedrigerer Stromstärke und geringerer Drehzahl. Die richtige Wahl hängt immer von der jeweiligen Anwendung ab.

Eine höhere Drehmomentkonstante bedeutet nicht zwangsläufig einen stärkeren Motor

Der Vergleich von Datenblättern für verschiedene Wicklungskonfigurationen kann zu falschen Schlussfolgerungen führen, wenn die höchste Drehmomentkonstante Kt als einziges Kriterium für die Auswahl des besten Motors für eine Anwendung herangezogen wird. Dieses Auswahlkriterium ist unvollständig; das System muss über die Drehmomentkonstante hinaus analysiert werden.

Wenn die Windungszahl steigt, sinkt der für ein bestimmtes Drehmoment erforderliche Strom, aber der Wicklungswiderstand nimmt zu. Im Idealfall bleiben die Kupferverluste bei gleichem Drehmoment unverändert, dies berücksichtigt jedoch nicht die Wechselrichterverluste, Kabelverluste oder drehzahlabhängigen Motorverluste:

Pcu ∝ I^²R

Wenn der Strom halbiert wird und der Widerstand viermal so hoch ist, bleibt I^²R gleich. Eine Wicklung mit höherer Windungszahl sorgt nicht automatisch für ein höheres, durch Kupferverluste begrenztes Drehmoment oder einen besseren Motorwirkungsgrad.  

Die Motorkonstante bleibt daher über die Wicklungsvarianten derselben Motorgeometrie hinweg unverändert. Mit der Konvention von Alva für den Leiter-Leiter-Widerstand und den RMS-q-Achsenstrom lautet die Motorkonstante:

Km = Kt / √(3/2 × RLL)

Auch die elektrische Zeitkonstante bleibt unverändert, da Induktivität und Widerstand im gleichen Verhältnis skalieren:

τ = LLL / RLL

Deshalb gibt der SlimTorq™-Katalog für die verschiedenen Wicklungsoptionen einer gegebenen Motorvariante jeweils eine Motorkonstante und eine elektrische Zeitkonstante an. Die Wicklung ändert die Spannungs-Strom-Schnittstelle, nicht die zugrunde liegende elektromagnetische Größe des Motors.  

Auf Systemebene kann die Wahl der Wicklung dennoch den Wirkungsgrad beeinflussen. Ein geringerer Strom kann Kabelverluste und Leitungsverluste im Wechselrichter reduzieren. Eine niedrigere Ke kann bei hohen Drehzahlen Spannungsreserven erhalten. Motor, Antrieb, Kabel und Stromversorgung müssen daher als Gesamtsystem bewertet werden.

Ein praktisches Beispiel: STM-75-20-L

Die beiden Extreme der Wicklungskonfigurationsoptionen für Alvas SlimTorq™ STM-75-20-L – 2D und 8Y – veranschaulichen diesen Kompromiss deutlich, wie in Abbildung 4 dargestellt.

Die 8Y-Wicklung erzeugt das gleiche Dauerdrehmoment gemäß Katalog bei etwa 85 % weniger Strombedarf im Vergleich zur 2D-Wicklung. Gleichzeitig ist die Generatorkonstante Ke etwa siebenmal höher, während Widerstand und Induktivität um den Faktor 48 steigen.

Der erforderliche Strom lässt sich auch direkt aus Kt abschätzen:

2D: 0,654 Nm / 0,032 Nm/Arms ≈ 20,4 Arms

8Y: 0,654 Nm / 0,219 Nm/Arms ≈ 3,0 Arms

Die 8Y-Konfiguration eignet sich daher gut für Anwendungen, bei denen der Strom begrenzt ist und die bei moderater Geschwindigkeit arbeiten. Die 2D-Konfiguration ist besser geeignet, wenn die verfügbare Spannung niedrig ist, der Antrieb hohe Ströme liefern kann oder eine Wicklung mit höherer Windungszahl bei der erforderlichen Geschwindigkeit spannungsbegrenzt wäre.  

Möchten Sie Ihre eigenen Betriebsanforderungen bewerten? Untersuchen Sie die Motorleistung für Ihre Anwendung in TorqStudio.

Wie beeinflusst die Wicklungskonfiguration die Auswahl des Servoverstärkers?

Wicklungskonfigurationen sollten immer unter Berücksichtigung des vorgesehenen Servoverstärkers ausgewählt werden.

Strom beim erforderlichen Drehmoment

Innerhalb des linearen Betriebsbereichs ergibt sich der ungefähre Effektivwert des q-Achsen-Stroms wie folgt:

Iq ≈ T / Kt

Sowohl Dauer- als auch Spitzenbetriebspunkte müssen überprüft werden. Der Antrieb muss den erforderlichen Strom für die angegebene Dauer und unter Berücksichtigung seiner eigenen thermischen Bedingungen, Kühlung und Schaltfrequenz bereitstellen können.

Die aktuelle Konvention muss zudem mit dem Datenblatt übereinstimmen. Arm-, Apeak-, Phasen- und Zwischenkreisstrom sind nicht austauschbar. SlimTorq™ Kt-Werte basieren auf dem Effektivwert (RMS) des q-Achsen-Stroms.  

Spannung bei der erforderlichen Drehzahl

Bei Betriebsdrehzahl muss der Antrieb sowohl die Gegen-EMK des Motors als auch die ohmschen und induktiven Spannungsabfälle überwinden. Zudem muss eine Spannungsreserve für die Wechselrichtermodulation und die Stromregelung erhalten bleiben.

Die erforderliche Motorspannung ist eine Vektorkombination aus Gegen-EMK sowie den ohmschen und induktiven Spannungskomponenten. Ke multipliziert mit der Drehzahl sollte daher nicht direkt mit der nominalen Zwischenkreisspannung verglichen werden, sofern die Konventionen für Peak/RMS, Phase/Leitung und Wechselrichtermodulation nicht konsistent gehandhabt werden.

Eine höhere Anzahl an Windungen oder eine Sternschaltung kann das Drehmoment zwar mit geringem Strom erreichen, bei maximaler Drehzahl jedoch versagen, da der Antrieb nicht genügend Spannung liefert. Weniger Windungen oder eine Dreieckschaltung bieten zwar ausreichend Spannungsspielraum, können aber dennoch versagen, wenn der erforderliche Strom die Nennleistung des Antriebs übersteigt.  

Der Widerstand muss zudem bei der erwarteten Betriebstemperatur bewertet werden. Der Kupferwiderstand steigt mit zunehmender Erwärmung des Stators. Der Alva-Produktkatalog gibt den Widerstand bei 20 °C an und schließt die Motorkabel aus; daher sollten der heiße Wicklungswiderstand und der Spannungsabfall in den Kabeln in das endgültige Systemmodell einbezogen werden.  

Induktivität und Schaltfrequenz

SlimTorq™-Motoren sind nutenlos und können eine geringe Induktivität aufweisen, insbesondere bei Dreieckschaltungen mit wenigen Windungen. Der Motorantrieb muss in der Lage sein, den Strom ohne übermäßige Stromwelligkeit zu regeln.

Alva empfiehlt für SlimTorq™-Motoren generell hohe Schaltfrequenzen. Ein Ausgangsfilter kann verwendet werden, um bei Bedarf zusätzliche Systeminduktivität hinzuzufügen, wobei dessen Eignung und Auslegung für die jeweilige Anwendung geprüft werden muss. Da SlimTorq™-Motoren eine nahezu sinusförmige Gegen-EMK aufweisen, werden für höchste Präzision und Leistung eine sinusförmige Kommutierung oder eine feldorientierte Regelung empfohlen.

Wie wählt man die richtige Wicklungskonfiguration aus?

Bei der Auswahl einer Wicklungskonfiguration für einen bestehenden Servoantrieb sind der verfügbare Strom und die erforderliche Drehzahl entscheidende Faktoren. Die richtige Wicklungskonfiguration bietet sowohl genügend Stromkapazität beim geforderten Drehmoment als auch ausreichend Spannungsspielraum bei der erforderlichen Drehzahl.

Ein praktischer Auswahlprozess sieht wie folgt aus:

1. Definieren Sie den vollständigen Betriebsbereich: Dauerdrehmoment, Spitzendrehmoment und -dauer, maximale Drehzahl, Einschaltdauer und Kühlbedingungen.  

2. Definieren Sie die elektrischen Grenzwerte: nutzbare Zwischenkreisspannung, Dauer- und Spitzenstrom des Antriebs, Schaltfrequenz und Leitungslänge.  

3. Ermitteln Sie den anspruchsvollsten Betriebspunkt hinsichtlich des Leistungsbedarfs (hohes Drehmoment und hohe Drehzahl), wählen Sie die Wicklungsoption, die diesen Betrieb unter Berücksichtigung der Antriebsbeschränkungen und mit ausreichendem Spielraum bewältigen kann.  

4. Überprüfen Sie den erforderlichen Strom an jedem Drehmomentpunkt unter Verwendung der Drehmomentkonstante Kt aus dem Datenblatt und der angegebenen Stromkonvention, wobei ein Puffer für Verluste einzuplanen ist.  

5. Überprüfen Sie den Spannungsbedarf bei maximaler Drehzahl unter Berücksichtigung von Ke, Heißwiderstand, Induktivität, Leitungsspannungsabfall und ausreichendem Regelspielraum.  

Ein nützlicher Ausgangspunkt ist die Wahl der Wicklung mit dem höchsten Kt-Wert, die dennoch die erforderliche Maximaldrehzahl mit ausreichendem Spannungsspielraum erreicht und mit der Stromregelung des Antriebs kompatibel bleibt. Dies minimiert häufig den Systemstrom, ohne die Drehzahl unnötig einzuschränken, doch die endgültige Wahl muss auf Systemebene validiert werden.

Im Allgemeinen begünstigen Systeme mit niedriger Drehzahl oder Strombegrenzung eher mehr Windungen in Reihe und Sternschaltungen. Hochgeschwindigkeits-, Niederspannungs- oder spannungsbegrenzte Systeme bevorzugen tendenziell weniger Windungen in Reihe und Dreieckschaltungen. Zwischenkonfigurationen wie 4D oder 4Y bilden einen Kompromiss und können für dynamischere Anwendungen nützlich sein, die sowohl hohe Drehzahlen als auch eine geringe Stromaufnahme erfordern.  

Wicklungsflexibilität mit FiberPrinting™

Alvas FiberPrinting™-Technologie ermöglicht präzise, nicht schräge, eisen- und nutlose Statorwicklungen mit einem hohen Kupferfüllfaktor. Sie erlaubt es, SlimTorq™ und GearTorq™ Motoren mit verschiedenen Standard-Wicklungskonfigurationen anzubieten und unterstützt kundenspezifische Konfigurationen, wenn das Standardsortiment nicht zur Anwendung passt.

Die nutlose Architektur hält das Drehmoment über einen weiten Betriebsbereich proportional zum Strom, ohne den bei genuteten Motoren üblichen Sättigungsmechanismus der Statorzähne. Thermische, Spannungs-, Strom-, mechanische Drehzahl- und Magnettemperaturgrenzen definieren weiterhin den praktischen Betriebsbereich.  

Fazit

Unterschiedliche Wicklungskonfigurationen sind keine unterschiedlichen Leistungsklassen. Es handelt sich um unterschiedliche elektrische Eigenschaften desselben mechanischen Motors.

Die richtige Wahl ist daher nicht die Wicklungskonfiguration mit der höchsten Drehmomentkonstante oder der höchsten Katalogdrehzahl. Es ist die Wicklung, die es dem gesamten System aus Motor, Antrieb und Thermik ermöglicht, jeden erforderlichen Betriebspunkt mit ausreichendem Spielraum zu erreichen.

Entdecken SlimTorq™ und GearTorq™ Konfigurationen im Produktselektor von Alva oder analysieren Sie den gesamten Betriebsbereich in TorqStudio. Für Unterstützung bei der Wicklungs- und Antriebsauswahl kontaktieren Sie uns unter sales@alvaindustries.com oder vereinbaren Sie direkt einen Termin mit Alva hier.