Axialflussmotoren(AFMs) bieten eine außergewöhnliche Drehmomentdichte, eine kompakte Bauform und einen hohen Wirkungsgrad, wodurch sie sich ideal für Elektrofahrzeuge, Luft- und Raumfahrt, industrielle Automatisierung, Robotik und Anwendungen im Bereich erneuerbarer Energien eignen.
Ein entscheidender Konstruktionsparameter bei AFMs ist die Wicklungskonfiguration – die Anordnung der Kupferspulen um den Stator. Zwei gängige Ansätze sind:
- Verteilte Wicklung (auch bekannt als Schleifenwicklung oder verteilte Ankerwicklung)
- Konzentrierte Wicklung (auch Zahnwicklung genannt)
Die Wahl zwischen diesen Wickeltechniken hat tiefgreifende Auswirkungen auf:
- Motorwirkungsgrad
- Drehmomentwelligkeit
- Fertigungskomplexität
- Wärmemanagement
- Kosten und Gewicht
Axialflussmotorwicklung
In einem Axialflussmotor:
Der Stator enthält Spulen, die beim Anlegen einer Spannung ein magnetisches Wechselfeld erzeugen.
Permanentmagnete am Rotor interagieren mit dem Magnetfeld, um ein Drehmoment zu erzeugen.
Im Gegensatz zu Radialflussmotoren zeichnen sich Axialflussmotoren durch eine flache, scheibenförmige Bauweise aus, bei der die Spulenanordnung für einen axial fließenden Magnetfluss optimiert ist. Die Wicklungskonfiguration bestimmt:
- Schlitzfüllfaktor (wie effizient Kupfer den Schlitzraum ausnutzt)
- Induktivität und Widerstand der Spulen
- Magnetische Flussverteilung
- Wärmeableitungseffizienz
Verteilte Wicklung in Axialflussmotoren
Definition
Bei verteilten Wicklungen sind die Spulen pro Pol und Phase über mehrere Statornuten verteilt. Jede Phasenwicklung erstreckt sich über mehrere Nuten, wodurch sich die Spulenseiten überlappen.
Beispiel: Bei einem 12-Nut-Motor mit 10 Polen kann sich eine Phasenwicklung wellenförmig über mehrere Nuten erstrecken.
Eigenschaften
- Erzeugt eine sinusförmige magnetomotorische Kraft (MMK)-Verteilung und reduziert so den Oberwellengehalt.
- Höherer Kupferverbrauch im Vergleich zur konzentrierten Wicklung.
- Komplexere Spuleneinführung und Wickelkopfkonstruktion.
Vorteile
- Geringe harmonische Verzerrung → minimiert Wirbelstromverluste in den Rotormagneten
- Geringere Drehmomentwelligkeit → ruhigerer Betrieb.
- Bessere Effizienz bei hohen Drehzahlen durch reduzierte Kernverluste aufgrund von Oberschwingungen.
Nachteile
- Längere Endwicklungen → höhere Kupferverluste (I²R-Verluste).
- Schwerer und voluminöser aufgrund des höheren Kupferanteils.
- Komplexerer Fertigungs- und Wicklungseinführungsprozess.
Konzentrierte Wicklung in Axialflussmotoren
Definition
Bei der konzentrierten Wicklung wird jede Spule um einen einzelnen Zahn oder Statorpol gewickelt. Die Spulenseiten sind auf einen Zahn konzentriert, anstatt auf mehrere verteilt zu sein.
Beispiel: Bei einem 12-Nut-Motor mit 10 Polen trägt jeder Zahn eine vollständige Spule.
Eigenschaften
- Erzeugt eine eher trapezförmige MMF-Wellenform, wodurch der Oberwellengehalt erhöht wird.
- Kürzere Endwicklungen reduzieren die Kupferlänge und das Gewicht.
- Einfachere Fertigung und einfacherer Spulenaustausch.
Vorteile
- Höherer Schlitzfüllfaktor → bessere Wärmeableitung und kompaktere Bauweise.
- Geringerer Kupferverbrauch → reduzierter Widerstand, geringere I²R-Verluste.
- Einfacherer Wickelprozess → geeignet für die automatisierte Fertigung.
Nachteile
- Höheres Drehmomentwelligkeit aufgrund von Oberschwingungskomponenten.
- Höhere Wechselstrom-Kupferverluste bei hohen Drehzahlen aufgrund erhöhter Oberwellenströme.
- Erfordert zusätzliche Konstruktionsmaßnahmen zur Kontrolle von Wirbelstromverlusten in Magneten.
Wichtigste Leistungskennzahlen: Verteilt vs. Konzentriert
Tabelle 1: Vergleich von verteilter und konzentrierter Wicklung in Axialflussmotoren
| Parameter | Verteilte Wicklung | Konzentrierte Wicklung |
| MMF-Wellenform | Sinusförmig (niedrige Harmonische) | Trapezförmig (hohe Harmonische) |
| Drehmomentwelligkeit | Niedrig | Höher |
| Kupferverwendung | Höher (längere Endwicklungen) | Niedrigere (kürzere Endwicklungen) |
| Slot-Füllfaktor | Medium | Hoch |
| Effizienz bei hoher Geschwindigkeit | Höher | Niedriger (aufgrund von Wechselstromverlusten) |
| Fertigungskomplexität | Hoch | Niedrig |
| Gewicht | Höher | Untere |
| Wärmemanagement | Anspruchsvoller (dichte Windungen) | Einfacher (kompakte Spirale auf einem einzelnen Zahn) |
| Kosten | Höher | Untere |
Elektromagnetische Auswirkungen der Wicklungswahl
Oberschwingungen und Verluste
Die verteilte Wicklung minimiert die Nutoberwellen und reduziert so Eisen- und Wirbelstromverluste in den Rotormagneten.
Eine konzentrierte Wicklung erhöht den Oberwellengehalt, was zu höheren Wirbelströmen führt, insbesondere bei oberflächenmontierten Permanentmagneten.
Effizienztrends
Testdaten für einen 5-kW-Axialfluss-Prototyp:
| Wicklungsart | Maximaler Wirkungsgrad (%) | Drehmomentwelligkeit (%) | Kupferverlust (W) | Kernverlust (W) |
| Verteilt | 95,2 | 2,5 | 140 | 60 |
| Konzentriert | 94.1 | 5.8 | 110 | 85 |
Überlegungen zum Wärmemanagement
Verteilte Wicklung
Mehr Kupfer pro Nut → höhere thermische Masse, aber längere Endwicklungen können schwieriger zu kühlen sein.
Erfordert eine fortschrittliche Kühlung: Zwangsluft- oder Flüssigkeitskühlkanäle im Stator.
Konzentrierte Wicklung
Kürzere Endwicklungen und kompakte Spulen ermöglichen eine direktere Kühlung.
Einfacher zu integrierende Direktwicklungskühlsysteme (DWC).
Auswirkungen auf Fertigung und Kosten
Verteilte Wicklung
Aufgrund der überlappenden Spulenanordnung ist der Arbeitsaufwand höher.
Ideal für Kleinserien, bei denen die Leistung Vorrang vor den Kosten hat.
Konzentrierte Wicklung
Mit vorgeformten Spulen lässt sich die Automatisierung leichter durchführen.
Bevorzugt wird es bei Massenproduktionsanwendungen wie elektrischen Zweirädern, Drohnen und einigen EV-Motoren eingesetzt.
Anwendungsspezifische Empfehlungen
| Anwendung | Empfohlene Wicklung | Grund |
| Hochleistungs-Elektroantrieb | Verteilt | Hoher Wirkungsgrad, geringes Drehmomentwelligkeit |
| Leichte Elektrofahrzeuge (E-Bikes) | Konzentriert | Kostengünstig, kompakt, einfach herzustellen |
| Aktuatoren für die Luft- und Raumfahrt | Verteilt | Präzise Bewegung, geringes Geräusch |
| Drohnen und unbemannte Luftfahrzeuge | Konzentriert | Leichtbauweise, hohes Drehmoment-Gewichts-Verhältnis |
| Industrielle Automatisierung | Verteilt | Gleichmäßige Bewegung, reduzierte mechanische Vibrationen |
| Tragbare Werkzeuge | Konzentriert | Kostengünstige, vereinfachte Fertigung |
Strategien zur Designoptimierung
Für verteilte Wicklung:
- Um das Drehmomentwelligkeit weiter zu minimieren, kann eine Wicklung mit Bruchnuten verwendet werden.
- Durch den Einsatz schräger Schlitze lässt sich das Rastmoment reduzieren.
- Optimieren Sie die Wicklungsform, um Kupferverluste zu reduzieren.
Für konzentrierte Wicklung:
- Durch die Anwendung von Magnetsegmentierung lassen sich Wirbelstromverluste durch Oberschwingungen reduzieren.
- Verwenden Sie Magnetmaterialien mit hohem spezifischem Widerstand (z. B. NdFeB mit Dy-Zusätzen).
- Durch den Einsatz von konzentrierten Wicklungen mit Bruchnutenzahl (FSCW) lässt sich ein Gleichgewicht zwischen Oberwellenunterdrückung und Kompaktheit herstellen.
Fallstudie: Axialflussmotor für Elektrofahrzeuge
Motordaten:
- Leistung: 100 kW
- Durchmesser: 320 mm
- Kühlung: Flüssigkeit
Auslegung verteilter Wicklungen:
- Wirkungsgrad: 96,2 % Spitzenwert
- Drehmomentwelligkeit: 1,8 %
- Herstellungskostenindex: 1,4
Konzentrierte Wicklungskonstruktion:
- Wirkungsgrad: 94,9 % des Spitzenwerts
- Drehmomentwelligkeit: 4,5 %
- Herstellungskostenindex: 1,0
Bei Premium-Elektrofahrzeugen wird die verteilte Wicklung aufgrund ihrer Laufruhe und Effizienz gewählt. Bei Budget-Elektrofahrzeugen bietet die konzentrierte Wicklung eine wettbewerbsfähige Leistung zu geringeren Kosten.
Die Wahl zwischen verteilter und konzentrierter Wicklung bei Axialflussmotoren hängt von Leistungsprioritäten, Kostenbeschränkungen und Anwendungsanforderungen ab:
Verteilte Wicklung: Am besten geeignet für Anwendungen, die einen hohen Wirkungsgrad, geringe Drehmomentwelligkeit und einen reibungslosen Betrieb erfordern, allerdings bei höheren Herstellungskosten.
Konzentrierte Wicklung: Ideal für kostensensible, leichte und kompakte Konstruktionen, insbesondere in der Massenproduktion.
Zukünftige Innovationen – wie die verteilte Wicklung mit Bruchnuten und segmentierte Magnetkonstruktionen – tragen dazu bei, Leistungslücken zu schließen und ermöglichen es den Ingenieuren, die Wicklungskonfigurationen präziser auf die Anwendungsanforderungen abzustimmen.
