Einer der wichtigsten Faktoren, die die Leistung eines Motors bestimmen, ist die „Wicklung“. Bei der Wicklung handelt es sich um Leitungsdrähte wie Kupfer- oder Aluminiumdraht, die zu einer Spule gewickelt sind. Sie erzeugt durch den Durchfluss von Strom ein Magnetfeld und ist somit das Herzstück des Motors, das durch die Wechselwirkung mit anderen Magnetfeldern (z. B. von Permanentmagneten oder anderen Wicklungen) die Drehkraft des Motors erzeugt.Bei Motoren, die in einem breiten Spektrum von Bereichen eingesetzt werden – von Industriemotoren über medizinische Geräte bis hin zu optischen und Sicherheitsgeräten –, stehen Material, Art, Wicklungsweise und Konstruktion der Wicklung in direktem Zusammenhang mit der Leistung, dem Wirkungsgrad, der Lebensdauer und der Zuverlässigkeit.
In diesem Artikel werden die Grundlagen der Motorwicklungen systematisch erläutert – von den Grundprinzipien über die verschiedenen Materialarten, Herstellungsverfahren und Auswahlkriterien je nach Anwendungsbereich bis hin zur Messung und Kontrolle des Widerstandswerts sowie zu den wichtigsten Aspekten der Konstruktionsoptimierung –, die B2B-Ingenieure kennen sollten.Für Ingenieure, die im Bereich der Motorkonstruktion und Produktentwicklung tätig sind, ist das Verständnis der Wicklungstechnik von entscheidender Bedeutung für die Auswahl des optimalen Motors und die Maximierung der Leistung.
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Grundkenntnisse über Motorwicklungen und die verschiedenen Materialarten
Die Motorwicklung besteht aus mit einer Isolierhülle ummantelten Leitern, die zu einer Spule gewickelt sind; durch den Stromfluss wird ein Magnetfeld erzeugt, und durch die Wechselwirkung dieses Magnetfeldes entsteht die Drehkraft des Motors.
Inhalt dieses Abschnitts
- Die drei Funktionen der Wicklung im Motor
- Leistungsvergleich zwischen Kupfer- und Aluminiumwicklungen
- Arten von Isolationsbeschichtungen und Auswahlkriterien
Die Wicklungen werden am Stator oder am Rotor angebracht, wobei die Verfahren je nach Motortyp sehr unterschiedlich sind.Als Leitermaterialien kommen Kupfer- und Aluminiumdrähte zum Einsatz, während als Isolierbeschichtungen unter anderem Polyurethan, Polyester und Polyesterimid verwendet werden. Die Kombination dieser Materialien mit den Isolierbeschichtungen bestimmt die Leistung und Zuverlässigkeit des Motors.
Die drei Funktionen der Wicklung in einem Motor
Die Wicklung erfüllt in einem Motor die folgenden drei wichtigen Funktionen.
[Die drei Funktionen der Wicklung]
- Durch das Fließenlassen von Strom wird ein Magnetfeld erzeugt
- Durch die Steuerung der Stärke und Verteilung des Magnetfelds werden Drehmoment und Drehzahl bestimmt
- Die entstehende Wärme (Kupferverluste) angemessen ableiten
Da sich die Stärke des Magnetfelds je nach Anzahl und Anordnung der Windungen ändert, handelt es sich hierbei um den wichtigsten Faktor, der die Leistung des Motors bestimmt. Wenn beispielsweise die Anzahl der Windungen erhöht wird, wird das Magnetfeld stärker und das Drehmoment steigt, gleichzeitig erhöht sich jedoch auch der Widerstand. Zudem lassen sich die Leistungseigenschaften anhand des Drahtquerschnittswerts (Quadrat des Drahtdurchmessers × Anzahl der Windungen) anpassen.Bei medizinischen Geräten und optischen Geräten steht die Genauigkeit dieser Wicklungsauslegung in direktem Zusammenhang mit der Zuverlässigkeit des Produkts.
Leistungsvergleich zwischen Kupfer- und Aluminiumwicklungen
Die Auswahl des Wicklungsmaterials hängt vom Einsatzzweck des Motors und den geforderten Leistungsmerkmalen ab. Nachstehend sind die wichtigsten Eigenschaften von Kupfer- und Aluminiumwicklungen aufgeführt.
| Punkt | Kupferwicklungen | Aluminiumwicklungen |
| Elektrische Leitfähigkeit | hoch (spezifischer Widerstand 1,68 × 10⁻⁸ Ω·m) | Etwa 60 % derjenigen von Kupfer |
| Spezifisches Gewicht | 8,9 | 2,7 (geringes Gewicht) |
| Kosten | hoch | Niedrig |
| Hauptanwendungsbereiche | Kompakte Hochleistungsmotoren | Große Motoren und Motoren für den Automobilbereich |
Arten von Isolierbeschichtungen und Auswahlkriterien
Bei der Auswahl der Isolierbeschichtung ist die Temperatur der Einsatzumgebung von entscheidender Bedeutung. Nachfolgend sind die wichtigsten Eigenschaften der Isolierbeschichtungen aufgeführt.
| Arten von Beschichtungen | Hitzebeständigkeit | Hitzebeständigkeitsklasse | Hauptmerkmale und Anwendungsbereiche |
| Polyurethan (UEW) | 120 °C | Klasse E | Direkt lötbar, geeignet für Kleinmotoren |
| Polyester (PEW) | 155 °C | Klasse F | Wird häufig in Allzweckmotoren verwendet |
| Polyesterimid (EIW) | 180 °C | Klasse H | Es zeichnet sich durch hervorragende Hitzebeständigkeit aus und wird in hitzebeständigen Allzweckmotoren eingesetzt. |
Polyurethan-Drähte lassen sich direkt verlöten und eignen sich für Kleinmotoren, sind jedoch für Umgebungen mit hohen Temperaturen ungeeignet.Polyester-Drähte werden häufig in Allzweckmotoren eingesetzt und weisen ausgewogene Eigenschaften auf. Polyesterimid-Drähte zeichnen sich durch eine hervorragende Hitzebeständigkeit aus und bieten auch bei langem Dauerbetrieb eine stabile Leistung. Die Auswahl der für die jeweilige Anwendung geeigneten Isolierhülle ist ein entscheidendes Kriterium, das die Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Motors maßgeblich beeinflusst.
Herstellungsverfahren für Motorwicklungen und deren Auswahl je nach Anwendungszweck
Bei der Herstellung von Motorwicklungen gibt es verschiedene Wicklungsarten und Fertigungsverfahren, weshalb bei der Auswahl ein Verständnis der jeweiligen Eigenschaften erforderlich ist.
Inhalt dieses Abschnitts
- Vergleich der Eigenschaften von verteilter, konzentrierter und kernloser Wicklung
- Unterscheidung zwischen Spindelverfahren, Flyer-Verfahren und Düsenwickelverfahren
- Anforderungen an Wicklungen für medizinische Geräte, optische Geräte und Sicherheitsgeräte
Im Folgenden werden verschiedene Wickelverfahren, wie beispielsweise die Verteilungs- und die Konzentrationswicklung, sowie Herstellungsverfahren wie das Spindel- und das Flyer-Verfahren auf leicht verständliche Weise erläutert.
Vergleich der Eigenschaften von verteilter, konzentrierter und kernloser Wicklung
Die Leistungseigenschaften eines Motors hängen in hohem Maße von der Art der Wicklung ab. Nachfolgend sind die Eigenschaften der drei wichtigsten Wicklungsarten aufgeführt.
| Wicklungsverfahren | Merkmale | Vorteile | Hauptanwendungsbereiche |
| Verteilungswicklung | Verteilung der Wicklungen auf mehrere Schlitze | Gleichmäßiges Magnetfeld Geringe Drehmomentschwankungen Reduzierung von Vibrationen und Geräuschen | Große Industriemotoren Medizinische Geräte |
| Konzentrierte Wicklung | Konzentration der Wicklung auf einen einzelnen Drähte | Hohe Produktionseffizienz Geringer Kupferdrahtverbrauch Kosteneinsparungen | Motoren für Kraftfahrzeuge Kleinmotoren |
| Kernlose Wicklung | Konstruktion ohne Eisenkern | Kein Rastmoment Schnelle Ansprechzeit Gleichmäßige Drehbewegung | Medizinische Geräte Optische Geräte Präzisionsgeräte |
Bei der verteilten Wicklung wird der Wickeldraht auf mehrere Schlitze (Nuten des Eisenkerns) verteilt, wodurch ein gleichmäßiges Magnetfeld entsteht; dies führt zu geringeren Drehmomentschwankungen und trägt wirksam zur Unterdrückung von Vibrationen und Geräuschen bei.Bei der konzentrierten Wicklung hingegen wird der Draht auf einen einzigen Zahn (eine Erhebung des Eisenkerns) konzentriert. Diese Konstruktion vereinfacht den Wickelprozess, sorgt für eine hohe Produktionseffizienz und ermöglicht Kosteneinsparungen, da weniger Kupferdraht benötigt wird.Die kernlose Wicklung ohne Eisenkern verursacht nahezu kein Ruckeln und ermöglicht einen gleichmäßigen Lauf; sie zeichnet sich durch ein geringes Trägheitsmoment und eine hervorragende Reaktionsgeschwindigkeit aus. Aufgrund dieser Eigenschaften eignen sich die kernlosen Motoren von C.I. Takiron besonders für Präzisionsanwendungen wie medizinische Geräte und optische Geräte.
Unterscheidung zwischen Spindelverfahren, Flyer-Verfahren und Düsenwicklung
Die Wahl des Herstellungsverfahrens hängt von der Form der Spule, der Produktionsmenge und den Genauigkeitsanforderungen ab.
[Wichtigste Herstellungsverfahren]
- Spindelverfahren: Aufwickeln von Kupferdraht auf eine sich schnell drehende Spindel
- Flyer-System: Der Flyer (Arm) dreht sich um einen feststehenden Kern
- Düsenspulen: Präzise Wicklung mit Spezialmaschinen
Beim Spindelverfahren wird Kupferdraht auf eine sich schnell drehende Welle gewickelt; dieses Verfahren eignet sich für die hocheffiziente Massenproduktion. Das Flyer-Verfahren, bei dem sich der Flyer (Arm) um einen feststehenden Kern dreht, ermöglicht die Herstellung komplexer Formen und Spulen mit großem Durchmesser und wird hauptsächlich für die Rotorwicklungen von Kommutatormotoren verwendet.
Darüber hinaus ist das Düsenwickeln, bei dem die präzise Wicklung mit Spezialmaschinen erfolgt, eine führende Option für medizinische Geräte und optische Geräte, die eine hohe Genauigkeit erfordern. Die Lackierung nach dem Wickeln verhindert nicht nur Verformungen durch Vibrationen und Hitze, sondern trägt auch zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit und der Isolationseigenschaften bei.
Anforderungen an Wicklungen für medizinische Geräte, optische Geräte und Sicherheitsgeräte
Durch das Verständnis der anwendungsspezifischen Anforderungen an die Wicklung lässt sich der optimale Motor auswählen. Nachfolgend sind die Anforderungen für die wichtigsten Anwendungsbereiche aufgeführt.
| Bereich | Erforderliche Leistungsmerkmale | Technische Anforderungen | Lösungen von C.I. Takiron |
| Medizinische Geräte | Hochpräzise Steuerung | – vibrations- und geräuscharm, lange Lebensdauer | Reibungsloser Lauf durch kernlose Motoren |
| Optische Geräte | Schneller Autofokus Bildstabilisator | Schnelle Reaktionszeit (im Millisekundenbereich) Positioniergenauigkeit (im Mikrometerbereich) | Präzise Steuerung durch einen reaktionsschnellen kernlosen Motor |
| Sicherheitsgeräte | Batteriebetrieb Lange Lebensdauer | Niederspannungsbetrieb (1,0 V bis 3,0 V) Energiesparend | Modelle, die bereits bei mindestens 1,0 V betrieben werden können, sind erhältlich |
Bei medizinischen Geräten werden ein nahezu koggingfreies, gleichmäßiges Laufverhalten, eine hochpräzise Drehzahlregelung, geringe Vibrationen und Geräuschentwicklung sowie eine lange Lebensdauer gefordert. Bei optischen Geräten sind eine schnelle Ansprechzeit und hohe Positioniergenauigkeit für den Autofokus von Kameras sowie den Antrieb von Objektiven erforderlich.Bei Sicherheitsgeräten sind ein Betrieb mit niedriger Spannung (1,0 V bis 3,0 V) und eine lange Lebensdauer (Reduzierung der Batteriewechselhäufigkeit) von entscheidender Bedeutung. Die Mikromotoren von C.I. Takiron umfassen Modelle, die bereits ab 1,0 V betrieben werden können, und bieten somit die optimale Lösung für die Anforderungen der jeweiligen Anwendungsbereiche.
Widerstandsmessung an Motorwicklungen und Optimierung der Konstruktion
Der Widerstand der Motorwicklungen ist der wichtigste Indikator für die Leistung und Qualität eines Motors.
Inhalt dieses Abschnitts
- Berechnungsformeln und Messverfahren für den Wicklungswiderstand
- Änderungen des Widerstandswerts aufgrund von Temperaturanstieg und thermische Auslegung
- Optimierung der Wicklungsauslegung je nach Anwendungszweck und maßgeschneiderte Lösungen
Der Wicklungswiderstand hängt von der Länge der Wicklung, dem Drahtdurchmesser und dem spezifischen elektrischen Widerstand des Materials ab und wirkt sich unmittelbar auf den Strom, das Drehmoment, die Wärmeentwicklung und den Wirkungsgrad des Motors aus. Im Herstellungsprozess werden Durchgangsprüfungen und Widerstandsmessungen durchgeführt, wobei die zulässigen Toleranzen anhand der Produktspezifikationen, Normen und Herstellerstandards festgelegt werden.Als Richtwert wird der Widerstandswert in manchen Fällen auf ±10 % geregelt. Da der Widerstand eines Kupferdrahtes bei einem Temperaturanstieg um 10 °C um etwa 4 % zunimmt, ist zudem eine geeignete Kühlkonstruktion erforderlich. Bei der Konstruktion werden Wicklungsmaterial, Windungszahl, Drahtdurchmesser, Wicklungsart, Isolierbeschichtung und Wärmemanagement entsprechend dem jeweiligen Anwendungszweck umfassend optimiert.
Berechnungsformeln und Messverfahren für den Wicklungswiderstand
Ein genaues Verständnis und die präzise Messung des Wicklungswiderstands sind für die Qualitätssicherung von Motoren unverzichtbar. Der Wicklungswiderstand R wird anhand der folgenden Formel berechnet.
[Berechnungsformel für den Wicklungswiderstand]
R = ρ × L / A
ρ: Elektrischer spezifischer Widerstand des Materials (Ω·m)
L: Länge der Leitung (m)
A: Querschnittsfläche der Leitung (m²)
Wenn die Windungszahl erhöht wird, nimmt die Wicklungslänge L zu, wodurch sich der Widerstand erhöht; wird hingegen der Drahtdurchmesser vergrößert, nimmt der Querschnitt A zu, wodurch sich der Widerstand verringert. Vergleicht man beispielsweise Kupferdrähte mit einem Durchmesser von 0,1 mm und 0,2 mm bei gleicher Windungszahl, so ergibt sich rechnerisch, dass der Widerstand des letzteren, dessen Querschnitt viermal so groß ist, auf etwa ein Viertel sinkt.
Nach Fertigstellung der Wicklung wird der Widerstandswert mit einem Digitalmultimeter oder einem Milliohmmeter gemessen, um die Übereinstimmung mit den Auslegungswerten zu überprüfen. Darüber hinaus ist die Prüfung der Isolationsfestigkeit mittels einer Spannungsfestigkeitsprüfung ein unverzichtbarer Schritt im Rahmen der Qualitätssicherung. Bei C.I. Takiron gewährleisten wir unter strenger Qualitätskontrolle eine hohe Zuverlässigkeit.
Änderungen des Widerstandswerts aufgrund von Temperaturanstieg und thermische Auslegung
Der Temperaturanstieg während des Motorbetriebs hat erhebliche Auswirkungen auf die Leistung und die Lebensdauer. Der Widerstand von Kupferdraht weist einen Temperaturkoeffizienten von 0,004/°C auf, sodass der Widerstand bei einem Temperaturanstieg um 10 °C um etwa 4 % zunimmt.
| Temperatur (°C) | Änderungsrate des Widerstandswerts | Auswirkungen auf den Wirkungsgrad |
| 25 °C (Bezugswert) | 100 % | Bezugswert |
| 50 °C | ca. 110 % | Anstieg der Kupferverluste (I²R) um ca. 10 % |
| 75 °C | ca. 120 % | Anstieg der Kupferverluste (I²R) um ca. 20 % |
| 100 °C | ca. 130 % | Anstieg der Kupferverluste (I²R) um ca. 30 % |
Da sich der Grad des Effizienzverlusts nach dem Anteil der Kupferverluste an den Gesamtverlusten richtet, dient die obige Tabelle als Richtwert für den Anstieg der Kupferverluste.Während des Motorbetriebs entstehen durch den Stromfluss in der Wicklung Kupferverluste, die zu Wärmeentwicklung führen; durch den Temperaturanstieg erhöht sich der Widerstand, wodurch der Wirkungsgrad sinkt. In Umgebungen mit hohen Temperaturen oder bei Betrieb unter hoher Last ist die Auswahl einer Isolationsschicht aus materialien mit hervorragender Hitzebeständigkeit, wie beispielsweise Polyesterimid-Draht, sowie ein Kühlkonzept mit Kühlrippen oder Lüfterkühlung unerlässlich.Zudem werden die Wicklungen durch eine Lackierung fixiert, um Verformungen durch Wärmeausdehnung zu verhindern*. Da sich die Lebensdauer bei einem Temperaturrückgang um 10 °C etwa verdoppelt, trägt eine angemessene thermische Auslegung unmittelbar zur Verlängerung der Lebensdauer des Motors bei.
*Bei einigen unserer Produkte wenden wir das Verfahren der Fixierung an.
Optimierung der Wicklungskonstruktion je nach Anwendungszweck und maßgeschneiderte Lösungen
Durch die Optimierung der Wicklungskonstruktion entsprechend dem jeweiligen Einsatzzweck lässt sich die Leistung des Motors voll ausschöpfen. Nachfolgend finden Sie die Konstruktionsrichtlinien für die wichtigsten Anwendungsbereiche.
| Verwendungszweck | Wicklungsverfahren | Entwicklung des Drahtdurchmessers | Entwicklung der Windungszahl | Konstruktionsziele |
| mit hohem Drehmoment (Industriewerkzeuge) | DC-Motoren mit Bürsten (überlappende Wicklung, wellenförmige Wicklung) sowie bürstenlose DC-Motoren mit konzentrierter Wicklung sind die gängigsten Typen | Die Auswahl der Leitungsquerschnitte erfolgt entsprechend der zulässigen Stromstärke | Tendenz zur Erhöhung der Windungszahl, um die Kt (Drehmomentkonstante) zu steigern | Maximierung der magnetischen Flussdichte – Ausgleich zwischen Kupferverlusten und Wärmeentwicklung |
| Hochgeschwindigkeitsrotation (Präzisionsgeräte) | Häufig mit konzentrischer Wicklung | Zur Unterdrückung des Skin-Effekts werden dünne Drähte oder Parallelwicklungen gewählt | Tendenz zur Verringerung der Windungszahl, um die Ke-Konstante ( Gegen-EMK-Konstante ) zu senken | Verringerung der elektrischen Zeitkonstante |
| Hochpräzise Steuerung „ “ (Medizin und Optik) | Kernlose Wicklungen | Auswahl unter Berücksichtigung der mechanischen Festigkeit der Spule | Flexible Auslegung dank geringer Induktivität | Vermeidung von Rastmomenten – gleichmäßiger Lauf |
Bei Anwendungen mit hohem Drehmoment, wie beispielsweise bei Industriewerkzeugen, wird die magnetische Flussdichte durch einen größeren Drahtdurchmesser und eine höhere Windungszahl erhöht. Bei Anwendungen mit hohen Drehzahlen, wie beispielsweise bei Präzisionsgeräten, ist hingegen eine Konstruktion üblich, bei der die Windungszahl begrenzt wird, um die Gegen-EMK zu verringern.Bei medizinischen und optischen Geräten werden vorrangig kernlose Wicklungen ohne Kogging verwendet, um eine hochpräzise Steuerung zu gewährleisten. Bei C.I. Takiron erfassen wir die spezifischen Anforderungen jedes Anwendungsbereichs detailliert und bieten umfassende Unterstützung von der Prototypenfertigung in kleinen Losgrößen bis hin zur Serienproduktion. Unsere technischen Ansprechpartner stehen Ihnen direkt zur Verfügung und können Ihnen die optimale Lösung für Ihre Herausforderungen vorschlagen.
Zusammenfassung
Die Motorwicklung ist das Herzstück, das durch die Erzeugung eines Magnetfelds mittels elektrischen Stroms und dessen Wechselwirkung ein Drehmoment erzeugt. Als Materialien kommen Kupfer- und Aluminiumdrähte zum Einsatz, wobei sich die Hitzebeständigkeit je nach Art der Isolierbeschichtung unterscheidet.Es gibt eine Vielzahl von Möglichkeiten hinsichtlich der Wicklungsarten und Herstellungsverfahren, sodass eine auf den jeweiligen Anwendungszweck abgestimmte Auswahl erforderlich ist. Je nach Anwendungsbereich sind bestimmte Anforderungen von entscheidender Bedeutung, wie beispielsweise eine hochpräzise Steuerung und Kogging-Freiheit bei medizinischen Geräten oder eine schnelle Ansprechzeit bei optischen Geräten. Auch die Steuerung des Wicklungswiderstands und die thermische Auslegung beeinflussen die Leistung und Zuverlässigkeit.
C.I. Takiron bietet hochpräzise Mikromotoren unter Einsatz der kernlosen Wicklungstechnologie an, die durch eine strenge Qualitätskontrolle und eine auf die jeweiligen Anforderungen zugeschnittene Anpassung gekennzeichnet sind.
Produktinformationen und Kontakt
Ausführliche Informationen zu den Mikromotoren von C.I. Takiron finden Sie auf der folgenden Website.
- Produktseite: https://cik-ele.com/
- Kernlose Motoren: https://cik-ele.com/products/list/coreless_motor/
- Bürstenloser Motor: https://cik-ele.com/products/list/brushless_motor/
- Getriebemotoren: https://cik-ele.com/products/list/gearhead/
- Encoder: https://cik-ele.com/products/list/encoder/
Sollten Sie bei der Auswahl kleiner Motoren für Ihre Produktentwicklung auf Schwierigkeiten stoßen, können Sie sich gerne über das Kontaktformular an uns wenden. Unsere technischen Berater werden sich mit Ihnen über den Einsatzzweck und die Anforderungen beraten und Ihnen die optimale Lösung vorschlagen.
- Kontakt: https://cik-ele.com/contact/
