Unterschied zwischen Lap- und Wellenumwicklung

Die Verschaltung isolierter Leiter, die in den Nuten eines Armaturens befinden, wird als Armaturwicklung bezeichnet. Dieses wichtige Bauteil dient als Ort, an dem die Energieumwandlung stattfindet. In einem Generator ermöglicht die Armaturwicklung die Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie. Im Gegensatz dazu ermöglicht sie in einem Elektromotor die Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie und spielt somit eine zentrale Rolle im Betrieb beider elektrischen Maschinen.

Die Armaturwicklung kann hauptsächlich in zwei verschiedene Typen unterteilt werden: Lap-Wicklung und Wellenwicklung. Einer der prominentesten Unterschiede zwischen ihnen liegt in der Verbindung des Endes der Spulen. Bei der Lap-Wicklung sind die Enden jeder Spule mit benachbarten Kommutatorsegmenten verbunden. Im Gegensatz dazu sind bei der Wellenwicklung die Enden der Armaturspulen mit Kommutatorsegmenten verbunden, die voneinander entfernt liegen.

Inhalt: Lap-Wicklung vs. Wellenwicklung

• Vergleichstabelle

• Definition

• Wesentliche Unterschiede

Vergleichstabelle

Definition der Lap-Wicklung

Bei der Lap-Wicklung sind aufeinanderfolgende Spulen so angeordnet, dass sie sich überlappen. Das Ende einer Spule ist mit einem bestimmten Kommutatorsegment verbunden, während das Anfangsende der nächsten Spule – die unter dem Einfluss eines benachbarten Magnetpols (mit entgegengesetzter Polarität) positioniert ist – ebenfalls mit demselben Kommutatorsegment verbunden wird. Diese Konfiguration schafft eine parallele Pfadstruktur, wobei die Verbindung jeder Spule "zurücklaps" zum benachbarten Segment, daher der Name "Lap-Wicklung". Diese Anordnung ermöglicht mehrere parallele Strompfade, was sie für Anwendungen geeignet macht, die eine hohe Stromkapazität und einen niedrigen Spannungsabfall erfordern.

Konfiguration der Lap-Wicklung

Bei der Lap-Wicklung sind die Leiter so miteinander verbunden, dass die Anzahl der parallelen Pfade (a) der Anzahl der Pole (P) der Maschine entspricht. Für eine Maschine mit P Polen und Z Armaturleitern gibt es P parallele Pfade, wobei jeder Pfad Z/P Leiter in Serie enthält. Die Anzahl der benötigten Bürsten entspricht der Anzahl der parallelen Pfade, wobei die Hälfte der Bürsten als positive Pole und die andere Hälfte als negative Pole dient.

Die Lap-Wicklung wird weiter in zwei Subtypen unterteilt:

• Einfache Lap-Wicklung: Zeichnet sich durch a = P aus, was bedeutet, dass die Anzahl der parallelen Pfade gleich der Anzahl der Pole ist.

• Doppelte Lap-Wicklung: Geprägt durch a = 2P, wobei die Anzahl der parallelen Pfade doppelt so hoch ist wie die Anzahl der Pole.

Definition der Wellenwicklung

Bei der Wellenwicklung ist ein Ende einer Spule mit dem Anfangsende einer anderen Spule verbunden, die die gleiche magnetische Polarität teilt. Diese Anordnung bildet ein stetiges, wellenförmiges Muster, wodurch die Wicklung ihren Namen erhält. Die Leiter in der Wellenwicklung sind in zwei parallele Pfade geteilt, wobei jeder Pfad Z/2 Leiter in Serie enthält. Daher erfordert die Wellenwicklung nur zwei Bürsten – eine positive und eine negative – um mit den beiden parallelen Pfaden übereinzustimmen.

Diese Konfiguration macht die Wellenwicklung besonders für Hochspannungs-, Niedrigstromanwendungen geeignet, da die Serienverbindung der Leiter die gesamte induzierte Spannung erhöht, während der Strom durch die parallelen Pfade beherrschbar bleibt.

Wesentliche Unterschiede zwischen Lap- und Wellenwicklung

Spulen-Anordnung

Bei der Lap-Wicklung sind die Spulen so konfiguriert, dass jede Spule auf die nächste zurücklaps, wodurch ein überlappendes Muster entsteht. Hingegen hat die Wellenwicklung Spulen, die in einem wellenförmigen Muster verbunden sind, was ihr ein einzigartiges und kontinuierliches Aussehen verleiht.

Kommutator-Verbindung

Bei der Lap-Wicklung sind die Enden der Armaturspulen mit benachbarten Kommutatorsegmenten verbunden. Im Gegensatz dazu sind bei der Wellenwicklung die Enden der Armaturspulen mit Kommutatorsegmenten verbunden, die voneinander entfernt liegen, was zu einem anderen elektrischen Verbindungs-Muster führt.

Anzahl der parallelen Pfade

Die Lap-Wicklung hat die Anzahl der parallelen Pfade gleich der Gesamtanzahl der Pole der Maschine. Zum Beispiel, wenn eine Maschine P Pole hat, gibt es P parallele Pfade. Bei der Wellenwicklung beträgt die Anzahl der parallelen Pfade unabhängig von der Anzahl der Pole immer zwei.

Verbindungstyp

Die Lap-Wicklung wird oft als Parallelschaltung bezeichnet, da die Spulen parallel verbunden sind, was mehrere Strompfade ermöglicht. Im Gegensatz dazu sind bei der Wellenwicklung die Spulen in Serie verbunden, wodurch sie den Namen Reihenschaltung trägt. Dieser Unterschied im Verbindungstyp beeinflusst signifikant die elektrischen Eigenschaften der beiden Wicklungsarten.

Elektromotorische Kraft (emk)

Die emk, die in der Lap-Wicklung erzeugt wird, ist im Allgemeinen geringer als die der Wellenwicklung. Dies ist das direkte Ergebnis der unterschiedlichen elektrischen Konfigurationen und der Anzahl der seriell verbundenen Leiter in jeder Wicklungsart.

Zusätzliche Komponenten erforderlich

Für die Lap-Wicklung werden oft Ausgleicher benötigt, um eine bessere Kommutation zu ermöglichen, was der Prozess der Umwandlung des in den Spulen induzierten Wechselstroms (AC) in Gleichstrom (DC) am Ausgang ist. Die Wellenwicklung hingegen benötigt Dummy-Spulen, um eine mechanische Balance des Armatures zu gewährleisten und den reibungslosen Betrieb der Maschine sicherzustellen.

Anzahl der Bürsten

Die Anzahl der Bürsten bei der Lap-Wicklung entspricht der Anzahl der parallelen Pfade, was bedeutet, dass sie je nach Anzahl der Pole variieren kann. Bei der Wellenwicklung ist die Anzahl der Bürsten auf zwei festgelegt, was den beiden parallelen Pfaden entspricht.

Effizienz

Die Wellenwicklung zeigt im Allgemeinen eine höhere Effizienz im Vergleich zur Lap-Wicklung. Dies ist auf Faktoren wie geringere elektrische Verluste und optimierte Stromflussmuster in den seriell verbundenen Spulen der Wellenwicklung zurückzuführen.

Sub-Typen

Die Lap-Wicklung hat Subtypen wie einfache und doppelte. Bei der einfachen Wicklung entspricht die Anzahl der parallelen Pfade der Anzahl der Pole, während bei der doppelten Wicklung die Anzahl der parallelen Pfade doppelt so hoch ist wie die Anzahl der Pole. Die Wellenwicklung hat hingegen Subtypen wie fortschreitend und rückläufig, die durch die Richtung der Spulenverbindung im wellenförmigen Muster unterschieden werden.

Kosten

Die Kosten für die Lap-Wicklung sind im Allgemeinen höher als die der Wellenwicklung. Dies liegt hauptsächlich daran, dass die Lap-Wicklung aufgrund ihrer parallelen Spulenkonfiguration und der damit verbundenen zusätzlichen Verbindungen und Komponenten mehr Leiter erfordert.

Anwendung

Die Lap-Wicklung wird häufig in Niederspannungs-, Hochstrom-Elektromaschinen verwendet, wie großen Gleichstromgeneratoren für Batterieladegeräte oder bestimmten Arten von Elektrotriebfahrzeugmotoren. Die Wellenwicklung hingegen ist besser für Hochspannungs-, Niedrigstrommaschinen geeignet, wie bestimmte Gleichstromgeneratoren, die in Energieübertragungssystemen eingesetzt werden.

Bei der Wellenwicklung werden Dummy-Spulen ausschließlich eingebaut, um eine mechanische Balance des Armatures zu gewährleisten und den reibungslosen und stabilen Betrieb der Maschine zu sichern. Im Gegensatz zu aktiven Spulen nehmen Dummy-Spulen nicht am elektrischen Kreislauf teil und sind daher nicht mit dem Kommutator verbunden oder in der Erzeugung von elektromotorischer Kraft (EMK) involviert. Ihre primäre Funktion besteht darin, eventuelle Ungleichgewichte, die durch die Wicklungsanordnung entstehen, abzugleichen, die normalerweise freie Nuten im Armaturkern hinterlassen, wenn die Anzahl der Spulen nicht exakt mit dem Polabstand übereinstimmt. Durch das Auffüllen dieser Nuten mit Dummy-Spulen wird die Rotationsymmetrie des Armatures aufrechterhalten, was Vibrationen und Verschleiß während des Betriebs minimiert.