Grundlagen-Tutorial elektrische Antriebe Wärmequellen in einem Elektromotor

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Verlustenergie in einem betriebenen Elektromotor äußert sich durch Wärmeentwicklung. Der Anwender kann in der Applikation auf die thermische Situation der Antriebslösung Einfluss nehmen.

Die Produktion läuft auf vollen Touren. Wenn die Fertigungslinie so weiterarbeitet, schafft sie den Monatsrekord. Doch dann: Bandstillstand. Ursache: Der Antrieb der Verpackungsanlage ist überhitzt. Er muss ausgetauscht werden – und das dauert. Dieses Szenario ist vermeidbar. Führen Sie sich die gesamte Kette vor Augen, von der Wärmeentstehung im elektrischen Antrieb bis hin zur Umgebungsluft, in die eine Wärmeenergie übergehen muss. Jeden einzelnen Schritt muss man kennen und gegebenenfalls verbessern. Starten wir mit den drei Hauptwärmequellen:

• Elektrischer Widerstand: Strom fließt durch die Kupferwicklungen eines Motors, durch Lötstellen und elektronische Bauteile. Je nach Motorstrom, Schaltungsauslegung und Qualität der Bauteile wird mehr oder weniger elektrische Energie in Verlustwärme umgewandelt.

• Wirbelströme/Ummagnetisierungsverluste: Durch ständiges Ummagnetisieren des verwendeten Motor-Blechs bzw. durch Wirbelströme wird elektrische Energie und Rotationsenergie in Wärmeenergie umgesetzt.

• Reibungsverluste: Abrollende Kugellager und Zahnräder sowie Schmierstoffe erzeugen Reibungsverluste. Ein Teil der Bewegungsenergie geht verloren und in Wärmeenergie umgesetzt.

Ein Einwand könnte jetzt sein, dass der Nutzer wohl kaum die Wärmequellen verändern kann. Schließlich hat er ja keinen Einfluss auf verwendeten Getriebematerialien, auf die im Motor verbauten Eisenbleche oder die elektrischen Bauteile, die der Hersteller einsetzt. Aber gerade hier an der Wärmequelle haben Anwender bei der Antriebsauslegung Möglichkeiten zu steuern, dass möglichst wenig Wärme entsteht, die später mit großem Aufwand abgeführt werden muss.

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• Wählen Sie einen Motor mit hohem Wirkungsgrad und betreiben Sie den Motor am Punkt mit dem höchsten Wirkungsgrad. Die Angaben dazu stellt der Hersteller zur Verfügung. Motoren, die mit einer Vektor-Regelung betrieben werden, haben einen besonders hohen Wirkungsgrad.

• Vergleichen Sie dabei aber nicht Äpfel mit Birnen. Soll heißen: Nur wenn die Spezifikationswerte ohne zusätzliche Kühlplatte aufgenommen wurden (nach EN 60034), sind sie repräsentativ und vergleichbar. Auch bei Getrieben ist Vorsicht geboten. Gibt der Hersteller den Gesamtwirkungsgrad an oder nur den theoretischen Verzahnungswirkungsgrad? Aus einem Verzahnungswirkungsgrad von 97% kann schnell ein Gesamtwirkungsgrad von 80% werden und damit das Getriebe zu einer starken Wärmequelle.

• Testen Sie im Zweifelsfall Ihren Antrieb in der Applikation unter „Worst-Case“ Bedingungen. Smarte Motoren haben integrierte Temperatursensoren, deren Werte sich auslesen lassen.

• Je nach Anwendungsfall können spezielle Hochtemperaturfette in Getrieben eingesetzt werden, damit diese weniger Verlustwärme erzeugen.

Die Entstehung von Wärme lässt sich natürlich nicht komplett vermeiden. Diese Wärme muss nun aber in die Umgebungsluft abgegeben werden. Ganz spontan könnten Sie jetzt sagen: Wenn der Antrieb zu warm wird, setze ich einen Lüfter ein. Aufgrund von Geräuschen, Kosten und begrenzter Lebensdauer von Lüftern sollte Zwangslüftung wirklich nur dann eine Option sein, wenn alle anderen Möglichkeiten versagen. Doch adäquate Möglichkeiten zur Entwärmung gibt es genug.

Werkstoffe im Antrieb mit schlechter Wärmeleitfähigkeit

Hochlegierter Stahl etwa leitet Wärme bis ca. 10-mal schlechter als Aluminium-Legierungen. Diese Legierungen leiten Wärme wiederum bis zu 1000-mal besser als viele technische Kunststoffe und fast 10.000-mal besser als Luft. Ein gut wärmeleitfähiges Material mit großen Querschnitt ist deshalb von Vorteil, um die unerwünschte Wärme gut abfließen lassen zu können. Der Antrieb soll daher großflächig und plan an gut wärmeleitfähiges Material befestigt wird. Schon ein Luftspalt von 100 µm Breite würde die Wärme etwa so schlecht ableiten wie über die Distanz von ca. 1000 mm Aluminium. Durch gute thermische Kopplung verteilt sich die Wärme gut in der Applikation und hat eine große Oberfläche, von der aus die Wärme an die Umgebungsluft abgegeben wird.

Geschlossene Gehäuse für den Antrieb vermeiden

Vermeiden Sie geschlossene Gehäuse. Wo immer es möglich ist, sorgen Sie für großflächige Lüftungsschlitze in der Maschine oder im Gerät. Durch natürliche Konvektion wird an der Unterseite der Gehäuse die Umgebungsluft angesaugt, darin nimmt die Luft die Verlustwärme der Komponenten auf und wird an der Oberseite erwärmt abgegeben. Dies funktioniert natürlich nur, wenn auch Lüftungsschlitze mit entsprechend großem Querschnitt vorhanden sind.

Verwenden Sie dezentrale Antriebstechnik mit integrierter Elektronik. Die Verlustwärme der Motorelektronik entsteht damit dezentral und damit verteilt in Maschinen und nicht konzentriert in einem Schaltschrank.

Berücksichtigen Sie diese Punkte, das funktioniert der Antrieb in einem zulässigen Temperaturbereich. Doch Antriebe können unvorhergesehen überlastet werden, beispielsweise durch Verschleiß in der Maschine oder durch Fehlbedienung. Für solche Fälle muss der Antrieb ausgelegt sein. Zeitgemäße smarte Motoren und Antriebe arbeiten mit Algorithmen, die nicht nur die Motortemperatur berücksichtigen, sondern schon auf Basis der aktuellen Belastung im Voraus berechnen, wie lange der Motor noch laufen darf, bis er überhitzen kann. Die Abgabeleistung wird deshalb automatisch begrenzt.

Zustandsinformationen geben Auskunft

Überprüfen Sie daher auch zyklisch die über die Busschnittstelle des Motors auslesbaren Zustandsinformationen. Wenn sich Temperatur oder Betriebsströme im Vergleich zu den vorherigen Zyklen stark verändern, kann das ein Indikator sein für anstehende Defekte.

Mehrheitlich entstehen Ausfälle durch Nichteinhaltung der zulässigen Betriebstemperatur. Deshalb baut Dunkermotoren schon seit rund 20 Jahren vollständig integrierte smarte Motoren und Antriebe und hat dementsprechend weitreichende Erfahrung mit ausgereiftem thermischem Design. Dies gilt nicht nur für den Wärmeabfluss in der Applikation, sondern beginnt im Inneren des Motors. Der optimierte Wärmefluss schon im Motorgehäuse sorgt nämlich dafür, dass die Wärme bestmöglich an die Gehäuseoberfläche transportiert wird und dadurch die temperaturkritischen Bauteile im zulässigen Bereich bleiben.

Die tiefgehende Analyse der Wärmeentwicklung im Antrieb und die Temperierung von Materialstrukturen sind eine Wissenschaft für sich, die der Antriebhersteller schon bei der Produktentwicklung berücksichtigt. Auf die thermische Situation der Antriebslösung in der Applikation kann der Anwender Einfluss nehmen. Eine Applikationsberatung unterstützt den Betreiber bei der thermischen Auslegung seiner Antriebe, damit diese auch bei Extrembedingungen nicht überhitzen. Quartalsergebnisse werden so nicht durch Produktionsausfall aufs Spiel gesetzt.

* * Michael Burgert ... ist Produktmanager BLDC Motoren bei Dunkermotoren in Bonndorf, Schwarzwald..

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