Die Energiewandlung im Motor ist verlustbehaftet. Ein Teil der zugeführten
elektrischen Energie wird nicht an der Motorwelle als mechanische Energie
wieder abgegeben sondern im Motor in Wärme umgesetzt. Das führt
zu einer Temperaturerhöhung im Motor.
Hohe Temperaturen bewirken eine schnelle Alterung der für die Wicklungsisolierung
verwendeten Materialien und damit eine Einschränkung der Robustheit
und Lebensdauer des Motors. Es wird deshalb versucht, durch geeignete
Kühlmaßnahmen wie
die entstehende Wärme aus dem Motor so gut wie möglich abzuführen und die entstehende Temperaturerhöhung zu begrenzen.
Da die im Motor auftretenden Verluste und die damit verbundene Erwärmung
des Motors vom Einsatzfall abhängen, ist es Sache des Anwenders,
den Motor so auszuwählen, dass keine thermische Überbelastung
auftritt. Neben der rein mechanischen Auslegung ist deshalb auch die thermische
Auslegung unbedingt erforderlich.
Für die thermische Auslegung des Motors ist es ausreichend, von
einem Einkörpermodell auszugehen. Die unterschiedlichen Wärmequellen
und Verlustarten sowie die unterschiedliche Wärmeverteilung zwischen
Läufer und Ständer werden vernachlässigt. Der Motor wird
als ein einziger Körper, in dem eine Wärmequelle wirkt und der
eine bestimmte Wärmekapazität aufweist, angenommen. Die
Wärmekapazität hängt von der Masse der Motors ab. Große
Motoren haben eine hohe Wärmekapazität, kleine Motoren haben
eine geringe Wärmekapazität.
Im Motor befindet sich eine Wärmequelle Qth,
die einen Wärmestrom ith erzeugt. Die
Größe des Wärmestromes entspricht der im Motor anfallenden
Verlustleistung und verändert sich in Abhängigkeit vom Betriebspunkt
des Motors. Der Wärmestrom lädt die Wärmekapazität
CM des Motors auf. Als Folge steigt die Temperatur
νM des Motors.
Über seine Oberfläche gibt der Motor Wärme an die Umgebung
ab. Dabei wird sein thermischer Widerstand Rth
wirksam, der den Wärmestrom vom Motor an die Umgebung begrenzt.
Die Wärmekapazität CU der Umgebung
wird als unendlich groß angenommen. Unter dieser Annahme bleibt
die Umgebungstemperatur νU konstant. Durch
entsprechende Belüftung mit Frischluft oder Rückkühlung
der Kühlmediums ist diese Bedingung in der praktischen Anwendung
erfüllt.
Mit
den genannten Annahmen lässt sich zeigen, dass die Erwärmung
des Motors nach der im nebenstehenden Diagramm dargestellten Funktion
verläuft. Wird der Motor belastet, treten Verluste im Motor auf und
er erreicht nach einer gewissen Zeit seine Endtemperatur.
Die Endtemperatur des Motors ist abhängig
Der zeitliche Verlauf der Erwärmung, insbesondere die Geschwindigkeit mit der die Temperatur ansteigt, ist abhängig
Diese ergibt sich zu: Tth = Rth * CM
Typische thermische Zeitkonstanten für Servomotoren liegen im Bereich von ca. 1 min bis 40 min.
Es ist üblich, die maximal zulässigen Motortemperaturen durch Einordnung der Motoren in eine Wärmeklasse anzugeben. Die Wärmeklasse legt fest, welche Endtemperatur der Motor maximal erreichen darf. Folgende Wärmeklassen sind definiert:
Wärmeklasse |
A
|
E
|
B
|
F
|
H
|
höchste zulässige Motortemperatur am heißesten Punkt der Wicklung |
|
|
130
|
155
|
180
|
mittlere zulässige Motortemperatur |
100
|
115
|
120
|
145
|
165
|
mittlere zulässige Übertemperatur (Umgebungstemperatur = 40 °C) |
60
|
75
|
80
|
105
|
125
|
Im praktischen Gebrauch wird oft mit der zulässigen Übertemperatur gearbeitet. Sie gibt an, wie weit die maximal zulässige Motortemperatur die nominelle Umgebungstemperatur bzw. Kühlmitteltemperatur von 40 °C überschreitet.
Die Isoliermaterialien im Motor sind entsprechend ihrer spezifizierten Wärmeklasse ausgelegt. Wird der Motor nicht überlastet, werden die zulässigen Maximaltemperaturen nicht überschritten und die Isoliermaterialien altern nicht vorschnell.
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