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Auslegung elektrischer Antriebe

 

Thermische Motorauslegung

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

• Oberflächenvergrößerung durch Kühlrippen
• abstrahlungsfördernde Farbanstriche
• Lüfter
• Flüssigkeitskühlung

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.

 

Thermisches Modell

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

• vom thermischen Widerstand Rth des Motors,
• von der Umgebungstemperatur νU und
• von der Belastung des Motors.

Der zeitliche Verlauf der Erwärmung, insbesondere die Geschwindigkeit mit der die Temperatur ansteigt, ist abhängig

• von der thermischen Zeitkonstante des Motors.

Diese ergibt sich zu: Tth = Rth * CM

Typische thermische Zeitkonstanten für Servomotoren liegen im Bereich von ca. 1 min bis 40 min.

 

Wärmeklassen für Servomotoren

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.