Motoren sind für Fertigungslinien und Industrieanlagen unverzichtbar, doch die Wärmeentwicklung während des Betriebs ist ein unvermeidbares Phänomen. Eine übermäßige Wärmeentwicklung verkürzt jedoch die Lebensdauer des Motors und kann im schlimmsten Fall zu schwerwiegenden Störungen wie Ausfällen oder Bränden führen.
Die Wärmeentwicklung im Motor entsteht durch Verluste wie Kupfer-, Eisen- und mechanische Verluste, für die jeweils geeignete Maßnahmen erforderlich sind.
In diesem Artikel werden alle Informationen, die Techniker kennen sollten, umfassend erläutert – angefangen bei den Mechanismen der Motorüberhitzung über Maßnahmen bei einer Überhitzung bis hin zu wirksamen Vorbeugungsmaßnahmen, um eine Überhitzung von vornherein zu verhindern.
Sorgen Sie durch ein angemessenes Wärmemanagement für mehr Sicherheit und Langlebigkeit der Motoren und gewährleisten Sie so einen stabilen Betrieb Ihrer Anlagen.
| Unter der Aufsicht der Vertriebsgruppe für elektronische Bauteile der C.I. TAKIRON Corporation Dieser Artikel wurde auf der Grundlage der hochentwickelten technischen Kompetenz und des Fachwissens erstellt, die wir seit unserer Gründung im Jahr 1919 als führendes Unternehmen in der Kunststoffverarbeitung erworben haben.Unsere Abteilung analysiert kontinuierlich die Markttrends und neuesten Technologien im Bereich ultrakompakter, hochpräziser Mikromotoren und konzentriert sich darauf, Konstrukteuren und Entwicklern Informationen mit hohem Mehrwert zur Verfügung zu stellen. Als Expertenteam mit fundierten Kenntnissen der Produkteigenschaften unterstützen wir Sie durch die Bereitstellung präziser und praxisorientierter Inhalte bei der Lösung Ihrer Herausforderungen und bei technologischen Innovationen. |
Die Hauptursachen für die Erwärmung des Motors
Die Wärmeentwicklung im Motor entsteht hauptsächlich durch drei Arten von Verlusten: Kupferverluste, Eisenverluste und mechanische Verluste.
Der Einfluss dieser drei Faktoren variiert je nach Motortyp, Bauweise und Betriebsbedingungen. Im Allgemeinen sind bei kleinen Motoren aufgrund des Wicklungswiderstands eher Kupferverluste vorherrschend, während im hohen Drehzahlbereich die Eisenverluste tendenziell zunehmen. Das Verständnis der Mechanismen dieser drei Verlustarten ist der erste Schritt zur Ergreifung geeigneter Maßnahmen zur Wärmeableitung. Im Folgenden werden die einzelnen Verlustarten näher betrachtet.
Inhalt dieses Abschnitts
- Wärmeentwicklung durch Kupferverluste
- Wärmeentwicklung durch Eisenverluste
- Wärmeentwicklung durch mechanische Verluste
Jede Verlustart hat einen anderen Entstehungsmechanismus, und der Grad der Auswirkung variiert je nach Motortyp und Betriebsbedingungen. Insbesondere in der Entwicklung von Kleinmotoren sind Maßnahmen gegen Kupferverluste der Schlüssel zur Begrenzung der Wärmeentwicklung.
Wärmeentwicklung durch Kupferverluste
Kupferverluste sind Leistungsverluste, die durch den Wicklungswiderstand der Motorspulen und den durch sie fließenden Strom entstehen.
Dieser Verlust lässt sich durch die Leistungsformel P = I²R (Strom zum Quadrat × Widerstand) ausdrücken und ist proportional zum Quadrat des Stroms.
Daher verringert sich theoretisch die durch Kupferverluste verursachte Wärmeentwicklung auf etwa ein Viertel, wenn der Strom auf die Hälfte reduziert wird.
Dies hängt zwar von der jeweiligen Anwendung und den Konstruktionsbedingungen ab, doch insbesondere bei Motoren, in deren Spulen hohe Ströme fließen, sind Kupferverluste häufig die Hauptursache für die Wärmeentwicklung und stellen daher einen wichtigen Aspekt bei der Wärmeableitung dar.
[Konstruktionsmethoden zur Reduzierung von Kupferverlusten]
- Den Drahtdurchmesser (Querschnittsfläche) vergrößern
- Die Auslastungsquote erhöhen
- Die Wickellänge verkürzen
- Optimierung der Reinheit und der Verarbeitung von Kupfermaterial
Durch die Kombination dieser Methoden lässt sich der Wicklungswiderstand wirksam verringern und die durch Kupferverluste verursachte Wärmeentwicklung eindämmen. Bei Kleinmotoren, die in medizinischen Geräten und optischen Geräten zum Einsatz kommen, führt die Optimierung der Wicklung bereits in der Konstruktionsphase zu einer Leistungssteigerung und einer längeren Lebensdauer.
Wärmeentwicklung durch Eisenverluste
Eisenverluste sind Verluste, die im Eisenkern durch Veränderungen des Magnetfelds entstehen und sich aus Hystereseverlusten und Wirbelstromverlusten zusammensetzen.
Hystereseverluste sind Energieverluste, die im Inneren des Eisenkerns bei wiederholter Magnetisierung und Entmagnetisierung entstehen, während Wirbelstromverluste dadurch entstehen, dass durch ein wechselndes Magnetfeld Induktionsströme im Eisenkern fließen.
Dieses Phänomen tritt insbesondere dann deutlich zutage, wenn Motoren mit Eisenkern mit hoher Drehzahl betrieben werden. Vor allem bei mittelgroßen und großen Motoren werden Wirbelstromverluste durch die Verwendung von laminiertem Stahlblech minimiert. Kernlose Motoren hingegen weisen aufgrund ihrer Bauweise keinen Eisenkern auf, sodass Eisenverluste wie Hysterese- und Wirbelstromverluste prinzipiell nicht auftreten.
Die kernlosen Motoren von C.I. Takiron bieten aufgrund dieser konstruktiven Besonderheit den Vorteil, dass die durch Eisenverluste verursachte Wärmeentwicklung auch bei hohen Drehzahlen gering gehalten wird.
In Anwendungsbereichen, in denen bei Industrie- und optischen Geräten schnelle und hochpräzise Bewegungen erforderlich sind, stellt eine Motorkonstruktion ohne Eisenverluste eine sinnvolle Option dar.
Wärmeentwicklung durch Reibungsverluste
Mechanische Verluste sind Verluste, die durch Reibung im Inneren des Motors sowie durch Luftwiderstand entstehen.
Dazu gehören die Reibungswärme an der Kontaktstelle zwischen Lager und Welle sowie die durch die Drehung verursachten Luftverluste (Verluste aufgrund des Luftwiderstands), deren Anteil an der gesamten Wärmeentwicklung jedoch vergleichsweise gering ist.Je nach Motortyp und Betriebsbedingungen variieren diese Werte, im Allgemeinen betragen sie jedoch etwa 3 bis 12 % der Gesamtverluste. Wenn der Betrieb jedoch mit veralteten Schmierölen oder Schmierfetten fortgesetzt wird, kann der Reibungswiderstand stark ansteigen, was zu einem erheblichen Anstieg der Reibungswärme führen kann.
Bei Anwendungen, bei denen ein langfristig wartungsfreier Betrieb erforderlich ist, wie beispielsweise bei Sicherheits- und Schutzvorrichtungen, muss dieser mechanischen Abnutzung Rechnung getragen werden.
Durch die Auswahl hochwertiger Lager und Schmierfette sowie durch regelmäßige Wartungsmaßnahmen lassen sich Maschinenausfälle auf ein Minimum reduzieren.
Die negativen Auswirkungen der Wärmeentwicklung des Motors
Eine übermäßige Erwärmung des Motors führt nicht nur zu einem Anstieg der Temperatur, sondern verursacht auch schwerwiegende Schäden an den Bauteilen im Inneren des Motors.
Die Auswirkungen der Wärmeentwicklung erstrecken sich auf vielfältige Bereiche wie Isoliermaterialien, Maschinenbauteile und elektrische Eigenschaften und führen letztendlich zu einer verkürzten Lebensdauer des Motors sowie zu plötzlichen Ausfällen.
Da solche Störungen bei medizinischen Geräten und Sicherheitsvorrichtungen direkte Auswirkungen auf die Sicherheit der Patienten und des Personals haben, ist es von entscheidender Bedeutung, die konkreten Folgen einer Überhitzung richtig zu verstehen.
Im Folgenden werden die typischen negativen Auswirkungen von Fieber erläutert.
Inhalt dieses Abschnitts
- Alterung von Isoliermaterial und Spulen
- Verschleiß von Lagern und Schmierfett
- Leistungsabfall und Effizienzverlust
Diese negativen Auswirkungen stehen in Wechselbeziehung zueinander und führen zu einer Kettenreaktion, bei der ein Problem das nächste auslöst. Durch ein angemessenes Wärmemanagement lassen sich diese Risiken auf ein Minimum reduzieren.
Alterung des Isoliermaterials und der Spule
Die Isolierbeschichtung, die die Oberfläche der Spule bedeckt, unterliegt in Umgebungen mit hohen Temperaturen einem fortschreitenden Verschleiß.
Die zulässigen Temperaturen variieren je nach Hitzebeständigkeitsklasse (B, F, H usw.). Da sich die Isolation umso schneller verschlechtert, je näher man an die zulässige Temperatur heranrückt, ist es bei der Konstruktion wichtig, unter Berücksichtigung der Klasse und des Temperaturanstiegs einen ausreichenden Sicherheitsspielraum einzuplanen.
Wird die Isolierhülle beschädigt, kommt es zu einem Kurzschluss zwischen den Spulen, was zu einem lokalen Hochstrompfluss führt und einen Teufelskreis auslöst, in dem sich die Wärmeentwicklung weiter verschlimmert. Dies birgt letztlich die Gefahr eines Spulendurchbruchs oder eines Brandes; insbesondere bei Motoren, die in geschlossenen Gehäusen eingesetzt werden, ist die Wärmeableitung erschwert, wodurch sich der Schaden leicht ausweiten kann.
Bei medizinischen Geräten und Industrieanlagen sind die Hitzebeständigkeit der Isoliermaterialien sowie die Temperaturüberwachung von entscheidender Bedeutung, da ein plötzlicher Ausfall aufgrund eines Isolationsdurchschlags unmittelbar das Leben von Patienten gefährden oder zum Stillstand von Produktionslinien führen kann.
Verschleiß von Lagern und Schmierfett
Bei anhaltend hohen Temperaturen nimmt die Viskosität des Schmierfetts ab, wodurch es auslaufen kann, oder es härtet aus, was zu einer Verschlechterung der Schmierleistung führt und seine Funktion beeinträchtigt.
Wenn der Schmierfilm bricht, kommt es zu einem direkten Kontakt zwischen den Metallteilen, was zu einem Anstieg des Reibungswiderstands führt, der wiederum zusätzliche Reibungswärme erzeugt, wodurch die Temperatur ansteigt – ein Teufelskreis. Im schlimmsten Fall kommt es zu einem Festfressen des Lagers, wodurch die Welle blockiert wird und der Motor vollständig zum Stillstand kommt.
Bei Anwendungen, bei denen ein Dauerbetrieb und eine lange Lebensdauer erforderlich sind – wie beispielsweise bei elektronischen Schlössern von Sicherheitsvorrichtungen oder Antriebsmechanismen von medizinischen Geräten –, sind Maßnahmen zum Schutz der Lager und des Schmierfetts vor thermischer Zersetzung unerlässlich.
Die Auswahl eines hochwertigen Schmierfetts, das auch unter hohen Temperaturen seine Leistungsfähigkeit beibehält, sowie regelmäßige Wartungs- und Austauschmaßnahmen tragen zur Verlängerung der Lebensdauer der Lager bei.
Leistungsabfall und Effizienzverlust
Durch die Erwärmung steigt der elektrische Widerstand der Spule, wodurch der Stromfluss behindert wird und das Ausgangsdrehmoment abnimmt.
Kupferdrähte weisen die Eigenschaft auf, dass ihr Widerstand mit steigender Temperatur zunimmt; dabei steigt der Widerstandswert bei jedem Temperaturanstieg um 10 °C um etwa 4 %. Zudem nimmt bei Motoren mit Permanentmagneten die Magnetkraft bei hohen Temperaturen aufgrund der thermischen Entmagnetisierung ab, was zu einer erheblichen Verschlechterung der Motorleistung führt.
Bei Neodym-Magneten variiert die zulässige Temperatur je nach Güteklasse; bei Standardgüteklassen kann es bereits ab etwa 80 °C zu einer dauerhaften Entmagnetisierung kommen. Ferritmagnete sind relativ unempfindlich gegenüber hohen Temperaturen; ein Richtwert liegt bei etwa 250 °C. Auch bei elektronischen Bauteilen steigt der Widerstand bei steigender Temperatur, was zu einem erhöhten Stromverbrauch und einer Verschlechterung des Wirkungsgrads führt.
Bei Antriebsmotoren für Linsen in optischen Geräten sowie bei Industriewerkzeugen wirkt sich ein solcher Leistungsabfall unmittelbar auf die Präzision der Produkte und die Arbeitseffizienz aus; daher müssen Leistungsänderungen aufgrund von Wärmeentwicklung bereits in der Konstruktionsphase umfassend berücksichtigt werden.
Maßnahmen zur Eindämmung der Wärmeentwicklung im Motor und Präventionsmethoden
Um die Wärmeentwicklung des Motors zu verringern, gibt es drei Ansätze: den Einbau eines Kühlsystems, die Optimierung der Betriebsbedingungen und die Auswahl eines geeigneten Motors.
Bei bereits vorhandenen Motoren ist eine verbesserte Wärmeableitung durch Lüfter und Kühlkörper wirksam, und auch durch eine Überprüfung der Betriebsweise lässt sich die Wärmeentwicklung erheblich reduzieren.
Bei der Entwicklung neuer Konstruktionen oder bei Modellwechseln lässt sich das Problem grundlegend lösen, indem eine Motorkonstruktion mit geringer Wärmeentwicklung gewählt wird.
Im Folgenden werden die einzelnen Maßnahmen konkret erläutert.
Inhalt dieses Abschnitts
- Verbesserte Wärmeableitung durch das Kühlsystem
- Optimierung der Betriebsbedingungen
- Umstellung auf einen Motor mit geringer Wärmeentwicklung
Diese Maßnahmen sollten nicht nur einzeln umgesetzt werden, sondern es lässt sich eine noch größere Wirkung erzielen, wenn sie kombiniert werden. Insbesondere bei bestehenden Systemen, bei denen die Wärmeentwicklung ein Problem darstellt, lassen sich durch die schrittweise Einführung der Maßnahmen Verbesserungen vornehmen und gleichzeitig die Risiken minimieren.
Verbesserte Wärmeableitung durch das Kühlsystem
Eine Zwangskühlung durch Lüfter sowie der Einbau eines Kühlkörpers tragen dazu bei, die Wärmeabgabe des Motors effizient zu fördern.
Bei Industriemaschinen lässt sich durch den Einsatz von Motoren mit Kühlventilatoren eine Überhitzung bei lang andauerndem Betrieb verhindern.
Ein wirksames Mittel zur Verbesserung der Wärmeableitung ist es, die Montageplatte durch Aluminium mit hoher Wärmeleitfähigkeit zu ersetzen oder die Plattendicke zu erhöhen.
Bei Verwendung in einem geschlossenen Gehäuse lässt sich eine Luftzirkulation erzielen, indem entweder am Gehäuse selbst Kühlrippen angebracht werden oder im Inneren ein kleiner Lüfter eingebaut wird.
Bei Anwendungen, bei denen ein leiser Betrieb erforderlich ist, wie beispielsweise bei medizinischen Geräten oder optischen Geräten, stellt auch ein natürliches Kühlsystem unter Verwendung von Wärmerohren eine Option dar. Da die Integration eines zusätzlichen Kühlsystems jedoch mit einem höheren Platzbedarf und höheren Kosten verbunden ist, ist eine gründliche Abwägung bereits in der Konstruktionsphase erforderlich.
Optimierung der Betriebsbedingungen
Durch die Reduzierung des Betriebsstroms lassen sich die Kupferverluste, die proportional zum Quadrat des Stroms sind, erheblich verringern.
Sofern der Betriebszyklus des Motors ausreichend Spielraum bietet, sollten Sie die Stillstandszeit etwas länger einstellen, um eine ausreichende Abkühlzeit für den Motor zu gewährleisten.
Um die Wärmeentwicklung zu begrenzen, ist es ebenfalls wichtig, Überlastzustände zu vermeiden und den Betrieb konsequent innerhalb des Nenndrehmoments zu gewährleisten.
Bei Industriewerkzeugen und Hobbyartikeln lässt sich durch die Optimierung des Arbeitszyklus (das Verhältnis von Dauerbetriebszeit zu Pausenzeit) entsprechend den jeweiligen Einsatzbedingungen die Wärmeentwicklung gering halten und gleichzeitig die erforderliche Leistung aufrechterhalten.
Die Einstellung der Versorgungsspannung auf den richtigen Wert ist ebenfalls eine grundlegende Maßnahme, um unnötigen Stromverbrauch zu reduzieren und die Wärmeentwicklung zu begrenzen.
Verfügt die Treiberschaltung über eine Stromregelungsfunktion, lässt sich die Wärmeentwicklung durch eine an die Last angepasste Stromoptimierung weiter reduzieren.
Regelmäßige Funktionsprüfungen und Temperaturmessungen, durch die Anzeichen einer ungewöhnlichen Wärmeentwicklung frühzeitig erkannt werden können, sind ebenfalls wirksame Maßnahmen für einen langfristig stabilen Betrieb.
Umstellung auf einen Motor mit geringer Wärmeentwicklung
Bürstenlose Motoren weisen keine Reibungsverluste durch Bürsten auf und lassen sich daher leicht hocheffizient auslegen. Die Wärmeableitung hängt hingegen stark von verschiedenen Konstruktionsfaktoren ab, darunter die Innen-/Außenrotor-Bauweise, die Gehäuseform, die Einbaubedingungen sowie die Wärmeabfuhrwege.
Da kernlose Motoren keinen Eisenkern besitzen, entstehen keine Eisenverluste, was einen Betrieb mit hohem Wirkungsgrad und geringer Wärmeentwicklung ermöglicht.
Die kernlosen Motoren von C.I. Takiron werden aufgrund dieser konstruktiven Eigenschaften in Anwendungen eingesetzt, die eine hohe Präzision erfordern, wie beispielsweise in medizinischen Geräten und optischen Geräten. Darüber hinaus zeichnen sich die bürstenlosen Motoren des Unternehmens durch eine lange Lebensdauer und geringe Vibrationen (geräuscharmer Betrieb) aus und können daher erfolgreich in Industriegeräten und Sicherheitsausrüstung eingesetzt werden.
Sofern der Platz es zulässt, lässt sich durch den Einsatz eines größeren Motors bei gleicher Leistung mit einer geringeren Stromstärke arbeiten, wodurch die Wärmeentwicklung reduziert werden kann.
Bei der Entwicklung neuer Systeme oder der Optimierung bestehender Systeme lässt sich durch die Erwägung eines Wechsels zu solchen Motoren mit geringer Wärmeentwicklung eine Vereinfachung des Kühlsystems sowie eine Verringerung der Wartungshäufigkeit erreichen.
Zusammenfassung
Die Wärmeentwicklung im Motor entsteht durch drei Arten von Verlusten – Kupfer-, Eisen- und mechanische Verluste – und führt zu schwerwiegenden Folgen wie einer Verschlechterung der Isolierung, dem Durchbrennen von Lagern und einem Leistungsabfall.
Als Gegenmaßnahmen erweisen sich die Einführung eines Kühlsystems, die Optimierung der Betriebsbedingungen sowie der Wechsel zu Motortypen mit geringer Wärmeentwicklung als wirksam. Insbesondere kernlose und bürstenlose Motoren können aufgrund ihrer Bauweise die Wärmeentwicklung eindämmen und tragen zudem zu einer längeren Lebensdauer bei.
C.I. Takiron bietet kernlose Motoren ohne Eisenverluste sowie bürstenlose Motoren mit hervorragender Wärmeableitung an und schlägt Ihnen die für Ihre Anwendungszwecke am besten geeigneten Lösungen vor.
Durch ein angemessenes Wärmemanagement können Sie die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Motors erhöhen und einen stabilen Betrieb des Produkts gewährleisten.
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/
- Bürstenlose Motoren: 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 von Kleinmotoren für Ihre Produktentwicklung auf Schwierigkeiten stoßen, können Sie sich gerne über das Kontaktformular an uns wenden. Unsere technischen Berater werden Ihre Anwendungszwecke und Anforderungen mit Ihnen besprechen und Ihnen die optimale Lösung vorschlagen.
- Kontakt: https://cik-ele.com/contact/
