THERMISCHE ASPEKTE EISENLOSER BÜRSTEN GLEICHSTROMMOTOREN UND BÜRSTENLOSER GLEICHSTROMMOTOREN

Der Prozess der Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie ist immer mit Verlusten verbunden

Diese Leistungsverluste werden vorwiegend in Wärmeleistung umgewandelt und steigen tendenziell zusammen mit der abgegebenen mechanischen Leistung. Die in einem Elektromotor erzeugte Wärmeenergie führt zu einem Temperaturanstieg, in dessen Folge Wärme (durch Leitung und Konvektion) von warm nach kalt übertragen und schließlich aus dem Motor abgeführt wird.

Eine der größten Herausforderungen für Hersteller von Elektromotoren besteht darin sicherzustellen, dass die Ist-Innentemperatur des Motors niemals die zulässige Höchsttemperatur seiner Komponenten überschreitet. Die thermischen Phänomene bestimmen in Abhängigkeit von Motorkonstruktion und verwendeten Materialien die Leistung des Motors.

Konstrukteure versuchen meist, die Motorleistung durch Verbesserungen in zwei Bereichen zu steigern, ohne dass dabei eine Überhitzung oder Beschädigung von Komponenten riskiert wird:

Verlustminimierung: Der Wirkungsgrad bei der Leistungsumwandlung wird verbessert, indem erreicht wird, dass bei einer gegebenen mechanischen Leistung weniger Wärme erzeugt wird bzw. die mechanische Leistung bei gleichbleibender Wärmeerzeugung steigt.

Verbesserung der Möglichkeit des Motors, die erzeugte Wärmeenergie an die Umgebung abzuführen (Wärmeableitung), sodass die Innentemperatur weniger stark steigt und bei identischem Anstieg der Innentemperatur mehr Wärme erzeugt werden kann.

Um Ihnen das Verständnis dieses Phänomens zu erleichtern, stellen Sie sich eine undichte Badewanne vor, die gleichzeitig gefüllt wird.

Das aus dem Hahn fließende Wasser entspricht der Wärmeenergieerzeugung im Motor. Sobald sich Wasser in der Badewanne sammelt, führt der Druck am Boden dazu, dass – in Entsprechung zur Wärmeableitung – Wasser aus der Badewanne austritt. Je höher der Wasserstand, desto höher der Druck am Boden der Badewanne und desto mehr Wasser tritt aus.

In Entsprechung dazu ist die Wärmeableitung eines Motors proportional zur Differenz zwischen der Innentemperatur des Motors und der Außentemperatur der Umgebung. So wie der Wasserfluss vom Durchmesser des Abflusslochs abhängt, hängt auch die Wärmeableitung vom Wärmewiderstand ab. Dieser definiert, wie gut bzw. schlecht Wärme aus dem Motor abgeleitet werden kann. Je niedriger der Wärmewiderstand, desto einfacher und schneller wird die Wärme aus dem Motor abgeleitet, was einer größeren Verlustleistung entspricht:

Die Volumenkapazität einer Badewanne ist begrenzt, sodass sie überläuft, wenn der Wasserstand einen bestimmten Punkt überschreitet. Entsprechend ist die Wärmekapazität der Komponenten eines Motors begrenzt, sodass die Komponenten innerhalb von Sekunden beschädigt werden können, wenn die Ist-Temperatur einen bestimmten Wert überschreitet. Die Nennleistung des Motors muss die Anforderung erfüllen, die Temperatur innerhalb des zulässigen Betriebstemperaturbereichs zu halten.

Meist ist die Spule die entscheidende Komponente, da dies genau der Ort ist, an dem die Joule-Erwärmung stattfindet. Bei zu hohen Temperaturen würde die Isolationsbeschichtung um den Kupferdraht schmelzen und den Motor dauerhaft beschädigen.

STATIONÄRER BETRIEB

Bürsten-Gleichstrommotoren

Ein kernloser Bürsten-Gleichstrommotor ist typischerweise als selbsttragende Spule ausgelegt, die sich im Luftspalt zwischen einem Permanentmagneten und dem Gehäuse dreht, die beide Teil des Stators sind.

Die in der rotierenden Spule erzeugte Joule-Erwärmungsleistung (W) hängt direkt mit ihrem elektrischen Widerstand R (Ω) und dem durch sie fließenden Strom I (A) zusammen. Kernverluste gibt es keine, da der Rotor eisenlos ist.

Bei steigender Spulentemperatur wird die Wärme von der Spule an das Gehäuse (1) und von dort an die Umgebung (2) übertragen (siehe Abbildung 2). Diese beiden aufeinanderfolgenden Schritte haben unterschiedliche Wärmewiderstände (Rth1 und Rth2), da unterschiedliche Materialien unterschiedlich wärmeleitfähig sind und daneben Form, Masse und Oberfläche der einzelnen Teile beeinflussen, wie Wärme übertragen wird.

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