Erwärmung und Kühlung von mittleren Motoren

Das mittlere Leistungssegment wird sowohl in der Industrie und Automatisierung als auch im Antriebsstrang für die Elektromobilität verwendet, hier werden meist Asynchronmotoren sowie Synchronmotoren mit Permanentmagneten verwendet. Diese Leistungsklasse hat den stärksten und den am schnellsten wachsenden Umsatz.
Die neuen Energieeffizienznormen und der Wunsch die Stromdichte ständig zu erhöhen, ohne die Höchsttemperaturen zu überschreiten, verpflichten die Belüftung und Kühlung der neueren Maschinen optimal auszulegen.

Asynchronmotor mit Käfigläufer und integriertem Frequenzumrichter

Oberflächenkühlung mit Kühlrippen

Bei Oberflächenkühlung wird die Wärme von der Oberfläche des Gehäuses an die Umgebung abgegeben. Im 19. Jahrhundert war die Ausnutzung der mittleren Maschinen noch so gering, dass meist die vorhandenen Gehäuseoberflächen genügten, um die Verlustwärme an die Umgebung abzuführen; bei den kleinen Maschinen ist es immer noch so. Kühlrippen bewirken eine Vergrösserung der Flächen und damit eine bessere Wärmeübertragung per Konvektion an den Gehäuseoberflächen.
Bei Selbstkühlung wird der kleine Motor ohne Lüftereinsatz durch die natürliche Konvektion und Wärmestrahlung gekühlt. Mittlere Motoren brauchen eine aktive Kühlung, diese kann mit einem Lüfter oder mit einem Wassermantel realisiert werden.

Temperaturmessungen

Die Messungen sind im Vergleich zu grösseren Maschinen einfach zu realisieren. Oft steht deshalb eine Menge von Temperaturmessungen zur Verfügung, was eine Validierung der Rechenergebnisse ermöglicht. Die Hauptungenauigkeit der Temperaturberechnung ist oft die Ungenauigkeit der vorgegebenen Eisenverluste und Magnetverluste.

Direkte Wasserkühlung und mit Wassermantel

Bei direkter Wasserkühlung wird die Wicklung innerhalb der Leiter durch Flüssigkeit gekühlt.
Die Wicklung kann auch indirekt, mit Hilfe von eimem Wassermantel im Einsejoch, gekühlt werden. Im Vergleich zu einer passiven Kühlung kann die Stromdichte hier bei niedrigen Drehzahlen und geringen Eisenverlusten verdoppelt werden und bei hohen Drehzahlen und hohen Eisenverlusten verdreifacht werden. Für Motoren mit Magneten im Läufer ist die thermische Herausforderung nicht mehr die Temperaturen der Isolierung der Ständerwicklung, sondern die Temperaturen der Magneten. Eine genaue Ermittlung der Magnetverluste ist hier sehr wichtig.

Fahrzyklen

Ein Fahrzyklus legt fest, unter welchen Geschwindigkeitsabläufen und Randbedingungen ein Fahrzeug oder eine Maschine gefahren wird. Der Hauptmotor eines E-Autos, alle Hilfsmotoren und alle Halbleitern müssen die Fahrzyklen ohne Temperaturschaden fahren können. Der Motor startet vom kalten Zustand, er produziert Wärme, diese fließt zunächst in die Wärmekapazitäten der Bauteile und weiter in die Kühlmedien und in die Umgebung. Wenn die Bauteile eine hohe Wärmekapazität besitzen, dann werden sie sich langsam aufwärmen und langsam abkühlen.

Wenn die Erwärmungsphase kurz ist, dann kann eine wesentlich höhere Stromdichte fliessen als, als wenn der Motor im Dauerbetrieb ist. Das nächste Bild zeigt die maximale Wicklungstemperaturen von einem Motor mit Permanentmagneten. Die zwei blauen Kurven für ein Dauerbetrieb mit 24,3 A; die zwei rosa-roten Kurven für 3000 Sekunden Erwärmung gefolgt von 1000 Sekunden Abkühlung mit 26 A und die violetten Kurven für 1000 Sekunden Erwärmung gefolgt von 3000 Sekunden Abkühlung mit 44A.

Temperaturen der Ständerwicklung für Dauerbetrieb und diverse Fahrzyklen