antriebstechnik 9/2017

ELEKTROMOTOREN
„Wenn’s zu heiß wird“
Eine Einschätzung von Urs Kafader über die Erwärmung von Motoren in Handgeräten
Mehrere Faktoren sorgen dafür, dass ein DC-Motor heiß wird. Doch gerade in
Handgeräten will man dies zukünftig verhindern. Mit einem überdimensionierten
Motor lässt sich Abhilfe schaffen. Es gibt aber noch andere Möglichkeiten.
Lesen Sie hier eine Einschätzung von Dr. sc. Nat. Urs Kafader, Schulungsleiter
bei der Maxon Motor AG in Sachseln.
Ein DC-Motor, der in der Nähe des Nennmoments
betrieben wird, kann heiß
werden. Im Dauerbetrieb erreicht die
Wicklung Temperaturen von bis zu 155 °C,
was eine Gehäusetemperatur im Bereich
von 120 °C ergibt. Um ein Beispiel aus der
Medizintechnik zu nennen: Kein Chirurg
würde gerne mit so einem Handgerät operieren.
Nicht einmal dann, wenn es nur
halb so heiß wäre. Vernachlässigt man die
Reibung, so gibt es zwei Hauptverlustquellen,
welche den Motor aufheizen: Stromwärme-
und Eisenverluste.
Stromwärmeverluste
Die Stromwärmeverluste sind mit dem
zum Strom proportional benötigten Last-
Motorerwärmung ist nicht
nur eine Frage von Drehmoment,
Drehzahl und Bauweise.
Sie hängt auch von der Gestaltung
der PWM-Ansteuerung und der
Einstellung der Regelparameter ab
Dr. sc. Nat. Urs Kafader,
Schulungsleiter, Maxon Motor AG
drehmoment verknüpft. Wie allgemein bekannt,
nehmen diese Verluste quadratisch
zum Strom zu. Hohe Ströme in der Nähe
des Nennstroms führen zu Temperaturen,
die für menschliche Berührung ungeeignet
sind. Lässt man Motoren nur beim halben
Nennstrom laufen, ergeben sich moderate
Temperaturen (typisch unterhalb 50 °C),
die sich besser mit Berührungen vertragen.
Für die Motorauswahl bedeutet das: Den
Motor überdimensionieren.
Die Betrachtungen bis hierher gründen
auf Dauerbetrieb, bei dem die maximalen
Temperaturen erst nach rund zehn Minuten
erreicht werden. In Handgeräten hat
man es meist jedoch mit einem intermittierenden
Betrieb zu tun, der bis zu 30 min
und länger dauern kann. Das bedeutet:
Auch hier muss eine
Dauerbetriebsbetrachtung
angewendet werden,
allerdings mit dem
Effektivwert (RMS) des
Laststroms (quadratische
Mittelung über den
kompletten Lastzyklus).
Die mittlere Erwärmung
entspricht dann einem
Dauerbetrieb mit dem
RMS-Lastmoment.
Eisenverluste
Die Eisenverluste sind mit der Drehzahl gekoppelt.
Die Wirbelstromverluste steigen
quadratisch mit der Drehzahl an und erwärmen
den Motor beim Drehen – sogar ohne
Last. In Handgeräten kann das bei Schleifern
und Fräsern, die bei mehreren zehntausend
Umdrehungen pro Minute (UpM)
arbeiten, ein Problem sein. Solche hochdrehenden
Motoren benötigen ein spezielles
Design, um die Wirbelstromverluste klein
zu halten. Sie werden typischerweise mit
einer kleinen Anzahl Magnetpolen, einer
eisenlosen Wicklung und ultradünnen Eisenblechen
mit tiefer Hysterese im Rückschluss
ausgeführt. Das Maxon ECX Speed Programm
kombiniert diese speziellen Eigenschaften.
Die bürstenlosen DC-Motoren
mit ihrer langen Bauform und mit Durchmessern
zwischen 16 und 22 mm passen
optimal in Handgeräte, die bei hohen Drehzahlen
von mehreren zehntausend Umdrehungen
pro Minute betrieben werden.
PWM-Ansteuerung und
Induktivität
Es zeigt sich allerdings, dass Motorerwärmung
nicht nur eine Frage von Drehmo-