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Motor

Wärmeableitung des Motors

Berechnen Sie die Wärmeableitung, den Temperaturanstieg und die Betriebstemperatur des Motors anhand der Eingangsleistung und des Wirkungsgrads.

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Formel

P_loss = P_in × (1−η), ΔT = P_loss × Rθ

Rθ— Winding-to-ambient thermal resistance (°C/W)
ΔT— Temperature rise above ambient (°C)

Wie es funktioniert

Die Wärmeableitung des Motors ist die Wärmeleistung, die abgeführt werden muss, um einen Ausfall der Wicklungsisolierung zu verhindern. Die Gesamtverluste entsprechen der Eingangsleistung minus der mechanischen Ausgangsleistung: P_Loss = P_in − P_out = P_in × (1 − ω). Die dominierende Verlustkomponente ist der Kupferverlust (P_Cu = I² × R_Wicklung), der mit dem Quadrat des Stroms und damit dem Quadrat des Lastdrehmoments zunimmt. Der Wärmewiderstand des Motors (R_θ, in °C/W) bestimmt den stationären Temperaturanstieg: ΔT = P_Loss × R_θ. Die Isolationsklasse begrenzt die maximale Wicklungstemperatur (Klasse B: 130 °C, Klasse F: 155 °C, Klasse H: 180 °C).

Bearbeitetes Beispiel

Ein gebürsteter Gleichstrommotor mit 24 V und 100 W arbeitet bei Dauerlast mit einem Wirkungsgrad von 80%. Der Wärmewiderstand (von der Wicklung zur Umgebung) beträgt 1,8 °C/W. Die Umgebungstemperatur beträgt 35 °C. Isolierung der Klasse F. Schritt 1 — Eingangsleistung: P_in = P_out/ω = 100/0,80 = 125 W Schritt 2 — Abgeleitete Wärme: P_Loss = P_in − P_out = 125 − 100 = 25 W Schritt 3 — Stationärer Anstieg der Wicklungstemperatur: ΔT = P_Loss × R_θ = 25 × 1,8 = 45 °C Schritt 4 — Absolute Wicklungstemperatur: T_WINDUNG = T_Ambient + ΔT = 35 + 45 = 80 °C Schritt 5 — Abstand zum Grenzwert der Klasse F: Marge = 155 − 80 = 75 °C — ausreichend für Dauerbetrieb Ergebnis: Bei einem Wirkungsgrad von 80% und einer Umgebungstemperatur von 35 °C läuft der Motor in der Wicklung um 80 °C — weit innerhalb der Grenzwerte der Klasse F. Fällt der Wirkungsgrad auf 70%, ist P_loss = 42,9 W und t_Wicklung = 35 + 77 = 112 °C — immer noch innerhalb der Grenzwerte, aber mit einem Spielraum von nur 43 °C.

Praktische Tipps

  • ✓Verwenden Sie eine Wärmebildkamera oder einen integrierten Thermistor, um die Temperatur im stationären Zustand in der tatsächlichen Montagekonfiguration zu messen — die R_μ-Werte im Datenblatt gehen von einer freien Luftkonvektion aus
  • ✓Modellieren Sie für Servo- und Positionieranwendungen mit häufigen Starts und Stopps die thermische Zeitkonstante (τ = R_θ × c_Thermal), um sicherzustellen, dass der Motor zwischen den Bursts abkühlt
  • ✓Verringern Sie den maximalen Dauerstrom um 3— 5% pro Grad Celsius der Umgebungstemperatur über 25 °C, wenn Sie in Umgebungen mit hohen Temperaturen arbeiten

Häufige Fehler

  • ✗Unter der Annahme, dass die Motorkörpertemperatur der Wicklungstemperatur entspricht, kann der Wicklungshotspot 30—60 °C über der gemessenen Gehäusetemperatur liegen
  • ✗Wenn ein Motor länger als ein paar Sekunden im Stillstand (Nulldrehzahl) läuft — ohne Wellendrehung — stoppt der Kühlluftstrom und der Wärmewiderstand steigt stark an, was zu einem schnellen Wärmestau führt
  • ✗Einschaltdauer ignorieren — ein Motor kann zeitweise 150% des Nennstroms für 10 s aushalten, obwohl er bei dieser Stufe kontinuierlich überhitzen würde

Häufig gestellte Fragen

In einigen Motordatenblättern ist R_θ (von der Wicklung zur Umgebung oder von der Wicklung zum Gehäuse) aufgeführt. Falls nicht verfügbar, messen Sie es experimentell: Lassen Sie den Motor mit einer bekannten Verlustleistung laufen, bis das thermische Gleichgewicht erreicht ist, messen Sie dann die Wicklungstemperatur (über eine Widerstandsänderung oder einen integrierten Thermistor) und dividieren Sie ΔT durch P_Loss.
Wählen Sie eine Isolationsklasse mit einem Abstand von mindestens 20—30 °C über der für den ungünstigsten Fall berechneten Wicklungstemperatur. Klasse F (155 °C) ist Standard für Industriemotoren. Die Klasse H (180 °C) wird für Anwendungen mit hohen Umgebungstemperaturen oder hohen Betriebszyklen verwendet. Eine Isolierung höherer Klasse kostet in der Regel mehr und kann sich auf die Motorgröße auswirken.
Ja — eine hohe PWM-Frequenz reduziert die Stromwelligkeit und die I²R-Kupferverluste. Wirbelstrom- und Hystereseverluste in den Statorblechen nehmen jedoch mit der Frequenz zu. Für gebürstete Gleichstrommotoren sind Frequenzen über 20 kHz im Allgemeinen optimal. Bei BLDC-Motoren hängt die optimale Schaltfrequenz vom jeweiligen Laminatmaterial und der Dicke ab.

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