Elektromotor 53)
Elektromotoren-Glossar-Blog Oberflächenkühlung

Wie funktioniert die Oberflächenkühlung beim E-Motor? Alles
über TEFC, Fremdlüfter, Hotspots und Reversierbetrieb

erfahren Sie hier.

Die Oberflächenkühlung ist das Standardverfahren zur
Entwärmung von Elektromotoren. Doch bei Frequenzumrichterbetrieb, hohen
Umgebungstemperaturen oder Reversierbetrieb stößt der Eigenlüfter schnell an
seine Grenzen. Wir erklären Funktion, Risiken und Lösungen.

Elektromotoren Glossar Blog Oberflächenkühlungen

Die Oberflächenkühlung setzt sich begrifflich aus der Oberfläche des
Motorgehäuses und der aktiven Kühlung zusammen. Bei einem Standard-IEC-Normmotor
besteht das Gehäuse aus Aluminium (bei kleineren Motoren) oder aus Grauguss (bei
größeren Industriemotoren). Das Gehäuse ist mit den typischen Kühlrippen
versehen, um die Oberfläche zur Wärmeabgabe zu vergrößern.

In der internationalen Fachsprache wird diese Bauart als TEFC bezeichnet, was
für Totally Enclosed Fan Cooled steht. Am hinteren Ende der Motorwelle sitzt ein
Eigenventilator, der sich direkt mit der Welle dreht. Eine Schutzhaube mit
Lüftungsgitter lenkt den Kühlluftstrom gezielt durch die Kühlrippen nach vorne.
So wird die erwärmte Luft abgeblasen, um eine Überhitzung der Wicklungen zu
verhindern.

Obwohl moderne E-Motoren durch höhere Wirkungsgrade deutlich weniger
Verlustleistung in Wärme umwandeln als frühere Modelle, erreicht die
Wicklungstemperatur im Betrieb noch immer bis zu 155 °C (Isolationsklasse F).


Probleme und kritische Belastungen der Oberflächenkühlung

In der Praxis gibt es verschiedene Einsatzbedingungen, bei denen die
Standard-Oberflächenkühlung mit Eigenlüfter an ihre Grenzen stößt und
zusätzliche Maßnahmen erfordert:

1. Hohe Umgebungstemperaturen: Bei stark erhöhten Raum- oder
Umgebungstemperaturen wird der serienmäßige Kunststofflüfter zu heiß. Er
erweicht, verformt sich und dreht nicht mehr zuverlässig mit. Dadurch bricht
der Kühlluftstrom zusammen, und der Motor überhitzt schlagartig. Da der Strom
dabei nicht zwangsläufig ansteigt, greift ein klassischer Motorschutzschalter
oft nicht rechtzeitig ein.

2. Niedrige Drehzahlen am Frequenzumrichter: Wollen Sie einen Motor über einen
Frequenzumrichter mit reduzierter Drehzahl betreiben, sinkt auch die Drehzahl des
Eigenlüfters. Die Kühlleistung reicht für das geforderte Drehmoment nicht mehr
aus. In solchen Fällen ist der Einsatz eines Fremdlüfters (Forced Ventilation)
erforderlich. Dieser separat angetriebene Axiallüfter kühlt den Motor unabhängig
von dessen aktueller Drehzahl stets konstant.

3. Hotspots durch Luftschatten: Als Hotspot wird die Stelle am Motorgehäuse
bezeichnet, an der bauartbedingt kaum Kühlluft ankommt. Typischerweise ist das
der Bereich im Windschatten des Klemmenkastens oder hinter dem Flanschlagerschild.
Bei normalen Betriebsbedingungen ist dies einkalkuliert, bei thermischen
Anomalien brennt der Motor jedoch genau dort zuerst durch. Temperaturfühler
(PTC/PTO) müssen daher präzise platziert werden.

4. Reversierbetrieb (Rechts-Links-Lauf): Beim schnellen Wechsel der Drehrichtung
hat der Eigenventilator keine Zeit, einen stabilen Luftstrom aufzubauen. Es
entstehen lediglich kurze, unterbrochene Luftstöße, die zur Wärmeabfuhr nicht
ausreichen. Maßgeblich für das Überhitzen ist hierbei das Puls-Pausen-Verhältnis
der Schaltzyklen.

5. Hohe Anlaufhäufigkeit: Ähnlich wie beim Reversierbetrieb sorgt auch ein
häufiges Ein- und Ausschalten (Stotterbetrieb) für extremen thermischen Stress.
Der E-Motor benötigt zwischen zwei Starts ausreichend Zeit, um die beim Anlauf
entstandene Wärme über die Kühlrippen abzuführen. Auch Sägeantriebe im
Überlastbetrieb benötigen entsprechende Rückkühlphasen zwischen den
Schnittvorgängen.


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Die Bilder, Elektromotoren Glossar Blog Oberflächenkühlungen:

Im Bild oben Fremdlüfter von innen, Fremdlüfter von aussen,

Fremdlüfter inneres,

Oberflächenlüftung vom Ventilator im Arbeitsmedium,

Eigenlüfter unter der E Motorhaube hinten

(Standardlüftung),

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Elektromotoren-Glossar-Blog Oberflächenkühlung

Oberflächenkühlung setzt sich ja aus den zwei Begriffen Oberfläche und Kühlung zusammen. Die Oberfläche bei einem Standard-IEC-Normmotor besteht aus einem Korpus, bei kleinen E-Motoren aus Alu, bei großen E-Motoren aus Grauguss, der auf der Oberfläche die typischen Kühlrippen hat, wie Sie den als Industriemotor kennen. TEFC wäre die englische Bezeichnung, und zwar steht das FC für Fan Cooled. Am hinteren Ende des E-Motors schaut ein Stück Wellenstummel heraus, darauf sitzt der Eigenventilator (Fan) und dreht sich mit der Motorwelle natürlich mit. Die Schutzhaube, mit Lüftungsgitter hinten, gibt dem Luftstrom die richtige Richtung, nämlich durch die Kühlrippen hindurch nach vorne – weg – die erwärmte Luft muss weg, damit der E-Motor nicht überhitzt. Früher waren die E-Motoren kleine Heizungen, da ging einiges weg an „Verlustleistung“ in Wärme umgesetzt. Heutige E-Motoren haben durch erhöhte Wirkungsgrade weniger Verlustleistung und damit geht weniger Verlustwärme weg, obwohl die Wicklungstemperatur immer noch bis zu 155° C geht.

Mehrere Probleme können bei dieser Kühlung entstehen:

1. E-Motoren für höhere Umgebungstemperaturen verlangen Anpassungen

2. Zu langsam drehende E-Motoren verlangen ebenfalls Anpassungen

3. Der Hotspot kann ebenfalls ein Problem darstellen

4. Reversierbetrieb stellt ein Problem dar

5. Anlaufhäufigkeit stellt ein Problem dar

Im Einzelnen zu den Problempunkten:

1) Umgebungstemperatur hoch, der Kunststofflüfter würde zu warm werden, d. h., er wird weich, dreht nicht mehr genug mit, der E-Motor erhitzt sich zu stark, der Kunststoffventilator wird noch deformierter, er dreht fast gar nicht mehr mit, der E-Motor überhitzt. Die Überstrom-Überwachung bekommt das nicht mit, der E-Motor brennt durch.

2) Langsam drehende Motoren, das Problem dürfte meist bekannt sein, wenn Frequenzumrichter für die Drehzahlsenkung eingesetzt werden. Es kommt da auf den Belastungsverlauf der Maschine an, gerade an Getriebe-Motoren tritt das Problem gerne auf. Der Eigenlüfter dreht zu langsam, er kann nicht mehr ausreichend kühlen, der E-Motor brennt durch. Bei Frequenzumrichter-Betrieb ist meistens ein Kaltleiter-Schutz vorhanden, der würde bei Überhitzung abschalten, allerdings müsste diese Ursache berücksichtigt werden. Hier schafft ein Fremdlüfter eine Problemlösung. Dieser Axialventilator wird anstelle des Eigenlüfters unter die E-Motor-Haube hinten montiert. Da dieser einen eigenen E-Motor hat, läuft er immer gleich schnell, davon unabhängig, wie schnell sich der Hauptmotor dreht. Der englische Begriff für Fremdlüfter ist Forced Ventilator oder Forced Ventilation.

3) Hotspot Problem ja – nein?? Der Hotspot ist der Punkt (Spot) am E-Motor, an dem keine Kühlluft kommt. Das ist der Punkt, der beim E-Motor im Windschatten vom Klemmenkasten liegt. Meistens vorn über der Welle, hinter dem Lagerschild, oder hinter dem Flanschlagerschild liegt der Klemmenkasten, es ist einsehbar, dass davor der Kühlluftstrom vom Ventilator blockiert wird. Normal wird bei dieser Konstruktion eines E-Motors der Schwachpunkt Hotspot mitberücksichtigt. Nur bei Anomalien ist da die kritischste Stelle. Es bedeutet nichts anderes, als dass genau da der E-Motor-Schutz, meist PTC oder auch PTO, eingesetzt werden muss.

4) Reversierbetrieb, auch dieser stellt ein massives Problem für den Kühlluftstrom dar und damit für die Entwärmung des E-Motors. Durch schnelles Reversieren (d. h. Rechts-Links-Lauf abwechselnd) hat der Eigenventilator keine Zeit, seinen Kühlluftstrom aufzubauen, damit er die Wärme wegbläst. Es kommt nur zu kurzen Intervallen von leichten unterbrochenen Kühlluftströmen. Die können nicht genug schaffen, es kommt zur Überhitzung. Entscheidend ist das Puls-Pausen-Verhältnis der 3 Umstände, Start rechts – Pause – Start links – Pause – Start rechts – Pause – Start links – Pause. Diese Zykluszeiten haben einen entscheidenden Einfluss.

5) Anlaufhäufigkeit, es stellt ein ähnliches Problem für die Eigenbelüftung dar wie der Reversierbetrieb in Punkt 4. Je nachdem, wie häufig ein- / aus-geschaltet wird, kann sich auch da die Temperatur aufschaukeln. Zwischen 2 Neustarts muss der E-Motor die Zeit haben, sich vom erhöhten Wärmestress des Anlaufvorgangs wieder runterzukühlen. Ein verdeutlichendes Stichwort für eine hohe Einschalthäufigkeit, der Stotterbetrieb eines E-Motors. Was hier noch Ähnliches angefügt werden kann, ist der Betrieb einer Säge, die wird zwar nicht ausgeschaltet, aber im Überlastbetrieb gefahren, d. h., sie braucht auch „zwischen zwei Hölzern“ ebenfalls eine entsprechende Rückkühlphase.

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