DC-Motoren bei hohen Temperaturen

Wer mit dem maxon Katalog und den technischen Spezifikationen vertraut ist, hat bestimmt schon gemerkt, dass dort eine maximale Umgebungs- und Wicklungstemperatur angegeben ist. Die Mehrzahl der DC-Motoren eignet sich für eine maximale Umgebungstemperatur zwischen 85 °C und 100 °C sowie eine maximale Wicklungstemperatur zwischen 100 °C und 125 °C. Warum ist das so?

Erst einmal zum Unterschied zwischen der Umgebungstemperatur und der Wicklungstemperatur. Die Energiezufuhr ist unterteilt in Spannung (V) und Strom (A). Die Spannung bestimmt die Drehzahl und der Strom das Drehmoment. Wird der Motor betrieben, erzeugt der Strom Wärme in der Wicklung. Wenn ein Motor für den Betrieb bei hohen Umgebungstemperaturen spezifiziert ist, kann er also nicht so intensiv betrieben werden wie bei normalen Hallentemperaturen, sonst überhitzt er.

Welche Probleme treten im Zusammenhang mit Wärme auf?

Im Inneren des Motors befindet sich ein Magnetkreis, der durch den Permanentmagnet und den Elektromagnet, die Motorwicklung, erzeugt wird. Sowohl der Permanentmagnet als auch die Wicklung werden durch Wärme beeinflusst. Neodym-Magneten entmagnetisieren sich ab einer Temperatur von ca. 160 °C und werden dadurch schwächer. Leider macht die Kühlung des Motors diesen Effekt nicht rückgängig. Es handelt sich um eine permanente Degradation. Die Wicklung wird von einem isolierenden Lack umgeben, der für Störfestigkeit und Isolation sorgt. Steigt die Temperatur über 160 °C, wird der Lack weich und die Wicklung kann sich verformen. Dies resultiert in Reibung und dem Abtragen der Isolation und führt zu Kurzschluss und Motorversagen. Sehr hohe Temperaturen können bewirken, dass der Lack und die Isolation schmelzen, was ebenfalls einen Kurzschluss zur Folge hat. Das Ergebnis ist immer das Gleiche: der Motor ist zerstört.

Hochtemperaturmotoren von maxon

Dennoch dürfte es nicht überraschen, dass es Umgebungen gibt, in denen Menschen Motoren bei höheren Temperaturen einsetzen möchten, z. B. bei Bohrungen in den Erdkern nach Öl, Gas oder Erdwärmeenergie oder bei Ventilaktuatoren in einem Flugzeugmotor. maxons Motorenprogramm beinhaltet DC-Motoren, die für diese Umgebungen ausgelegt sind. Die bürstenlosen Heavy-Duty-Motoren (HD) können bei Umgebungstemperaturen von bis zu 200 ⁰C und einer maximalen Wicklungstemperatur von 240 ⁰C betrieben werden.

Wie ist der Betrieb dieser Motoren bei so hohen Temperaturen möglich?

Die Magnete in maxon HD-Motoren werden aus Samarium-Cobalt (SaCo) hergestellt. Samarium-Cobalt-Seltenerdmagnete können viel höhere Temperaturen erreichen, bevor die Demagnetisierung einsetzt. Die Isolation des in der Wicklung verwendeten Kupferdrahts ist ebenso für eine höhere Temperatur ausgelegt. Zudem ist der Tränklack für eine viel höhere Temperatur geeignet, wodurch die Wicklung über den ganzen Betriebstemperaturbereich hinweg stabil bleibt.

Warum sind nicht einfach alle Motoren für höhere Temperaturen ausgelegt?

Die Herstellung eines Hochtemperaturmotors hat ihre Tücken. Die hochwertigere Isolation auf dem Kupferdraht ist sehr starr und das Wickeln gestaltet sich daher sehr schwierig. Es können auch nicht alle Wickelschemas angewandt werden. Ein weiterer Grund sind die Kosten. Wenn mehr Spezialmaterial eingesetzt werden muss, so steigen auch die Anschaffungspreise. Warum also sollten Auftraggeber einen höherpreisigen Spezialmotor für Applikationen wollen, wenn dieser nicht erforderlich ist?

Falls aufgrund der limitierten HD-Reihe kein geeigneter Motor zur Verfügung steht, kann maxon bei hochvolumigen Anwendungen Standardmotoren für Projekte, bei denen höhere Temperaturen nötig sind, aufrüsten. maxon untersucht dann die Machbarkeit der Wicklungsherstellung und fertigt eine produktionstypische Stückzahl, um zu prüfen, ob der Draht einen ausreichenden Ertrag aufweist. Ist dies der Fall, werden Mustermotoren hergestellt und die technische Spezifikation validiert.

Was können Sie tun, wenn Ihre Anwendung an die Umgebungstemperaturgrenzen stösst?

Kontaktieren Sie unsere Technical Sales Engineers. Wir sind alle darin geschult, das richtige Produkt für die richtige Applikation in der richtigen Umgebung zu spezifizieren.

Zuerst stellen wir eine Reihe von Fragen über die Anwendung. Welche Drehzahl und welches Drehmoment werden am Ausgang benötigt?  Welches Tastverhältnis soll der Motor aufweisen? Was ist Ihre Eingangsspannung? Danach sehen wir uns die Umgebung genauer an: Temperatur, Schock/Vibration, etc. Wir erkundigen uns auch nach anderen Einschränkungen, Platz, Gehäuse, Masse, usw. Sobald wir alle Daten gesammelt haben, beginnen wir mit der Prüfung möglicher Optionen, um eine Lösung anzubieten.

Liegen hohe Temperaturen vor, führen wir eine thermische Analyse durch, um sicherzustellen, dass der Motor im Betrieb nicht überhitzt wird. Wir untersuchen das Drehzahl- und Drehmomentprofil in Bezug auf das Tastverhältnis und basierend auf der jeweils spezifischen Umgebungstemperatur. Die von uns eingesetzte und inhäusig entwickelte Software versorgt uns mit entscheidenden Informationen, einschliesslich der Wicklungstemperatur. Nähert sie sich der maximalen Wicklungstemperatur an oder überschreitet sie diese sogar? Erlaubt das Tastverhältnis ausreichend Zeit, um die Wicklung herunterzukühlen? Bleibt die Temperatur auch nach mehreren Zyklen noch unterhalb der maximalen Wicklungstemperatur?

Unter Einbeziehung unseres geschulten Fachwissens und der verfügbaren Tools nennen wir Ihnen nur die Lösung, von der wir uns sicher sind, dass sie die Anforderungen erfüllt.