Die thermische Analyse eines Elektromotors beginnt nicht damit, den Gesamtverlust zu kennen — sie beginnt damit, zu wissen, wo der Verlust entsteht.
Die Verlustanteile verhalten sich unterschiedlich
Kupferverlust (Wicklungsverlust). Steigt mit dem Quadrat des Stroms. Beherrschend bei hohem Drehmoment und niedriger Drehzahl. Er entsteht im Inneren der Wicklung und muss durch Isolation und Nutfüllung nach außen.
Eisenverlust. Steigt mit der Frequenz. Wird bei hoher Drehzahl beherrschend. Er entsteht verteilt in den Statorblechen.
Magnet- und Rotorverluste. Sie entstehen am Rotor und sind die am schwersten abzuführende Wärme: Der Rotor dreht sich, und sein Kontakt nach außen führt über den Luftspalt und die Lager. In permanenterregten Maschinen ist die Temperatur ein kritisches Kriterium, denn Magnete verlieren im Heißen ihre Magnetisierung irreversibel.
Eine richtige Analyse nimmt den Verlust nicht als feste Summe, sondern als vom Betriebspunkt abhängige Verteilung.
Engstellen im Wärmepfad
- Nut-Zahn-Isolation. Der größte Wärmewiderstand auf dem Weg von der Wicklung zum Blechpaket liegt meist hier; die Leitfähigkeit des Füllmaterials und sein Hohlraumanteil bestimmen die Wicklungstemperatur unmittelbar.
- Kontakt Blechpaket–Gehäuse. Ein Kontaktwiderstand, der vom Pressverband abhängt und auf Fertigungstoleranzen empfindlich reagiert.
- Der Luftspalt. Dünn und rotierend; er ist der Weg der Wärme vom Rotor zum Stator und hängt von der Drehzahl ab.
- Die Wickelköpfe. Außerhalb des Blechpakets, mit anderer Kühlung — und oft die heißeste Stelle.
Modellierungsentscheidungen
Das Problem ist konjugiert: Die Feststoffbereiche beherrschen das Bild, die Strömung ist zweitrangig, aber bestimmend.
Die Wicklung Draht für Draht aufzulösen ist nicht praktikabel; sie wird als homogener Bereich mit äquivalenter anisotroper Leitfähigkeit dargestellt — hoch längs der Achse (Kupfer), niedrig quer dazu (Isolation).
Die gesuchte Größe ist meist instationär: wie weit die Wicklungstemperatur unter einer kurzen Überlast ansteigt. Dafür muss die Wärmekapazität richtig definiert sein.
Referenzen
- JEDEC Solid State Technology Association. JESD51 — Methodology for the Thermal Measurement of Component Packages (Single Semiconductor Device).
- Shah, R. K. & Sekulić, D. P. (2003). Fundamentals of Heat Exchanger Design. John Wiley & Sons. DOI: 10.1002/9780470172605