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Ausgewählte Ausgabe: 01-02-2017 Ansicht: Modernes Layout
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Die Erwärmung von Motoren in Handgeräten

Mehrere Faktoren sorgen dafür, dass ein DC-Motor heiß wird. Doch gerade in Handgeräten will man dies verhindern. Mit einem überdimensionierten Motor schafft man Abhilfe. Es gibt aber noch andere Möglichkeiten.


Bild 1 Hohe Drehzahlen und Lasten können bei Handgeräten zu Wärmeproblemen führen.

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Hohe Drehzahlen und Lasten können bei Handgeräten zu Wärmeproblemen führen.

Ein DC-Motor, der in der Nähe des Nennmoments betrieben wird, kann sehr heiß werden. Im Dauerbetrieb erreicht die Wicklung Temperaturen von bis zu 155 °C, was eine Gehäusetemperatur im Bereich von 120 °C ergibt. Kein Chirurg würde gerne mit so einem Handgerät operieren. Nicht einmal, wenn es nur halb so heiß wäre. Was also ist zu tun?
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 Lastdrehmoment 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 dies im wesentlichen: 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 Minuten und länger dauern kann. Das bedeutet: Auch hier muss eine Dauerbetriebsbetrachtung angewendet werden, allerdings mit dem Effektivwert (RMS) des Laststroms (quadratische Mittelung über den gesamten Lastzyklus). Die mittlere Erwärmung entspricht dann einem Dauerbetrieb mit dem RMS-Lastmoment.

Bild 2 Wicklungs- und Gehäusetemperatur in Abhängigkeit des Motorstroms (Motor im Dauerbetrieb)

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Wicklungs- und Gehäusetemperatur in Abhängigkeit des Motorstroms (Motor im Dauerbetrieb)

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 Hand- geräten kann dies 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.

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Autoren

Dr. sc. nat. Urs Kafader

maxon motor ag, Sachseln

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