Warum erwärmt sich ein Elektromotor und wie weit kann diese Erwärmung gehen?
Die Leistung eines Elektromotors wird zunächst durch seine Temperatur begrenzt. Ein Motor kann zwar kurzzeitig einen enormen Stromfluss aushalten, muss dann aber wieder herunterreguliert werden, um Schäden zu vermeiden. Das Verständnis, woher die Wärme kommt und welche Schäden sie verursachen kann, hilft bei der Optimierung eines Systems, bei der Auswahl eines Motors und bei der Interpretation von Leistungsverlusten während der Fahrt.
Das Wichtigste
- Die Hauptwärmequelle stammt vom Stromfluss in den Wicklungen: Die Wärmemenge steigt proportional zum Quadrat des Stroms.
- Zu den Verlusten bei hohen Geschwindigkeiten kommen noch Verluste im Eisen hinzu, die mit der Frequenz zunehmen.
- Zwei Komponenten sind anfällig für Hitze: die Isolierung der Kabel und die Magnete.
- Ein Temperatursensor im Motor ermöglicht es dem Controller, die Leistung zu reduzieren, bevor Schäden entstehen.
Die Verluste im Kupfer
Die Wicklungen haben einen geringen elektrischen Widerstand. Der Strom, der durch sie fließt, erzeugt Wärme, die proportional zum Quadrat des Stroms ist: Verdoppelt man den Strom, vervierfacht man diese Wärme. Dies sind die Kupferverluste, und sie werden dominant, sobald man viel Drehmoment benötigt: beim Anfahren, beim Bergauffahren oder beim Beschleunigen.
Das Phänomen verstärkt sich selbst: Der Widerstand von Kupfer steigt um etwa 0,4 % pro Grad. Ein warmer Motor erwärmt sich daher bei gleichem Strom noch schneller.
Aus diesem Grund ist die Wahl der Wicklung wichtig: Ein Hochgeschwindigkeitsmotor, der weniger Drehmoment pro Ampere erzeugt, benötigt mehr Strom für die gleiche Leistung. Sehen Sie sich unseren Leitfaden zu Kv, Kt und den Polen an.
Die Verluste im Eisen
Der Stator besteht aus dünnen Stahlblechen mit magnetischen Eigenschaften. Bei jedem elektrischen Zyklus kehrt das Magnetfeld seine Polarität um, was zwei Arten von Verlusten verursacht:
- `Hysterese: Eine geringe Energiemenge, die bei jeder Umkehr des Magnetfelds im Metall verloren geht;`
- Wirbelströme: Induzierte Ströme, die in den Blechen zirkulieren und diese erwärmen. Um diese zu begrenzen, wird das Eisen in isolierte Bleche geschichtet.
Diese Verluste nehmen mit der elektrischen Frequenz zu, also mit der Geschwindigkeit und der Anzahl der Pole. Sie sind vor allem bei hohen Geschwindigkeiten relevant und nehmen zusätzlich beim Feldabschwächung zu.
Was die Hitze bedroht
Die Isolierung der Wickungen
Der Kupferdraht ist mit einer isolierenden Lackschicht versehen, die für eine bestimmte maximale Betriebstemperatur ausgelegt ist, entsprechend seiner Isolationsklasse. Überschreitet diese Temperatur, altert der Lack schnell und reißt schließlich. Dadurch berühren sich die Windungen, der Motor verliert an Effizienz, erwärmt sich noch stärker und kann schließlich durchbrennen.
Die Magnete
Die Neodym-Magnete verlieren etwas an Stärke, wenn sie sich erwärmen: Der Motor erzeugt weniger Drehmoment pro Ampere, was durch Abkühlung wieder umkehrbar ist. Aber oberhalb einer Temperatur, die von ihrer Qualität abhängt, geht ein Teil der Magnetisierung dauerhaft verloren: dies ist die Entmagnetisierung. Der Motor wird dann dauerhaft schwächer. Die Qualitäten der Magnete werden durch Buchstaben (z.B. H, SH, UH) gekennzeichnet, die ihre Temperaturbeständigkeit angeben.
Das Risiko ist am größten, wenn eine hohe Temperatur mit einem starken, den Magneten entgegenwirkenden Strom kombiniert wird, wie beispielsweise bei starker Beschleunigung.
Wie ein Nabenmotor seine Wärme abgibt
Ein Motor in einem Rollerradnaben ist ein geschlossenes Gehäuse. Die Wärme der Wicklungen, die sich in der Mitte befinden, muss zuerst die Innenluft durchqueren, bevor sie die Felge erreicht und dann die Außenluft; ein Teil der Wärme gelangt auch über die Achse zum Rollerarm. Dieser Weg ist lang, was erklärt, warum ein Motor in einem Rollerradnaben schnell heiß wird, wenn er wiederholt stark beansprucht wird.
Mehrere Lösungen verbessern diesen Prozess:
- für eine gute Belüftung und Luftzirkulation, wie beispielsweise unsere Motorlüfter;
- eine spezielle Flüssigkeit (Ferrofluid), die im Luftspalt platziert wird und die Wärme besser ableitet als Luft;
- Ein größerer Motor, der das gleiche Drehmoment mit weniger Strom erzeugt und eine größere Wärmeableitungsoberfläche bietet.
Überwachen Sie die Temperatur
Viele Elektroscooter-Motoren verfügen über einen Temperatursensor, der in die Wickung integriert ist. Dieser Sensor ist mit dem Controller verbunden und ermöglicht es diesem, den Strom schrittweise zu reduzieren, bevor ein gefährlicher Temperaturbereich erreicht wird. Dies führt zu dem Gefühl eines Leistungsverlusts nach einer längeren Steigung: Es handelt sich dabei um einen Schutzmechanismus, nicht um einen Defekt.
Werkstatt-Tipp.
Wenn Ihr Motor einen Temperatursensor hat, schließen Sie diesen an und stellen Sie die Grenzwerte im Controller ein. Das ist die beste Vorsichtsmaßnahme gegen einen durchgebrannten Wicklung oder schwache Magnete, insbesondere beim Fahren auf der Rennstrecke.
Häufig gestellte Fragen
Bei welcher Temperatur wird ein Motor eines Elektrorollers gefährlich?
Das hängt von der Isolationsklasse des Kabels und der Qualität der Magnete ab, die für jeden Motor spezifisch sind. Der zuverlässige Wert ist der, der vom Hersteller angegeben wird. Falls dieser Wert nicht verfügbar ist, werden im Controller vorsichtige Grenzwerte eingestellt und die Temperatur während der ersten Fahrten überwacht.
Mein Motor hat seit einer Überhitzung weniger Leistung, warum ist das so?
Die Magnete könnten sich teilweise entmagnetisiert haben, oder die Isolierung der Wicklungen könnte beschädigt sein. Eine erneute Motorerkennung auf einem einstellbaren Controller zeigt, ob der Magnetfluss abgenommen hat.
Warum wird der Motor bergauf stärker warm als bei konstanter Geschwindigkeit?
Bergauf liefert der Motor viel Drehmoment, was einen hohen Stromverbrauch bedeutet. Die Kupferverluste steigen dabei proportional zum Quadrat des Stroms. Bei konstanter Geschwindigkeit auf ebenem Untergrund ist der Stromverbrauch deutlich geringer.