Verluste vom Elektromotor
Wie hier im Diagramm zu sehen, lassen sich die Verluste von Elektromotoren in ohmsche Verluste, Eisenverluste, Streuverluste und mechanische Verluste unterteilen. Ohmsche Verluste werden auch als Kupferverluste und Eisenverluste, oft auch als Kernverluste bezeichnet. Verluste von Elektromotoren treten im Statorblech, Rotorblech und Wicklungen auf, aber auch in den Permanentmagneten. Je geringer die Verluste im Elektromotor sind, desto höher ist natürlich auch sein Wirkungsgrad, mehr dazu im Detail folgendem Video.
Video über Verluste von Elektromotoren
ohmsche Verluste
Ohmsche Verluste treten vor allem in den Wicklungen des Stators auf und sind abhängig vom Widerstand und vom Strom. Die ohmschen Verluste können in frequenzabhängige und frequenzunabhängige unterteilt werden. Die frequenzunabhängigen Verluste sind abhängig von den Abmessungen, also der Länge und der Querschnittsfläche des Drahtes, sowie dem Material, zum Beispiel Kupfer. Ein starker Anstieg der Motortemperatur erhöht auch den Widerstand und damit auch die Verluste. Man sollte immer darauf achten, dass der Elektromotor gut gekühlt ist, sonst steigt die Temperatur der Wicklungen schnell an. Die frequenzabhängigen ohmschen Verluste steigen mit zunehmender Frequenz, bedingt durch den Skin-Effekt. Der Skin-Effekt verringert die Fläche, durch die der Strom fließen kann. Um diesen Effekt zu verringern, werden Drähte mit einem großen Durchmesser in mehrere getrennte Drähte aufgeteilt. Durch die Aufteilung in zu viele Drähte erhöht sich jedoch auch der Widerstand aufgrund des Proximity-Effekts. Es ist also nicht einfach, die beste Anzahl von parallelen Drähten zu finden. Induktionsmotoren haben auch hohe ohmsche Verluste im Rotor, so dass der Rotor schnell heiß wird. Es ist sehr schwierig, die Wärme vom Rotor abzuführen, deshalb verwendet Tesla bei den Induktionsmotoren eine Flüssigkeitskühlung der Welle.
Eisenverluste
Die Eisenverluste lassen sich in Hystereseverluste, Wirbelstromverluste und Zusatzverluste unterteilen. Verluste im Eisen werden pro Gewicht angegeben und sind von der Frequenz und der maximalen Flussdichte abhängig. Das bedeutet, je schneller sich der Motor dreht, desto höher sind die Eisenverluste. Und je kleiner der Elektromotor konstruiert ist, desto weniger Platz bleibt für den magnetischen Fluss und desto höher wird die Flussdichte. Die Proportionalitätskonstanten C hängen vom Material und dessen Verarbeitung ab. Eisenverluste treten hauptsächlich im Stator und im Rotor auf, aber auch in Permanentmagneten können Wirbelstromverluste auftreten. Die Verluste in Magneten sind in der Regel gering, aber kritisch, weil Magnete in der Regel keine gute Temperaturbeständigkeit haben.
Hystereseverluste
Magnetische Materialien sind in viele kleine Bereiche unterteilt, die alle eine unterschiedliche magnetische Ausrichtung haben. Wenn sich die magnetische Ausrichtung der Domänen ändert, kommt es zu Verlusten. Diese Ummagnetisierungsverluste werden als Hystereseverluste bezeichnet, weil das Material während der Magnetisierung eine Hysterese durchläuft. Die Verluste hängen von der Fläche der Hysterese des Materials ab, die bei der Ummagnetisierung durchlaufen wird. Um die Verluste gering zu halten, werden weichmagnetische Materialien wie Elektrobleche mit einer kleinen Hysteresekurve verwendet.
Wirbelstromverluste
Wirbelströme entstehen, wenn sich der magnetische Fluss im Stator ändert. Die Wirbelströme erzeugen Verluste im Stator und erwärmen den diesen. Um die Verluste zu verringern, wird der Stator in getrennte, voneinander isolierte Bleche unterteilt. Dadurch werden die Wirbelstromverluste erheblich reduziert. Je dünner die Bleche gemacht werden desto geringer sind die Wirbelstromverluste im Blech.
Zusatzverluste
Wie ich bereits erwähnt, bestehen magnetische Materialien aus Bereichen, die durch Wände voneinander getrennt sind. Eine Änderung des Magnetfeldes kann eine Verschiebung der Wände verursachen, was zu Verlusten führt. Diese Verluste werden als Zusatzverluste oder Exzessverluste bezeichnet.
Streuverluste
Bei Streuverlusten handelt es sich um die Streuung von Bauelementen und Materialien. Aber auch um Streuungen im Produktionsprozess und sehr kleinen Abweichungen von der Konstruktion. Die Streuverluste sind deshalb schwer abzuschätzen und können bei Elektromotoren circa 1% betragen bei Spitzenlast.
mechanische Verluste
Mechanische Verluste können in Reibungsverluste und Ventilationsverluste unterteilt werden. Reibungsverluste sind abhängig von der Drehzahl und treten zum Beispiel in den Lagern auf. Um die Reibungsverluste möglichst gering zu halten, sollten die Lager immer ausreichend geschmiert sein. Die Lager dürfen deshalb nicht zu heiß werden, da sich sonst das Schmiermittel verflüchtigt. Reibungsverluste entstehen auch bei den Bürsten von fremderregten Synchronmotoren und Kommutatoren von DC-Motoren. Ventilationsverluste treten bei Elektromotoren mit nicht runden Rotoren auf und sind auch abhängig von der Drehzahl. Zum Beispiel SR-Motoren oder fremderregte Synchronmotoren haben Rotoren, die nicht rund sind. Durch das Vergießen des Stators und das Bandagieren vom Rotor können die Ventilation reduziert werden. Bei einem Verguss mit dem richtigen Material kann dadurch zusätzlich die Ableitung der Wärme verbessert werden. Die Ventilation in Elektromotoren kann aber auch genutzt werden, um die Wärme aus der Mitte des Elektromotors herauszutransportieren. Dadurch wird die Wärme besser im Elektromotor verteilt und Hotspots reduziert.
Flussdiagramm der Verlustleistung
Die Visualisierung der Leistungsumwandlung von Elektromotoren und Generatoren wird mit Hilfe des Leistungsflussdiagramms veranschaulicht. Bei Elektromotoren zeigt das Diagramm, wie viel elektrische Eingangsleistung zugeführt wird und wie viel mechanische Ausgangsleistung nach Abzug der Verlustleistung übrig bleibt. Bei einem Generator kehrt sich der Fluss der Verlustleistung um. Das heißt, wenn die Reibung in den Lagern zu groß ist, bleibt weniger Leistung übrig, die in elektrische Leistung umgewandelt werden kann.