Verluste vom Elektromotor

Elektromotor Verluste

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.

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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.

Elektromotor Hystereseverluste

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.

Gleichung Eisenverluste

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.

Verlustleistung Motor