Ingenieurbüro für Leistungselektronik und Antriebe
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Erwärmung und Kühlung elektrischer Maschinen

Wärmequellen

Aufgrund der Verluste, die in einer elektrischen Maschine auftreten, erwärmt sich diese während des Betriebs. Die wichtigsten Verlustquellen sind:

Hier soll lediglich der thermisch eingeschwungene Betriebszustand betrachtet werden. Dazu wird die Maschine als ein einziger homogener Körper betrachtet, in welchem die Verlustleistung PV als Summe aller Verluste in Wärme umgesetzt wird.

Abschätzung der natürlichen Kühlung

Die natürliche Kühlung basiert auf Wärmestrahlung und natürlicher Konvektion. Beide sind in guter Näherung proportional zur Oberfläche der Maschine. Der Wärmeübergang kann mit Hilfe der sogenannten Kachelofenkonstante abgeschätzt werden. Diese beträgt 15 W /(K m2). D,h., im thermisch eingeschwungenen Zustand führt eine Oberfläche von A = 1 m2, die eine Übertemperatur Δϑ = 1 K gegen ihre Umgebung aufweist, eine Leistung von P = 15 W an diese ab.
Hierbei ist zu beachten, dass die Umgebungstemperatur der Größenordnung der Zimmertemperatur entsprechen soll (≪ 100 °C), die Wärmeabstrahlung nicht durch eine metallisch blanke Oberfläche behindert werden darf und die Ausbildung einer natürlichen Konvektionsströmung in der Luft möglich sein muss.

Beispiel: Eine elektrische Maschine mit einer (verripten) Oberfläche A=0,25 m2 wird bei einer Verlustleistung PV=30 W eine Übertemperatur Δϑ= 8 K aufweisen.

Abschätzung der erzwungenen Kühlung

Wird die Maschine durch eine erzwungene Luftströmung gekühlt, so kann bei gegebener Verlustleistung PV (in W) und Übertemperatur Δϑ (in K) der ausgeblasenen Kühlluft, die hierfür erforderliche Luftmenge VL (in m3) abgeschätzt werden. Hierbei wird von einem vollständigen Wärmeübergang zwischen Maschine und Luft ausgegangen.
Für das Kühlmedium Luft wird angesetzt: Dichte ρL=1,13 kg/m3 sowie die Wärmekapazität
cL=1005 W/(kg K)

Es gilt: VL = PV / (ρL cL Δϑ)

Anmerkung: Laminare Strömungen in sehr breiten Luftkanälen führen zu einem schlechten Wärmeübergang, da sich die Luftstömung längs der Kühlkanäle nicht durchmischt und somit von den innenliegenden Luftschichten kaum Wärme aufgenommen werden kann, da Luft ein schlechter Wärmeleiter ist. Die hier zugrunde liegende Annahme einer gleichmäßigen Erwärmung der gesamten Kühlluft würde somit verletzt werden, so dass der Ansatz nicht gültig wäre.

 

Aktualisiert: 2020-08-03