Susanne Reinhard, Baumüller Nürnberg GmbH
2024-08-21T12:51:25+02:00
Antriebstechnik
Baumüller

Wassergekühlte Elektromotoren – In diesen F?llen machen sie Sinn, das müssen Sie beachten

Elektromotoren haben einen hohen Wirkungsgrad von über 90 Prozent. Ein hoher Teil der zugeführten elektrischen Energie wird also in mechanische Leistung umgesetzt. Die übrigen etwa 10 Prozent der elektrischen Leistung fallen als Verlust in Form von W?rme an.

Funktion und Vorteile der Wasserkühlung

Um eine ?berhitzung des Motors zu vermeiden muss W?rme abgeführt werden

Um eine ?berhitzung des Motors zu vermeiden muss diese W?rme abgeführt werden. Dazu stehen verschiedene M?glichkeiten zur Auswahl. Ungekühlte Motoren geben die W?rme an das Maschinengeh?use, an dem sie befestigt sind, und durch Konvektion an die Umgebung ab. Luftgekühlte Motoren werden mit einem Lüfter ausgestattet, der Luft über das Motorgeh?use bl?st und diesen so kühlt. Motoren mit Flüssigkeitskühlung werden durch Wasser oder ?l gekühlt, das durch Kühlkan?le im Motor flie?t.

Funktionsweise Wasserkühlung

Die Flüssigkeitskühlung von Elektromotoren kann auf verschiedene Arten umgesetzt werden. Grundlegend sind immer im Stator des Motors Kan?le durch die meist Wasser geleitet wird, weil Wasser den besten W?rmeleitkoeffizient hat. Daher wird in der Regel und auch in diesem Text von wassergekühlten Elektromotoren gesprochen. Die Kühlleitungen k?nnen entweder in einem speziellen Mantel untergebracht sein oder, wie bei den neusten wassergekühlten Servomotoren von Baumüller, direkt im Motorgeh?use. Die Variante mit der Mantelkühlung führt dazu, dass der Motor mehr Bauraum ben?tigt, bei der Realisierung direkt im Geh?use sind die Abmessungen der wassergekühlten Motoren identisch zu denen der ungekühlten Motoren. Im Prinzip wird dann einfach das Wasser durch den Motor gepumpt und von einem Kühlaggregat immer wieder heruntergekühlt. So wird der Motor nicht zu hei? und kann optimale Leistung liefern. Grunds?tzlich gilt, je mehr Strom dem Motor zugeführt wird umso mehr heizt er sich auf und umso mehr muss die Kühlung leisten.

Die Wahl der richtigen Kühlart ist nicht einfach. Viele Faktoren beeinflussen die Entscheidung und der Grund für die Wahl wassergekühlter Elektromotoren kann vielf?ltig sein.

Die Wahl der richtigen Kühlart ist nicht einfach. Viele Faktoren beeinflussen die Entscheidung und der Grund für die Wahl wassergekühlter Elektromotoren kann vielf?ltig sein.

Erkl?rvideo

Im Video erfahren Sie was wassergekühlte Servomotoren besonders macht und wie Sie diese erfolgreich einsetzen.

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10 Herausforderungen, bei denen der Einsatz von wassergekühlten Elektromotoren Sinn macht.

Dynamik

Dynamik bedeutet, dass der Prozess einen schnellen Start-Stopp-Betrieb bei wenig Pausen erfordert. Je h?her die Dynamik, umso mehr Strom muss zugeführt werden, und der Antrieb erhitzt schneller. Wassergekühlte Elektromotoren führen diese W?rme besser ab, als luftgekühlte Motoren, es sind also dynamischere Prozesse m?glich. Durch die bessere Kühlleistung ist au?erdem die Motorleistung um bis zu 50% h?her als bei ungekühlten Motoren. So k?nnen die Motoren in vielen F?llen kleiner dimensioniert werden. Kleinere Motoren weisen eine geringere Massentr?gheit auf und erm?glichen damit zus?tzlich eine hohe Dynamik. Diese guten Eigenschaften der wassergekühlten Motoren in Sachen Dynamik machen es m?glich, dass Zykluszeiten reduziert und die Produktivit?t von Maschinen gesteigert werden k?nnen.

Hohes Moment

Die H?he der Nenn- oder Stillstandsmomente eines Motors ist abh?ngig von der Energie, die zugeführt werden kann. Die Wasserkühlung führt die W?rme im System besonders effektiv ab, so dass viel Energie zugeführt und damit hohe Momente erreicht werden k?nnen, ohne dass der Motor überhitzt.

Ist Wasserkühlung teurer als Luftkühlung? Kann Hydraulik?l als Kühlmedium anstatt Wasser verwendet werden? In unseren FAQ finden Sie Antworten auf diese und weitere Fragen.

FAQs zur Wasserkühlung

Hohes Moment PLUS hohe Dynamik

In der Regel muss ein Kompromiss gefunden werden zwischen den Anforderungen an die Dynamik und denen an das Moment. Kleinere Motoren bedeuten bessere Dynamik aber geringeres Moment. Gr??ere Motoren liefern ein hohes Moment, erlauben aber geringere Dynamik. Beim Einsatz der Wasserkühlung k?nnen beide Anforderungen erfüllt werden: kleine Baugr??e für hohe Dynamik plus hohes Moment dank optimaler Kühlung.

Verunreinigungen in der Luft

Bestehen am Maschinenstandort Verunreinigungen der Luft, z.B. durch Baumwollfasern in der Textilindustrie, dann führen diese bei luftgekühlten Motoren zur Verschmutzung der Lüfter. Verschmutzte Lüfter verhindern eine erfolgreiche Motorkühlung. Eine regelm??ige Reinigung wird n?tig und führt zu hohen Servicekosten und Stillstandzeiten. Eine Wasserkühlung erfordert keine Reinigung und erzeugt damit geringe Servicekosten. Ein weiteres Problem bei Textilfasern in der Umgebung ist deren Entzündlichkeit. Bereits bei 80 °C k?nnen sich Baumwollfasern entzünden. Da durch die Wasserkühlung die W?rme direkt am Motor abgeführt wird, kommt es im System gar nicht erst zu so hohen Temperaturen und die Motoroberfl?che bleibt im Vergleich kühler. Der Einsatz von wassergekühlten Motoren in der Textilindustrie bringt also mehrere Vorteile mit sich.

Wassergekühlte Servoantriebe

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Hohe Umgebungstemperatur

Ist die Umgebungstemperatur am Produktionsstandort besonders hoch, dann k?nnen luftgekühlte und ungekühlte Elektromotoren nicht mehr die optimale Leistung bringen, weil die Luft die Hitze nicht mehr ausreichend aufnehmen kann. Es kommt zum Derating. Die Wirksamkeit der Wasserkühlung ist unabh?ngig von der Umgebungstemperatur, es muss kein Leistungsverlust in Kauf genommen werden.

Bei den Baumüller Servomotoren DSD2 entspricht die Leistung eines wassergekühlten Servomotors der Baugr??e 45 der eines ungekühlten Motors in den Baugr??e 71. Es kann also um zwei Baugr??en kleiner dimensioniert werden

Begrenzter Bauraum

Platzsparender Einbau

Im Vergleich zu anderen Kühlarten ist die Leistung der Elektromotoren bei wassergekühlten Varianten um bis zu 50% h?her. Damit k?nnen die Motoren in vielen F?llen kleiner dimensioniert werden, so wird Bauraum gespart. Wassergekühlte Elektromotoren k?nnen au?erdem dicht nebeneinander verbaut werden, da keine Gefahr besteht, dass sie sich gegenseitig aufheizen. Zus?tzlich kann der Bauraum für die Lüfter gespart werden.

Temperaturempfindliches Produkt

Durch die direkte Kühlung am Motor entsteht eine verringerte W?rmeeinfuhr in der Maschine und dadurch k?nnen auch temperaturempfindliche Produkte bearbeitet werden.

Es ist schon Wasser oder ?l im System vorhanden

Ist bereits Wasser oder ?l an der Maschine im Einsatz, zum Beispiel bei hybriden servohydraulischen Anwendungen oder etwa in der Metallbearbeitung, dann fallen die hohen Initialkosten für das Kühlaggregat aus. Das System wird damit deutlich wirtschaftlicher und Vorteile wie hohe Leistung und Kompaktheit bekommen mehr Gewichtung.

Hohe Anforderungen an Hygiene

Besonders in der Lebensmittelproduktion und der Pharmaindustrie sind die Anforderungen an Hygiene gro?. Durch die Lüfter bei luftgekühlten Motoren kommt es zu Verwirbelungen der Luft, die eine Verteilung von Sporen und Keimen begünstigen. Dieses Problem kann mit wassergekühlten Motoren umgangen werden.

Hygienic Design Motoren

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Ger?uschemissionen müssen gesenkt werden

Durch den Wegfall der Lüftermotoren sinkt die L?rmbelastung beim Einsatz von Wasserkühlung deutlich.

FAQs zur Wasserkühlung

1. Ist Wasserkühlung teurer als Luftkühlung?

Ja, wassergekühlte Motoren sind in der Anschaffung kostenintensiver als ungekühlte oder luftgekühlte Elektromotoren, bieten aber ein besseres /Nm-Verh?ltnis. Zum h?heren Anschaffungspreis der Motoren tragen die Kosten für das Kühlaggregat mit Zubeh?r bei. Ist bereits Wasser oder ?l im System vorhanden, das zur Kühlung der Motoren verwendet werden kann, sinken diese Kosten. Oft überwiegen aber trotz der h?heren Initialkosten die Vorteile, zum Beispiel geringere Servicekosten oder h?here Leistung, so dass sich die h?heren Kosten schnell amortisieren. Es muss bei jeder Anwendung individuell kalkuliert werden, welche Kühlart Sinn macht und wirtschaftlich ist.

2. Kann Hydraulik?l als Kühlmedium anstatt Wasser verwendet werden?

Ja, geht, es kommt dann aber zu einem Derating. Wenn Hydraulik?l nach dem Standard HLP 46 genutzt wird, dann kommt es, abh?ngig vom Motorentyp zu einem Derating, zwischen 10 und 20 Prozent. Grund dafür ist die h?here Viskosit?t des ?ls, die dazu führt, dass das Medium langsamer durch die Kan?le flie?t und der Kühleffekt geringer ist. Au?erdem ist die W?rmekapazit?t von Wasser h?her als die von ?l, das hei?t Wasser nimmt die W?rme besser auf als ?l und kann sie so besser abführen.

3. Welche Anforderungen muss das Kühlmedium erfüllen?

Als Kühlmittel ist klares, schwebstoff- und schmutzfreies Wasser zu verwenden, das bestimmte Spezifikationen erfüllen muss zum Beispiel bezüglich pH-Wert, Wasserh?rte, Sulfat-Gehalt, usw.. Eine aufw?ndige Aufbereitung des Kühlwassers ist bei den Elektromotoren von Baumüller aber nicht notwendig, da die Kühlleitungen aus einem der korrosionsbest?ndigen Materialien Edelstahl oder KTL-beschichtetem Aluminium bestehen. Die Einlauftemperatur des Kühlmediums (?l oder Wasser) liegt im Optimalfall bei 25 °C kann aber bis zu 40 °C betragen, dann muss aber ein Derating in Kauf genommen werden. Ist bei hoher Au?entemperatur und hoher Luftfeuchtigkeit die Einlauftemperatur aber sehr gering, dann kommt es zur Bildung von Kondenswasser. In diesem Fall kann evtl. ein kleines Derating bei h?herer Einlauftemperatur in Kauf genommen werden um die Kondenswasserbildung zu umgehen.

4. Was ist mit der Elektronik?

Sind die Motoren wassergekühlt, bietet sich auch eine Wasserkühlung der Servoantriebe an. Die Kühlung der Elektronik kann mit dem gleichen Kühlsystem wie die der Motoren erfolgen, das Kühlaggregat rechnet sich in diesem Fall doppelt. Wenn durch den Einsatz der wassergekühlten Elektromotoren ein Downsizing m?glich ist, dann fallen auch die Servoantriebe kleiner aus und die Aufstellfl?che der Schaltschr?nke wird kleiner.

5. Was brauche ich zus?tzlich, wenn ich vorher kein Wasser an der Maschine hatte?

Zur Realisierung einer Maschine mit flüssigkeitsgekühlten Motoren ben?tigen Sie ein Kühlaggregat, das das Kühlmedium auf die optimale Temperatur herunterkühlt. Dieses Kühlaggregat ist nicht Teil des Lieferumfangs der Baumüller Antriebssysteme. Wir empfehlen Ihnen aber gerne zuverl?ssige Partner.

6. Welche Wartungsarbeiten kommen auf den Maschinenbetreiber zu?

Die Wasserkühlung selbst erzeugt keinen zus?tzlichen Serviceaufwand. Beim Kühlsystem handelt es sich um einen geschlossen Kreislauf, der keine h?ufigen Serviceeins?tze erfordert.

Diese Motorbaureihen von Baumüller sind mit Wasserkühlung lieferbar:

Motor | Eigenschaften | Baugr??en mit Wasserkühlung
DS2 | Drehstrom-Synchronmotor | 100-200
DA1 | Drehstrom-Asynchronmotor | 100-280
DSD2 | Dynamischer Servomotor für h?chste Anforderungen an Beschleunigungsverm?gen und Start-Stopp-Qualit?ten | 45-132
DSC1 | Kompakter Servomotor mit hoher Drehmomentdichte | 45-100
DSP1 | Drehzahlstarker Servomotor mit guten Beschleunigungs- und ?berlastf?higkeiten sowie gesteigertem Drehzahl- und Leistungsbereich | 45-100
DST2 | Hochpoliger Torquemotor als Direktantrieb mit sehr hohem Moment | 135-560

Haben Sie noch Fragen?

Markus Keila
Produktmanager Motoren