Aufbau von Elektromotoren

Die Grösse eines Motors ist mit dem Abstand (mm) von der  Welle zur Auflage definiert. Diese Distanz wird als Baugrösse  bezeichnet. Für Asynchronmotoren ist diese Grösse normiert (IEC-Normmotor).  Beispiel: Ein Motor der Baugrösse 100 hat eine Achshöhe von 100 mm.

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Schnitt durch einen Elektromotor

Ein Elektromotor besteht im wesentlichen aus folgenden 3 Teilen:

  • Stator: der feststehende elektromechanische Teil
  • Rotor: der rotierende elektromechanische Teil
  • Gehäuse, Lager, Achse und Kühlung

Technische Ausführung von Motoren

  • Toleranzen: Die elektromechanischen Angaben für einen Motor sind oft nur berechnet und unterliegen wegen der Blechqualität Toleranzen, welche in der Norm IEC 60034-1 definiert sind:
    Bei der Verlustleistung wird für Antriebe bis 150 kW eine zulässige Abweichung von +15% toleriert, bei grösseren Antrieben noch eine von +10%. Beispiel: Eine 15 kW Asynchronmaschine mit 91% Wirkungsgrad kann bei der Abgabe der Nennleistung auch nur einen Wirkungsgrad von 89.6% haben, das heisst, sie nimmt statt 16.5 kW eine Leistung von 16.7 kW auf, die Nennverluste sind 1.7 kW statt bis 1.5 kW.
    Beim Schlupf sind es für Antriebe unter 1 kW ±30% Abweichung, bei grösseren Antrieben immer noch ±20%. Beispiel: Eine 15 kW Asynchronmaschine mit 1450 U/min Nenndrehzahl kann Ihren Nennpunkt zwischen 1440 oder 1458 U/min haben.
    Beim Lastfaktor (cosφ) sind die Toleranzen -16 % von der Differenz zu 1, mit einer Grenze von mindestens -0.02 und und maximal -0.07. Beispiel: Bei einer 15 kW Asynchronmaschine mit einem nominalen cosφ von 0.85 kann der Lastfaktor bei Nennbelastung auch bei 0.82 sein.
  • Leistungsreduktion: Bei Umgebungstemperaturen über 40 °C und Unterdrücken welche Höhenlagen von über 1000 m ü. M. entsprechen muss der Motor deklassiert werden.
    Bei einer Umgebungstemperatur von 50 °C ist eine Deklassierung um 8%, bei 60 °C eine von 18% erforderlich. Auf der anderen Seite kann beim Betrieb bei einer Umgebungstemperatur von 10 °C 16% mehr Drehmoment abgenommen werden, bei 20 °C sind es 11% und bei 30 °C noch 6%.
    Bei Höhenlagen von 2000 m ü. M ist eine Deklassierung um 6%, bei 3000 m um 14% und bei 4000 m um 23% erforderlich.
  • Aussetzbetrieb: Ein Motor, welcher oft ein- und ausgeschaltet wird, kann sich mehr als im Dauerbetrieb erwärmen und dadurch ausfallen. Wenn eine Leistung nur für eine kurze Einschaltdauer (innerhalb von 10 Minuten) benötigt wird, kann vom Motor auch eine höhere Leistung abgenommen werden (Lift, Handbohrmaschine ...), siehe Betriebsart
  • Isolationsklasse: Die Isolationsstoffklasse beschreibt die zulässige Dauertemperatur der Wicklungsisolation. Klasse B (130 °C) entspricht dem Standard. Klasse F (155 °C) ist bei umrichtergespiesenen Motoren empfehlenswert. Klasse H (180 °C) ist nur in besonderen Fällen erforderlich.
  • Schutzart: Die Schutzart (IP 12) kennzeichnet den Schutz eines elektrischen Gerätes gegen das Eindringen von Fremdkörpern wie Finger, Staub usw. (erste Ziffer) und gegen Wasser (zweite Ziffer). Die Schutzart nimmt keinen Bezug auf die Beständigkeit gegenüber Lösungsmittel und Korrosion. Für die Schutzart ist die Wellendichtung die kritische Stelle. Ein wasserdichter Motor braucht eine spezielle Dichtung, welche regelmässig ersetzt werden müsste und eine relativ hohe Reibung (Verluste) hat. In vielen Fällen genügt da auch eine Schleuderscheibe auf der Welle.
  • Explosionsschutz: Elektromotoren gibt es in unterschiedlichen Zündschutzarten (erhöhte Sicherheit "e", druckfeste Kapselung "d"). Ein explosionsgeschützter Motor muss zusammen mit dem entsprechenden Steuergerät (Beispiel: Frequenzumrichter) bescheinigt werden.

Zuverlässigkeit

Elektrische Antriebssysteme sind im allgemeinen zuverlässige Systemkomponenten. Folgende Kriterien bestimmen die Zuverlässigkeit:

  • Bei Kollektormaschinen (Gleichstrommotoren, Universalmotoren ...) liegt die Bürstenstandzeit zwischen 20 und 8000 Betriebsstunden. Der Kollektor ist jeweils auch zu überprüfen und gegebenenfalls zu revidieren.
  • Die Lager halten 10'000 bis 50'000 Stunden. Bei grossen und in unbeaufsichtigten Anlagen installierten Antrieben werden die Lagervibrationen und Temperaturen überwacht. Bei Riemenantrieben ist eine verstärkte Lagerung am Motor vorzusehen. Ein Flachriemen ist einem Keilriemen vorzuziehen. Der Riemen und die Spannung ist regelmässig zu kontrollieren.
  • Bei der Verwendung von Motoren mit hohen Schutzarten (zum Beispiel: IP 56) ist die Lagerdichtung nach den angegebenen Betriebsstunden auszuwechseln.
  • Die Leistungselektronik erreicht Ausfallraten von unter 1%. Nach 5 Jahren Dauerbetrieb können die Kühllüfter ausfallen. Nach etwa 7 Jahren (je nach Umgebungstemperatur) können die Elektrolytkondensatoren ausgetrocknet sein. Nach 15 Jahren ist die Gefahr gross, dass beim Lieferanten niemand mehr das Gerät kennt.
  • Wicklung (100'000 Stunden Lebensdauer bei Nennbetrieb). Eine dauernde Überschreitung der zulässigen maximalen Wicklungstemperatur um 10 K halbiert die Wicklungslebensdauer. Überspannungsimpulse im Motor zum Beispiel vom Frequenzumrichterbetrieb verursacht, können die Wicklungsisolation schneller altern lassen, im Extremfall auf ein paar Stunden hinunter.
  • Redundanz durch Installation eines zweiten zuschaltbaren oder mitlaufenden Motors. Beim Betrieb mit Frequenzumrichter Installation einer automatischen Überbrückung (vom Netz direkt auf den Motor, mit Schutzelementen) wenn es die Anwendung zulässt.