Elektromotor Cool bleiben beim Prüfen

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Elektromotoren müssen viele Prüfungen durchlaufen. Elektromotorenhersteller Ben Buchele führt diese Prüfungen sowohl für die eigenen Motoren als auch für Fremdfabrikate durch – und weiß, worauf es dabei ankommt.

In einem Elektromotorenwerk ist ein eigener Prüfstand unabdingbar, um zum einen Normvorgaben und zum anderen vom Kunden geforderte Spezifikationen eines Motors nachzuweisen. Das gilt für alle Motoren, ob im Automotive-Bereich, im Schiffbau oder in industriellen Anwendungen. Elektromotorenhersteller Ben Buchele führt diese Prüfungen im hauseigenen Prüffeld sowohl für die Eigenentwicklungen als auch für Fremdfabrikate durch.

Im Prüffeld von Ben Buchele befinden sich drei Prüfstände, einer davon mit Doppelbelegung. Hier lassen sich Drehstromsynchron- und Asynchron-Motoren mit einer mechanischen Leistung von 0,1 kW bis 300 kW prüfen; die Prüfleistung der vier Prüfstände beträgt 300 kW, 100 kW, 22 kW und 4 kW.

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Wassergekühlte Lastmaschinen bieten viele Vorteile

Geprüft wird bei Ben Buchele mit wassergekühlten Lastmaschinen, die in einem Prüfstand viele Vorteile bieten. Ein entscheidendes Argument für einen wassergekühlten Motor ist die geringere Geräuschentwicklung, die dem Wassermantel und dem fehlenden Lüfter geschuldet ist. Für Personen, die im Prüffeld arbeiten, wäre eine dauerhafte Lärmbelastung durch lüftergekühlte Motoren nicht zumutbar. Ein wassergekühlter Elektromotor ist um ein Vielfaches leiser als ein luftgekühlter. Auch für bestimmte Geräusch- und Schwingungsmessungen muss das Prüfumfeld geräuscharm sein.

Druckfest gekapselte Motoren

Extra-Schutz für Ex-Motor

Aus Techniker-Sicht besonders vorteilhaft sind die geringen Service- und Wartungskosten eines wassergekühlten Motors, dessen Gehäuse bei Schmutzablagerungen keine besonderen Reinigungsprozesse benötigen. Ein Lüfter dagegen saugt Luft an, bläst sie weiter und sorgt dafür, dass Schmutz- und Restpartikel an der Außenseite des Gehäuses anhaften. Dadurch verschlechtert sich die Wärmebilanz des Motors, denn je dicker die Ablagerungsschicht ist, desto schlechter funktioniert die Ableitung der Temperatur. Staub auf dem Gehäuse ist bei einem wassergekühlten Motor dagegen unerheblich, da die Temperatur über den inneren Wassermantel abtransportiert wird.

Auch in Prüfständen z. B. in der Automobilindustrie, die auf einen 24/7-Betrieb ausgerichtet sind, ist dieser Wartungs­effekt, der zu geringeren Stillstandszeiten und Kosten führt, besonders vorteilhaft.

Da in Prüfständen oft beengte Platzverhältnisse vorherrschen, überzeugt der wassergekühlte Motor hier mit einem geringen Einbauraum und einer Gewichtsersparnis dank kleinerer Baugröße und damit auch weniger Bauteilen. Auch der fehlende Lüfter sorgt für eine große Platzersparnis. Sowohl die Leistung als auch der Wirkungsgrad sind in der Regel höher als beim luftgekühlten Motor bei gleicher Baugröße. Dadurch ist der wassergekühlte Motor auch thermisch nicht so hoch belastet. Der Vorteil: Es gelangt keine Abwärme in den Prüfraum.

Oberflächentemperatur übersteigt 35 °C nicht

Richard Kiesl, Betriebsleiter bei Ben Buchele, erläutert den Zusammenhang: „Oberflächengekühlte Motoren können sich durchaus auf eine Oberflächentemperatur von 60 bis 70 Grad Celsius oder höher erwärmen und diese Abwärme an den Prüfraum abgeben. Für den Prüfling ist dies nachteilig, da er bei einer viel höheren Umgebungstemperatur geprüft wird und sich deutlich schneller erwärmt und das Ergebnis so verfälschen kann. Bei Tests in unserem Prüfstand erzielten die wassergekühlten Motoren selbst unter Volllast eine maximale Oberflächentemperatur von 35 Grad Celsius – nicht mehr als die Temperatur an einem warmen Sommertag.“

Prüfstandmaschinen

E-Motoren mit leistungsstarken Motoren prüfen

Als Argument gegen einen wassergekühlten Motor wird teilweise ins Feld geführt, dass er zusätzliche Kosten durch ein gesondertes Kühlaggregat und eine zusätzliche Verrohrung verursacht. Diese überschaubaren Kosten sind nicht von der Hand zu weisen, allerdings gibt es in manchen Umgebungen die Möglichkeit, den Motor in bestehende Kühlanlagen mit verschiedenen Kühlmedien, z. B. auch Öl einzubinden. Diese Variante bietet sich an, wenn sich neben dem Prüffeld Anlagen befinden, die z. B. mit Hydraulik betrieben werden und hierfür bereits eine entsprechende Verrohrung für die Öl- zufuhr vorhanden ist, an die der mantelgekühlte Motor mit angeschlossen werden kann. Die Kühlleistung ist in diesem Fall etwas geringer; es erfolgt ein Derating um ca. 10 bis
20 Prozent. Dennoch ist diese Kühlungsvariante effizienter als die Kühlung mittels Lüfter.

Prüfungen nach Norm und auf Kundenwunsch

Die Prüfungen, die Ben Buchele im Prüffeld durchführt, sind vielfältig: zum einen als Nachweis der Erfüllung von Normen, zum anderen auf Kundenwunsch, ob bestimmte Spezifikationen erfüllt werden können. Dazu kommen Überprüfungen der eigenen Motoren zur Weiterentwicklung und Optimierung.

Normprüfungen sind z. B. Lastprüfungen für die verschiedenen Betriebsarten (S1 = Dauerbetrieb, S2 und S3 = Kurzzeitbetrieb) oder die Überprüfung der Drehmomentwerte an den verschiedenen Lastpunkten 25, 50 und 100 Prozent Drehmoment, die einer Normvorgabe entsprechen müssen. Bei Erwärmungsprüfungen wird festgestellt, nach welcher Zeitspanne der Motor seine Maximaltemperatur erreicht.

Hier wird der Temperaturverlauf des Motors und seiner einzelnen Komponenten beobachtet, z. B. in der Wicklung und an den Lagerstellen und abgeglichen, ob das Temperatur­verhalten den Vorgaben entspricht.

Für Kunden sind häufig Überlast- oder Überstromprüfungen interessant, bei denen der Motor in einem vordefinierten Zeitfenster mit 125 oder auch bis zu 160 Prozent Überlast gefahren wird. Bei bestimmten Anwendungen kann es sein, dass der Motor kurzzeitig unter Überlast funktionieren muss. Wenn er dabei eine festgelegte Temperaturgrenze nicht überschreitet, ist er für diese Überlastanwendung geeignet.

Auch Energieeffizienzprüfungen gehören zum Repertoire

Auf Kundenwunsch erfolgen Energieeffizienzprüfungen, d. h. der Kunde gibt eine bestimmte Energieeffizienzklasse vor, nach der der Motor ausgelegt werden muss. Dazu gehören u.a. Leerlaufprüfungen und Erwärmungsprüfungen. Mit derlei Energieeffizienzprüfungen entwickelt Ben Buchele zudem seine eigenen Motoren in Richtung Energieeffizienz IE4 weiter, wie Richard Kiesl erläutert: „IE4 ist derzeit die höchste Energieeffizienzklasse, die im Normalfall nur mit Synchronmaschinen zu erreichen ist. Wir haben jedoch auch bereits einige erfolgreiche Versuche mit Asynchronmaschinen gefahren, die die IE4-Energieeffizienz erzielen konnten. Das gelingt unter anderem mit einer optimierten Lüftergeometrie bei oberflächengekühlten Motoren.“ Weitere Optimierungspotenziale, die die Effizienz beeinflussen, werden derzeit von Ben Buchele eruiert.

Die Wärmeentwicklung ist immer ein kritischer Faktor beim Betrieb eines Elektromotors. Um festzustellen, ob der Motor Wärmenester aufweist, die Kühlung also nicht optimal ist und die Temperatur infolgedessen höher als gewünscht, setzt Ben Buchele als weitere Prüfung Infrarotkameras ein, um kritische Stellen sichtbar zu machen. So lässt sich sicherstellen, dass sich diese Wärmestellen nicht an ungünstigen Orten befinden, z. B. dort, wo Messsonden angrenzen oder Lager sich überproportional erwärmen und so beeinträchtigt werden.

Die richtige Lastmaschine für ein sicheres Messergebnis

Für die hier beschriebene Vielfalt an Belastungs- und Erwärmungsprüfungen der Elektromotoren mit unterschiedlichsten Anforderungen erweisen sich wassergekühlte Last­maschinen in den Prüfständen als besonders vorteilhaft: Sie sind geräusch- und wartungsarm, platzsparend bei hoher Leistung und entwickeln nur eine geringe Wärme. So heizen sie die Prüfumgebung nicht unnötig auf, um die Messergebnisse nicht zu verfälschen.

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