Wassergekühlte Elektromotoren – In diesen Fällen machen sie Sinn, das müssen Sie beachten

Susanne Reinhard, Baumüller Nürnberg GmbH

Lesedauer ca. 8 min.

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 Wärme an.

Funktion und Vorteile der Wasserkühlung


IMG_6482-web


Um eine Überhitzung des Motors zu vermeiden muss diese Wärme abgeführt werden. Dazu stehen verschiedene Möglichkeiten zur Auswahl. Ungekühlte Motoren geben die Wärme an das Maschinengehäuse, an dem sie befestigt sind, und durch Konvektion an die Umgebung ab. Luftgekühlte Motoren werden mit einem Lüfter ausgestattet, der Luft über das Motorgehäuse bläst und diesen so kühlt. Motoren mit Flüssigkeitskühlung werden durch Wasser oder Öl gekühlt, das durch Kühlkanäle im Motor fließt.

Funktionsweise Wasserkühlung

Die Flüssigkeitskühlung von Elektromotoren kann auf verschiedene Arten umgesetzt werden. Grundlegend sind immer im Stator des Motors Kanäle durch die meist Wasser geleitet wird, weil Wasser den besten Wärmeleitkoeffizient hat. Daher wird in der Regel und auch in diesem Text von wassergekühlten Elektromotoren gesprochen. Die Kühlleitungen können entweder in einem speziellen Mantel untergebracht sein oder, wie bei den neusten wassergekühlten Servomotoren von Baumüller, direkt im Motorgehäuse. Die Variante mit der Mantelkühlung führt dazu, dass der Motor mehr Bauraum benötigt, bei der Realisierung direkt im Gehäuse 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 heiß und kann optimale Leistung liefern. Grundsätzlich gilt, je mehr Strom dem Motor zugeführt wird umso mehr heizt er sich auf und umso mehr muss die KühlungUnbenannt 1 web leisten.

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

Erklärvideo

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

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

Torquemotor

Dynamik

Dynamik bedeutet, dass der Prozess einen schnellen Start-Stopp-Betrieb bei wenig Pausen erfordert. Je höher die Dynamik, umso mehr Strom muss zugeführt werden, und der Antrieb erhitzt schneller. Wassergekühlte Elektromotoren führen diese Wärme besser ab, als luftgekühlte Motoren, es sind also dynamischere Prozesse möglich. Durch die bessere Kühlleistung ist außerdem die Motorleistung um bis zu 50% höher als bei ungekühlten Motoren. So können die Motoren in vielen Fällen kleiner dimensioniert werden. Kleinere Motoren weisen eine geringere Massenträgheit auf und ermöglichen damit zusätzlich eine hohe Dynamik. Diese guten Eigenschaften der wassergekühlten Motoren in Sachen Dynamik machen es möglich, dass Zykluszeiten reduziert und die Produktivität von Maschinen gesteigert werden können.

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

Hohes Moment

Die Höhe der Nenn- oder Stillstandsmomente eines Motors ist abhängig von der Energie, die zugeführt werden kann. Die Wasserkühlung führt die Wärme im System besonders effektiv ab, so dass viel Energie zugeführt und damit hohe Momente erreicht werden können, ohne dass der Motor überhitzt.

Hohes Moment PLUS hohe Dynamik

gaseous air pollution PCRS3MZ webIn 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. Größere Motoren liefern ein hohes Moment, erlauben aber geringere Dynamik. Beim Einsatz der Wasserkühlung können beide Anforderungen erfüllt werden: kleine Baugröße 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 regelmäßige Reinigung wird nötig 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 können sich Baumwollfasern entzünden. Da durch die Wasserkühlung die Wärme direkt am Motor abgeführt wird, kommt es im System gar nicht erst zu so hohen Temperaturen und die Motoroberfläche bleibt im Vergleich kühler. Der Einsatz von wassergekühlten Motoren in der Textilindustrie bringt also mehrere Vorteile mit sich.

Wassergekühlte Servoantriebe

Sie möchten mehr Informationen?

Hohe Umgebungstemperatur

Ist die Umgebungstemperatur am Produktionsstandort besonders hoch, dann können 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 unabhängig von der Umgebungstemperatur, es muss kein Leistungsverlust in Kauf genommen werden.

bild 1 small

Begrenzter Bauraum

3d-rendering-minimal-wood-walk-in-closet-with-ward-LAUPYBS-web


Im Vergleich zu anderen Kühlarten ist die Leistung der Elektromotoren bei wassergekühlten Varianten um bis zu 50% höher. Damit können die Motoren in vielen Fällen kleiner dimensioniert werden, so wird Bauraum gespart. Wassergekühlte Elektromotoren können außerdem dicht nebeneinander verbaut werden, da keine Gefahr besteht, dass sie sich gegenseitig aufheizen. Zusätzlich kann der Bauraum für die Lüfter gespart werden.

Temperaturempfindliches Produkt

Durch die direkte Kühlung am Motor entsteht eine verringerte Wärmeeinfuhr in der Maschine und dadurch können auch temperaturempfindliche Produkte bearbeitet werden.

Es ist schon Wasser oder Öl im System vorhanden

Ist bereits Wasser oder Öl 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 groß. 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

Sie suchen einen Motor, der auch höchste Hygieneanforderungen erfüllt.

Geräuschemissionen müssen gesenkt werden

Durch den Wegfall der Lüftermotoren sinkt die Lärmbelastung beim Einsatz von Wasserkühlung deutlich.

FAQs zur Wasserkühlung

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

Ja, geht, es kommt dann aber zu einem Derating. Wenn Hydrauliköl nach dem Standard HLP 46 genutzt wird, dann kommt es, abhängig vom Motorentyp zu einem Derating, zwischen 10 und 20 Prozent. Grund dafür ist die höhere Viskosität des Öls, die dazu führt, dass das Medium langsamer durch die Kanäle fließt und der Kühleffekt geringer ist. Außerdem ist die Wärmekapazität von Wasser höher als die von Öl, das heißt Wasser nimmt die Wärme besser auf als Öl und kann sie so besser abführen.

Als Kühlmittel ist klares, schwebstoff- und schmutzfreies Wasser zu verwenden, das bestimmte Spezifikationen erfüllen muss zum Beispiel bezüglich pH-Wert, Wasserhärte, Sulfat-Gehalt, usw.. Eine aufwändige Aufbereitung des Kühlwassers ist bei den Elektromotoren von Baumüller aber nicht notwendig, da die Kühlleitungen aus einem der korrosionsbeständigen Materialien Edelstahl oder KTL-beschichtetem Aluminium bestehen. Die Einlauftemperatur des Kühlmediums (Öl 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 Außentemperatur und hoher Luftfeuchtigkeit die Einlauftemperatur aber sehr gering, dann kommt es zur Bildung von Kondenswasser. In diesem Fall kann evtl. ein kleines Derating bei höherer Einlauftemperatur in Kauf genommen werden um die Kondenswasserbildung zu umgehen.

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 möglich ist, dann fallen auch die Servoantriebe kleiner aus und die Aufstellfläche der Schaltschränke wird kleiner.

Zur Realisierung einer Maschine mit flüssigkeitsgekühlten Motoren benötigen 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 zuverlässige Partner.

Die Wasserkühlung selbst erzeugt keinen zusätzlichen Serviceaufwand. Beim Kühlsystem handelt es sich um einen geschlossen Kreislauf, der keine häufigen Serviceeinsätze erfordert.

Diese Motorbaureihen von Baumüller sind mit Wasserkühlung lieferbar:

Motor       
Eigenschaften Baugrößen mit Wasserkühlung
DS2 Drehstrom-Synchronmotor 100-200
DA1 Drehstrom-Asynchronmotor 100-280
DSD2 Dynamischer Servomotor für höchste Anforderungen an Beschleunigungsvermögen und Start-Stopp-Qualitäten 45-132
DSC1 Kompakter Servomotor mit hoher Drehmomentdichte 45-100
DSP1 Drehzahlstarker Servomotor mit guten Beschleunigungs- und Überlastfähigkeiten sowie gesteigertem Drehzahl- und Leistungsbereich 45-100
DST2 Hochpoliger Torquemotor als Direktantrieb mit sehr hohem Moment 135-560

Haben Sie noch Fragen?

Betrieb von Motoren mit Mehrfachwicklung

Markus Keila
Produktmanager Motoren

Unser zuständiger Experte hilft Ihnen gerne weiter.

Bitte wählen Sie die Anrede aus.
Dies ist ein Pflichtfeld
Dies ist ein Pflichtfeld
Dies ist ein Pflichtfeld
Dies ist ein Pflichtfeld
Dies ist ein Pflichtfeld
Dies ist ein Pflichtfeld
Invalid Input
Invalid Input
Anhänge bis 10 MB in gängigen Bild-Formaten.

Informationen zum Datenschutz finden Sie in unserer Datenschutzerklärung.

Die Pflichtinformationen nach Art. 13 Datenschutzgrundverordnung (DSGVO) für das Kontaktformular finden Sie unter folgendem Link.

Spamprotection failed.
Die mit einem Stern (*) gekennzeichneten Felder sind Pflichtfelder.