Algemeen

Wijze lessen over koeling elektromotoren

Koeling elektromotoren Regal Beloit
Door het hogere rendement bij de elektrische omzetting en de nieuwe manieren van temperatuurmanagement kunnen elektromotoren in de toekomst een stuk koeler gaan draaien (foto: Regal Beloit)

Door het hogere rendement bij de elektrische omzetting en de nieuwe manieren van temperatuurmanagement kunnen elektromotoren in de toekomst een stuk koeler gaan draaien. Maar voorlopig blijft de warmteafvoer een belangrijk punt bij het ontwerpen van aandrijfsystemen met een elektromotor. Bill Bertram van motorenfabrikant Marathon Electric bespreekt de stand der techniek en kijkt even in zijn glazen bol.

Laten we eerst de beginselen van een elektromotor en zijn temperatuurmanagement eens bekijken. Warmte ontstaat als bijproduct zodra de opgenomen stroom in mechanische arbeid wordt omgezet, zoals een elektromotor of andere roterende elektrische machine dat doet. Het wijst eigenlijk op inefficiëntie, net zoals lawaai. Maar motorontwerpen worden almaar efficiënter, waardoor ze minder warmte produceren – maar nog altijd genoeg om ontwerpers van elektrische aandrijfsystemen kopzorgen te maken.

Luchtkoeling

De eenvoudigste vorm van warmteafvoer is de uitstraling naar de lucht of constructie rondom de aangedreven machine. Als hulpmiddel kan een koelblok – meestal een blok aluminium met koelribben een grote oppervlakte – op de motor worden gezet om de warmte op te nemen en snel aan de atmosfeer af te geven. Dit soort constructie ziet u op veel industriële motoren, die over bijna hun hele lengte een huis met koelribben hebben.

Nog een gebruikelijke koelmethode bij elektromotoren is de geforceerde luchtkoeling. Industriële motoren hebben vaak een ingebouwde ventilator achter op de uitgaande as, die daardoor even snel draait als de aangedreven machine. De ventilator heeft een geperforeerde beschermingsmantel, die tevens nieuwsgierige vingers uit de buurt houdt. Dit motortype wordt vaak ‘gesloten omkasting met koelventilator’ (TEFC) genoemd. Een variant hierop, die vaak voor servomotoren wordt gebruikt, is een onafhankelijk aangestuurde elektrische ventilator.

Een gekoelde motor kan een zwaardere belasting aan en gaat waarschijnlijk langer mee dan een ongekoeld exemplaar. We gebruiken ook een geforceerde ventilatie als het motortoerental door een frequentie-inverter wordt geregeld. Bij lage toeren werkt een ventilator op de motoras namelijk niet efficiënt meer, zodat een geforceerde ventilatie nodig is om het vereiste luchtvolume voor de motorkoeling te leveren.

Vloeistofkoeling

Een koelvloeistof kan meer motorwarmte opnemen dan de omgevingslucht. Water, glycol of andere vloeistoffen kunnen als koelmedium worden gebruikt. Water biedt de mogelijkheid van een open koelsysteem, waarbij het water – doorgaans uit de waterleiding – door de motor circuleert, warmte opneemt en vervolgens naar een afvoer loopt.

Maar er zijn ook gesloten koelsystemen, die we bij andere koelvloeistoffen dan water gebruiken. Hierbij recirculeert de koelvloeistof constant door een warmtewisselaar alvorens opnieuw te worden gebruikt. De warmtewisselaar kan simpelweg luchtgekoeld zijn en de warmte aan de atmosfeer afstaan, maar de warmte-energie kan ook worden opgeslagen en/of doorgegeven om elders te worden gebruikt.

Er zijn nog andere, minder gebruikelijke koelsystemen. Zo vinden onderzoekers in een laboratorium het soms noodzakelijk om de ontwikkelde super high-performance motoren met ultrakoude vloeibare stikstof te koelen. Elders zien we op afstand bestuurbare onderzeevaartuigen (ROV’s), die voor hun voortstuwing vaak zwaarbelaste servomotoren zonder speciaal koelsysteem hebben en in plaats daarvan de diepzee als ‘onbegrensd koelblok’ gebruiken.

Koel en exotisch

Maar we zien ook koelsystemen die nog exotischer zijn en die we wellicht vaker tegenkomen naarmate elektromotoren meer worden gebruikt en beter presteren. In sommige high-performance toepassingen komt bijvoorbeeld extreem veel warmte vrij, die daarom snel moet worden afgevoerd. In zulke gevallen kunnen de wikkelingen eventueel direct worden gekoeld door gesloten koelvloeistofkanalen langs de statorgleuven en tussen de wikkelingen te laten lopen.

Het is zelfs mogelijk de geleiders direct te koelen door ze in een niet-geleidende koelvloeistof te dompelen. Geschikte vloeistoffen daarvoor zijn onder andere gedemineraliseerd water (slechte stroomgeleider) en transformatoroliën (speciale samenstelling om niet te geleiden).

Een andere koelmethode is onder andere dat de wikkeluiteinden van de geleiders direct met olie worden besproeid.

Voor industriële technici is de warmteafvoer meestal geen probleem: de vrije luchtstroom om de motor is sterk genoeg of de standaard koelvin volstaat ruimschoots. Maar het temperatuurmanagement vraagt wél uw aandacht als de elektromotor:

  • in een warm klimaat wordt gebruikt,
  • in een kleine ruimte staat, waarin de natuurlijk luchtstroom waarschijnlijk beperkt is,
  • eventueel met brandbare materialen of de handen van de gebruiker in contact kan komen,
  • een probleem door de warmte-uitzetting kan krijgen.

Machinebouwers zouden moeten bedenken dat elektromotoren warmte afgeven door elektrische en mechanische verliezen, dat wil zeggen door inefficiëntie. Kijk daarom naar het rendement van het aandrijfsysteem als een motor te warm wordt. Als u een oudere motor door een moderne hoogefficiënte unit vervangt, verhelpt u het warmteprobleem en verlaagt u ook het stroomverbruik. Het gangbaar maken van een stroef lopend lager kan ook uitkomst brengen. Een andere optie is dat de warmte-energie zo mogelijk via een watermantel wordt teruggewonnen om elders te worden gebruikt.

De koelmethode van roterende machines is zelfs vastgelegd in de IEC 34.6 en AS 1359.21 normen, die in richtlijnen aangeven welke koelsystemen in specifieke omstandigheden waarschijnlijk geschikt zijn.

Door een onverwachte wending zou de volgende grote sprong in de ontwikkeling van elektromotoren wel eens uit de autotechniek kunnen komen. Elektrische en hybride voertuigen ontwikkelen zich snel en bij hen is warmteproductie van de motor een groot probleem. Een radiateursysteem ligt voor de hand, want dat hebben auto’s al, maar de te behalen voordelen zijn zo groot dat het loont ook andere opties te bekijken – en elke nieuwe technologie kan terugkeren in industriële aandrijvingen of op andere gebieden.

 

x
Mis niet langer het laatste nieuws

Schrijf u nu in voor onze nieuwsbrief.

Inschrijven