Hoe je koel blijft: wijze lessen over elektromotoren

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.

Warmte ontstaat als bijproduct zodra stroom in mechanische arbeid wordt omgezet, zoals een elektromotor of andere roterende elektrische machine dat doet. Het wijst eigenlijk op inefficiëntie, net zoals lawaai.

Warmteafvoer kan gebeuren door uitstraling naar de lucht of met een constructie rondom de machine. Als hulpmiddel kan een koelblok op de motor worden gezet. Ook is er geforceerde luchtkoeling. Industriële motoren hebben vaak een ingebouwde ventilator achter op de uitgaande as, die daardoor even snel draait als de aangedreven machine. 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.

Vloeistofkoeling

Een koelvloeistof zoals water of glycol kan ook als koelmedium dienen. Minder gebruikelijke koelsystemen zijn bijvoorbeeld koelsystemen met ultrakoude vloeibare stikstof of 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. 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 o.a. 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 warmteuitzetting kan krijgen.

Tip voor machinebouwers

Kijk 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.

Toekomst

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.

bron: Regal Beloit