Kühlarten von Elektromotoren: IC411, IC416, IC410 und der Einfluss des Aufstellungsorts

Ein Elektromotor mit 22 kW nimmt bei Volllast mehr als 22 kW aus dem Netz auf. Für einen 4-poligen Antrieb dieser Leistung liegt die IE3-Grenze des Wirkungsgrads bei 93,0 %. Der Elektromotor bezieht also rund 23,7 kW und wandelt die Differenz von 1,66 kW in Wärme um. Das entspricht einem kleinen Heizlüfter, der dauerhaft im Gehäuse arbeitet. Kann diese Wärme nicht von Wicklung, Läufer und Blechpaket über das Gehäuse an die Umgebungsluft abgegeben werden, steigt die Temperatur und die Lebensdauer der Isolierung sinkt.

Die Kühlart beschreibt, wie diese Wärme abgeführt wird. Der IC-Code im Katalog fasst diese Beschreibung in Kurzform zusammen. Der Code allein reicht jedoch nicht aus: Erst der Aufstellungsort entscheidet, ob die Kühlung in der Praxis so gut funktioniert wie auf dem Papier.

Wo entsteht die Wärme und wohin wird sie abgeführt?

Der Großteil der Verluste in einem Asynchronmotor entsteht als Kupferverlust in der Ständerwicklung, als Verlust im Läuferkäfig und als Eisenverlust im Blechpaket. Lagerreibung und Lüfter tragen einen kleinen Anteil bei. In einem geschlossenen Elektromotor nimmt die Wärme folgenden Weg: Wicklung und Blechpaket leiten sie an das Gehäuse, die Kühlrippen an der Außenseite geben sie an die Luft ab, und der Lüfter auf der Rückseite bläst ständig Luft zwischen den Rippen hindurch.

Je höher die Effizienzklasse, desto weniger Wärme muss abgeführt werden. Beim selben 4-poligen 22-kW-Elektromotor liegt die IE4-Grenze bei 94,5 %, der Verlust sinkt auf etwa 1,28 kW. Bei IE5 sind es 95,5 % und rund 1,04 kW. Dieser Unterschied entlastet die Kühlung, macht sie aber nicht überflüssig. Die energetische Seite der Effizienzklassen wird im Investitionsvergleich IE3 oder IE4 behandelt.

Wie liest man den IC-Code?

Die Ziffern nach den Buchstaben IC geben an, wie die Luft über den Elektromotor geführt wird und wodurch diese Luftbewegung entsteht. In der Praxis begegnen Ihnen am häufigsten drei Codes:

• IC411: Geschlossenes Gehäuse, außen Kühlrippen, Lüfter am hinteren Wellenende. Die Lüfterhaube lenkt die Luft entlang der Rippen. Da der Lüfter mit dem Elektromotor mitdreht, hängt die Kühlung von der Drehzahl ab. Bei den Drehstrom-Baureihen von HEM Motor ist dies die Standardkühlart.
• IC416: Gleicher Gehäuseaufbau, der Lüfter wird jedoch von einem separaten kleinen Elektromotor angetrieben. Der Luftvolumenstrom ist damit unabhängig von der Drehzahl des Hauptantriebs.
• IC410: Ohne Lüfter. Das Gehäuse kühlt durch natürliche Konvektion oder durch den Luftstrom der angetriebenen Maschine. Diese Bauart findet sich zum Beispiel bei einigen Axialventilator-Antrieben, die direkt im Luftstrom sitzen.

Der Code gehört in die Bestellung, weil die Bemessungsleistung eines Elektromotors immer unter einer bestimmten Kühlannahme angegeben wird. Die Katalogleistung für IC411 gilt für eine Umgebungstemperatur von höchstens 40 °C, eine Aufstellhöhe von höchstens 1000 m und eine Einbausituation, in der der Lüfter frei Luft ansaugen kann.

Wie der Aufstellungsort die Kühlung beeinträchtigt

In den meisten Überhitzungsfällen, die wir vor Ort sehen, ist der Kühlcode des Elektromotors richtig, der Antrieb steht aber an einer Stelle ohne ausreichende Luftzufuhr. Typische Beispiele:

• Lüfterhaube an der Wand: Damit der Elektromotor in den Maschinenrahmen passt, wird er so eingebaut, dass die Lüfterseite fast an einem Blech anliegt. Statt Frischluft anzusaugen, wälzt der Lüfter seine eigene warme Luft um. Hinter der Lüfterhaube ist der in der Montageanleitung angegebene Abstand einzuhalten.
• Geschlossene Kabine: Zur Lärmminderung wird der Antrieb in eine Kabine ohne Belüftung gesetzt. Die Luft in der Kabine erreicht innerhalb weniger Stunden 50–55 °C. Der Elektromotor arbeitet dann nicht mehr in einer Umgebung von 40 °C, sondern in seiner eigenen Abwärme.
• Staub und Fasern auf den Rippen: In Mühlen, Textil-, Holzverarbeitungs- oder Futtermittelbetrieben setzen sich die Rippenzwischenräume zu, und die Oberfläche wird von einer isolierenden Schicht bedeckt. Der Strom bleibt gleich, die Wicklungstemperatur steigt jedoch.
• Direkte Sonneneinstrahlung: Ein auf dem Dach oder im Freien aufgestelltes, besonders ein dunkles Gehäuse ist an Sommermittagen deutlich wärmer als die Umgebung.
• Nähe zu Wärmequellen: Ist die Ansaugung des Lüfters auf eine Ofenöffnung, einen Kompressorauslass oder die Abluft eines anderen Antriebs gerichtet, liegt die tatsächliche Umgebungstemperatur höher.

Keiner dieser Umstände ist auf dem Typenschild zu erkennen. Auch das thermische Überlastrelais bemerkt meist nichts, da der Strom normal ist. Wenn Sie die Temperatur direkt in der Wicklung messen möchten, geben Sie den optionalen PTC- oder PT100-Fühler bereits bei der Bestellung an.

Jenseits von 40 °C und 1000 m

Die Bemessungswerte im Katalog gelten für Umgebungstemperaturen von −15 °C bis +40 °C und Aufstellhöhen bis 1000 m. Mit zunehmender Höhe wird die Luft dünner, und derselbe Lüfter führt weniger Wärme ab. Übersteigt die Umgebungstemperatur 40 °C, verringert sich der Temperaturabstand zwischen Luft und Wicklung. In beiden Fällen gibt es zwei Möglichkeiten: den Elektromotor unterhalb seiner Bemessungsleistung betreiben oder die nächstgrößere Leistung wählen. Welcher Weg richtig ist, hängt vom Lastprofil ab. Umgebungstemperaturen über 40 °C sollten vor der Bestellung mitgeteilt werden. Welche Rolle Isolationsklasse und Gehäusewerkstoff in heißer und staubiger Umgebung spielen, erläutert der Beitrag zur Auswahl von Elektromotoren für heiße und staubige Umgebungen.

Wann ist ein Fremdlüfter erforderlich?

Beim IC411-Elektromotor dreht der Lüfter mit derselben Drehzahl wie die Welle. Bei direktem Netzbetrieb ist das unproblematisch. Wird die Drehzahl jedoch mit einem Frequenzumrichter über längere Zeit abgesenkt und bleibt das Lastmoment konstant, bleibt auch der Strom nahezu gleich, während die vom Lüfter geförderte Luftmenge deutlich zurückgeht. Förderbänder, Extruder und Verdrängerpumpen sind typische Beispiele dafür. In solchen Anwendungen kann ein separat versorgter Lüfter, also die Bauart IC416, notwendig werden; diese Option sollte bei der Bestellung angefragt werden. Bei Kreiselpumpen und Ventilatoren sinkt das Drehmoment mit fallender Drehzahl schnell ab, sodass hier meist kein Problem entsteht. Die Unterscheidung nach Lastart wird im Vergleich von konstantem und variablem Drehmoment, die Wahl des Kühlcodes bei niedriger Drehzahl im Beitrag zu den Kühlcodes IC411 und IC416 ausführlich beschrieben.

Kurze Prüfung vor der Montage

1. Behindert eine Platte oder Wand die Luftzirkulation hinter der Lüfterhaube und rund um die Kühlrippen?
2. Wenn der Elektromotor in einer Kabine steht: Sind Lufteintritt und Luftaustritt der Kabine eingeplant?
3. Stammt die angesaugte Luft von einer anderen Wärmequelle?
4. Übersteigt die Umgebungstemperatur im Sommer 40 °C oder die Aufstellhöhe 1000 m?
5. Gibt es Staub oder Fasern, die die Rippen zusetzen können? Falls ja: Ist ein Reinigungsintervall im Wartungsplan vorgesehen?
6. Läuft der Elektromotor am Umrichter längere Zeit mit konstantem Drehmoment bei niedriger Drehzahl?

Bei senkrechter Einbaulage, vor allem mit Welle nach unten und Lüfter oben, können herabfallende Teile und Wasser den Lufteintritt der Lüfterhaube verstopfen. Solche Fälle sind zusammen mit der Bauform zu betrachten.

Fazit

Bei der Wahl der Kühlart lautet die entscheidende Frage weniger „Welcher IC-Code?“ als vielmehr „Wohin gelangt die Wärme dieses Elektromotors an diesem Ort?“. Die Standardbauart IC411 deckt ein breites Anwendungsspektrum ab, solange vor und hinter dem Antrieb ausreichend Luft vorhanden ist. Bedingungen wie Kabine, Sonne, Staub und niedrige Drehzahl sollten dagegen vor der Bestellung besprochen werden. Für raue Umgebungen kommen Elektromotoren mit Graugussgehäuse infrage. Wenn Sie uns Ihren Aufstellungsort und Ihre Betriebsbedingungen mitteilen, legen wir gemeinsam die passende Ausführung fest.

Häufig gestellte Fragen

Ist ein Elektromotor defekt, wenn das Gehäuse zu heiß zum Anfassen ist?

Nicht unbedingt. Das Gehäuse eines Elektromotors unter Volllast kann ohne Weiteres 60–70 °C erreichen, und dieser Wert liegt unter der Wicklungstemperatur. Vergleichen Sie mit früheren Messungen bei gleicher Last; bei einem deutlichen Anstieg prüfen Sie Kühlrippen, Lüfterhaube und Last.

Verbessert es die Kühlung, wenn man die Lüfterhaube abnimmt und den Elektromotor offen betreibt?

Nein, sie verschlechtert sich. Die Lüfterhaube lenkt die Luft zwischen die Rippen; ohne Haube verteilt sich die Luft und erreicht einen Großteil des Gehäuses nicht. Außerdem stellt ein offen drehender Lüfter ein erhebliches Unfallrisiko dar.

Was ist bei einem Elektromotor in einer geschlossenen Kabine zu tun?

Die Kabine sollte eine Zu- und Abluftführung erhalten, die warme Luft nach außen abführt, und der Elektromotor sollte seine Ansaugluft von außerhalb der Kabine beziehen. Ist das nicht möglich, muss die tatsächliche Temperatur in der Kabine gemessen und der Antrieb entsprechend mit reduzierter Leistung betrieben oder eine Leistungsstufe größer gewählt werden.

Kann ein lüfterloser IC410-Elektromotor überall eingesetzt werden?

Nein. Ein Elektromotor ohne Lüfter ist so ausgelegt, dass er die notwendige Kühlung aus einem externen Luftstrom erhält. Ohne diesen Luftstrom kann er nicht dauerhaft die Leistung eines belüfteten Elektromotors gleicher Baugröße abgeben.