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Motorwicklungen messen: Widerstand, Isolation und Polarisationsindex
Eine Motorwicklung prüfen Sie mit drei Messungen: Wicklungswiderstand je Phase, Isolationswiderstand gegen Masse mit Polarisationsindex und einem Test auf Windungsschluss. Die Phasenwiderstände sollen nur wenig voneinander abweichen, und der Isolationswiderstand einer Runddrahtwicklung soll nach IEEE 43 bei 40 °C mindestens 5 MΩ betragen. Aussagekräftig werden die Werte erst mit Temperaturkorrektur und dem Vergleich mit früheren Messungen.
Welche Messungen zeigen den Zustand einer Motorwicklung?
Den Zustand einer Motorwicklung zeigen vier Messungen: Wicklungswiderstand je Phase, Isolationswiderstand gegen Masse, Polarisationsindex und ein Test auf Windungsschluss. Jede Messung findet eine andere Fehlerart. Erst zusammen und im Vergleich mit Vorwerten sagen sie, ob der Motor weiterlaufen kann.
| Messung | Was sie findet | Messgerät | Bewertung |
|---|---|---|---|
| Wicklungswiderstand | Unterbrechung, lose Verbindung, falsche Schaltung, grobe Windungsschlüsse | Niederohm-Messgerät in Vierleitertechnik | Phasen untereinander, Herstellerwert bei 20 °C |
| Isolationswiderstand (Riso) | Feuchte, Schmutz, Masseschluss, gealterte Hauptisolation | Isolationsmessgerät mit Gleichspannung | Mindestwert nach IEEE 43 bei 40 °C, Trend |
| Polarisationsindex (PI), DAR | feuchte oder verschmutzte Isolation | Isolationsmessgerät mit Zeitfunktion | Mindest-PI nach Wärmeklasse |
| Windungsschluss | Schluss zwischen Windungen derselben Spule | Induktivitäts- oder Impedanzmessung, Stoßspannungsprüfung | Phasenvergleich, Kurvenvergleich |
Eine Lücke bleibt bei allen statischen Messungen: Lagerschäden, Unwucht und Probleme im Läufer zeigen sie nicht. Dafür braucht es einen Probelauf mit Strom, Schwingung, Temperatur und Auslaufzeit.
Wie misst man den Wicklungswiderstand richtig?
Sie messen den Gleichstromwiderstand jedes Strangs mit einem Niederohm-Messgerät in Vierleitertechnik und notieren dabei die Wicklungstemperatur. Danach rechnen Sie auf 20 °C um und vergleichen die Stränge untereinander und mit dem Herstellerwert. Ein normales Multimeter reicht für Werte unter etwa 1 Ω nicht, weil Messleitungen und Kontakte selbst schon im Bereich von Zehntel Ohm liegen.
Ablauf am Klemmbrett
- Motor freischalten, gegen Wiedereinschalten sichern, Spannungsfreiheit feststellen. Zuleitung und Frequenzumrichter abklemmen.
- Lage der Brücken fotografieren, dann die Brücken lösen. So messen Sie jeden Strang einzeln: U1 bis U2, V1 bis V2, W1 bis W2.
- Stromklemmen und Spannungsabgriffe direkt auf die Klemmbolzen setzen, die Spannungsabgriffe innen.
- Warten, bis der Wert steht. Die Induktivität der Wicklung verzögert den Messstrom (siehe Formel unten).
- Bei Kleinstwerten zweimal mit umgepoltem Strom messen und mitteln. So heben sich Thermospannungen an den Kontakten auf.
- Wicklungstemperatur messen. Hat der Motor mehrere Stunden stillgestanden, entspricht sie der Raumtemperatur.
Lassen sich die Brücken nicht lösen, messen Sie zwischen den Außenklemmen U, V und W. Dann müssen Sie die Schaltung berücksichtigen:
RStrang = RKlemme2 (Stern) bzw. RStrang = 1,5 · RKlemme (Dreieck)
- RStrang
- Widerstand eines Wicklungsstrangs in Ω
- RKlemme
- gemessener Widerstand zwischen zwei Außenklemmen in Ω
Beispiel: Ein Motor in Dreieckschaltung zeigt zwischen U und V 1,80 Ω. Der Strangwiderstand ist 1,5 · 1,80 Ω = 2,70 Ω. In Sternschaltung wären es 0,90 Ω.
Kupfer ändert seinen Widerstand um rund 0,4 % je Kelvin. Ein Wert vom warmen Motor ist deshalb nicht mit einem Wert vom kalten vergleichbar. Motorenhersteller geben den Wicklungswiderstand meist für 20 °C an. Die Umrechnung für Kupfer mit der Konstante 235 aus DIN EN 60034-1 lautet:
Rθ2 = Rθ1 · 235 + θ2235 + θ1
- Rθ1
- gemessener Widerstand in Ω
- θ1
- Wicklungstemperatur bei der Messung in °C
- θ2
- Bezugstemperatur in °C, meist 20 °C
- Rθ2
- Widerstand bei Bezugstemperatur in Ω
- 235
- Werkstoffkonstante für Kupfer in K (Aluminium: 225, in US-Normen für Kupfer 234,5)
Beispiel: Sie messen 1,250 Ω bei 32 °C. Bei 20 °C sind es 1,250 Ω · 255 / 267 = 1,194 Ω. Ohne Umrechnung läge der Wert rund 5 % zu hoch.
Wie lange Sie warten müssen, bis der Messwert steht, zeigt die Zeitkonstante der Wicklung:
τ = LR
- τ
- Zeitkonstante in s
- L
- Induktivität des Strangs in H
- R
- Widerstand des Messkreises in Ω
Beispiel: Bei 0,2 H und 0,5 Ω ist τ = 0,4 s. Nach etwa fünf Zeitkonstanten, also 2 s, weicht der Wert um weniger als 1 % vom Endwert ab. Große Maschinen mit sehr kleinem Widerstand brauchen Sekunden bis Minuten.
Typische Messfehler sind Krokodilklemmen auf oxidierten Bolzen, Messung über die Zuleitung statt am Klemmbrett, ein noch warmer Motor ohne Temperaturangabe und ein Ablesen, bevor der Wert steht.
Wie groß darf die Unsymmetrie zwischen den Phasen sein?
Die Unsymmetrie ist die größte Abweichung eines Strangs vom Mittelwert der drei Stränge in Prozent. Eine allgemeingültige Normgrenze dafür gibt es nicht. Bei einer intakten Wicklung liegen die Stränge eng beieinander; weichen sie um mehr als einige Prozent ab, sollte der Motor vor einer Klärung nicht eingeschaltet werden.
ΔR = max |Ri − Rm|Rm · 100 %
- ΔR
- Widerstandsunsymmetrie in %
- Ri
- Widerstand der Stränge U, V und W in Ω
- Rm
- Mittelwert der drei Strangwiderstände in Ω
Beispiel: Gemessen werden 1,212 Ω, 1,205 Ω und 1,231 Ω. Der Mittelwert ist 1,216 Ω, die größte Abweichung hat W mit 0,015 Ω. ΔR = 0,015 / 1,216 · 100 % = 1,2 %.
Für die Praxis helfen diese Entscheidungsregeln:
- Ein Strang fällt deutlich heraus: zuerst Klemmen, Brücken und Anschlussleitungen im Motor prüfen. Ein höherer Wert deutet auf eine lose Verbindung oder einen gebrochenen Parallelleiter, ein niedrigerer auf kurzgeschlossene Windungen.
- Alle Stränge gleich, aber anders als der Herstellerwert: Temperaturkorrektur und Schaltung prüfen, dann an falsche Wicklungsdaten nach einer Neuwicklung denken.
- Widerstand unauffällig, Motor wird trotzdem warm: Ein Windungsschluss mit wenigen Windungen ändert den Gleichstromwiderstand kaum. Dann folgen Induktivitätsvergleich und Stoßspannungsprüfung.
Den Grenzwert legen Sie am besten in der Prüfvorgabe fest, abgestimmt mit dem Motorenhersteller und getrennt nach Neuwicklung und Bestandsmotor. Beim Induktivitäts- und Impedanzvergleich messen Sie die Stränge mit Wechselspannung. Ein Windungsschluss senkt die Induktivität des betroffenen Strangs deutlich stärker als seinen Widerstand. Bei eingebautem Läufer verändert die Läuferstellung die Werte; drehen Sie den Läufer und vergleichen Sie bei gleicher Stellung.
Welche Prüfspannung und welcher Mindestwert gelten bei der Isolationsmessung?
Für Motoren bis 1.000 V Nennspannung messen Sie den Isolationswiderstand nach IEEE 43 mit 500 V Gleichspannung und lesen den Wert nach einer Minute ab. Bei 40 °C soll er für Runddrahtwicklungen mindestens 5 MΩ betragen, für neuere Formspulenwicklungen mindestens 100 MΩ. Höhere Nennspannungen brauchen höhere Messspannungen.
| Nennspannung der Wicklung | Messspannung (Gleichspannung) |
|---|---|
| unter 1.000 V | 500 V |
| 1.000 bis 2.500 V | 500 bis 1.000 V |
| 2.501 bis 5.000 V | 1.000 bis 2.500 V |
| 5.001 bis 12.000 V | 2.500 bis 5.000 V |
| über 12.000 V | 5.000 bis 10.000 V |
| Wicklungsart nach IEEE 43 | Mindestwert R1min bei 40 °C |
|---|---|
| Runddrahtwicklungen und Formspulen unter 1 kV | 5 MΩ |
| Wechselstromwicklungen mit Formspulen, gebaut nach etwa 1970 | 100 MΩ |
| Wicklungen vor etwa 1970, Feldwicklungen, sonstige | Nennspannung in kV + 1 MΩ |
Motorenhersteller nennen teils eigene Werte, die Vorrang haben. VEM etwa gibt in seinem Ex-Handbuch bei 25 °C je nach Leistung 2,5 bis 6,3 kΩ je Volt Bemessungsspannung an, bei einem 400-V-Motor bis 10 kW also rund 2,5 MΩ.
Der Isolationswiderstand sinkt mit steigender Temperatur stark. IEEE 43 bezieht die Werte deshalb auf 40 °C. Näherungsweise halbiert sich der Wert je 10 K Temperaturanstieg:
R40 = RT · 0,5(40 − T) / 10
- R40
- Isolationswiderstand bezogen auf 40 °C in MΩ
- RT
- gemessener Isolationswiderstand in MΩ
- T
- Wicklungstemperatur bei der Messung in °C
Beispiel: Sie messen 800 MΩ bei 20 °C. Bezogen auf 40 °C sind es 800 MΩ · 0,52 = 200 MΩ. Für den Trend vergleichen Sie am besten Werte bei ähnlicher Temperatur.
So messen Sie den Isolationswiderstand
- Umrichter, Sanftanlasser und Elektronik abklemmen. Temperaturfühler wie Kaltleiter nicht mit der Messspannung beaufschlagen; Kaltleiterhersteller wie SEVA lassen zum Messen höchstens 2,5 V Gleichspannung zu.
- Bei gelösten Brücken jeden Strang gegen Masse messen, die anderen Stränge dabei mit Masse verbinden. So prüfen Sie Masse und Phasenisolation in einem Schritt.
- Messspannung nach Tabelle wählen, Wert nach 1 Minute ablesen, für PI weiter bis 10 Minuten messen.
- Wicklungstemperatur und Luftfeuchte notieren.
- Wicklung nach der Messung über einen Widerstand entladen. Megger empfiehlt eine Entladezeit von mindestens dem Vierfachen der Messdauer; nach 10 Minuten PI also 40 Minuten geerdet lassen.
Wie berechnet man Polarisationsindex und DAR?
Der Polarisationsindex ist der Isolationswiderstand nach 10 Minuten geteilt durch den Wert nach 1 Minute. Eine trockene, saubere Isolation polarisiert langsam, der Wert steigt deutlich an; bei feuchter oder verschmutzter Isolation bleibt er fast gleich. IEEE 43 fordert für Wärmeklasse B und höher einen PI von mindestens 2,0.
PI = Riso,10minRiso,1min
- PI
- Polarisationsindex (ohne Einheit)
- Riso,10min
- Isolationswiderstand nach 10 Minuten in MΩ
- Riso,1min
- Isolationswiderstand nach 1 Minute in MΩ
Beispiel: 1.200 MΩ nach 10 Minuten und 400 MΩ nach 1 Minute ergeben PI = 3,0.
Das dielektrische Absorptionsverhältnis (DAR) ist die Kurzform für die Werkstatt. Es braucht nur 60 Sekunden:
DAR = Riso,60sRiso,30s
- DAR
- dielektrisches Absorptionsverhältnis (ohne Einheit)
- Riso,60s
- Isolationswiderstand nach 60 Sekunden in MΩ
- Riso,30s
- Isolationswiderstand nach 30 Sekunden in MΩ
Beispiel: 480 MΩ nach 60 Sekunden und 320 MΩ nach 30 Sekunden ergeben DAR = 1,5.
| Zustand der Isolation | DAR (60 s / 30 s) | PI (10 min / 1 min) |
|---|---|---|
| gefährlich | unter 1,0 | unter 1,0 |
| fragwürdig | 1,0 bis 1,25 | 1,0 bis 2,0 |
| gut | 1,4 bis 1,6 | 2,0 bis 4,0 |
| sehr gut | über 1,6 | über 4,0 |
Die Tabelle ist eine verbreitete Faustregel aus Unterlagen von Megger, keine Norm. Verbindlich nach IEEE 43 sind die Mindestwerte: PI 1,5 für Wärmeklasse A und 2,0 für die Klassen B, F und H. Liegt der Einminutenwert über 5.000 MΩ, ist der PI nach IEEE 43 nicht mehr aussagekräftig, weil die Ströme im Bereich der Messgenauigkeit liegen. Auch bei kleinen Motoren mit Runddrahtwicklung klingt der Absorptionsstrom oft so schnell ab, dass der PI wenig sagt. Dann zählen der Isolationswert selbst und sein Verlauf.
Welche Prüfungen gehören in die Eingangs- und Endprüfung einer Motoreninstandsetzung?
Die Eingangsprüfung klärt, was dem Motor fehlt und ob sich die Instandsetzung lohnt. Die Endprüfung belegt, dass der Motor wieder in Ordnung ist, und liefert die Vergleichswerte für alle späteren Messungen. Beide folgen derselben Reihenfolge: von der schonenden zur belastenden Prüfung.
| Prüfung | Eingangsprüfung | Endprüfung |
|---|---|---|
| Sichtprüfung, Typenschild, Klemmbrett | ja | ja |
| Wicklungswiderstand je Strang, auf 20 °C umgerechnet | ja | ja |
| Isolationswiderstand, PI oder DAR | ja | ja |
| Hochspannungsprüfung gegen Masse | nur bei gutem Isolationswert | ja |
| Stoßspannungsprüfung | bei Verdacht auf Windungsschluss | ja, besonders nach Neuwicklung |
| Probelauf: Drehrichtung, Leerlaufstrom je Phase, Schwingung, Lagertemperatur | wenn der Motor laufen darf | ja |
Die Hochspannungsprüfung gegen Masse läuft nach DIN EN 60034-1 eine Minute mit Wechselspannung:
UP = 2 · UN + 1.000 V
- UP
- Prüfspannung, Effektivwert in V
- UN
- Bemessungsspannung des Motors in V
Beispiel: Für einen 400-V-Motor ergibt sich 2 · 400 V + 1.000 V = 1.800 V. Eine Wiederholungsprüfung ist nur mit 80 % zulässig, also 1.440 V.
Gebrauchte Wicklungen prüfen Instandsetzer mit deutlich reduzierter Spannung; VEM nennt für Wicklungen im Einsatz mindestens 1.000 V. Diese Prüfung führen Sie an einem abgesicherten Prüfplatz nach DIN EN 50191 durch. Beim Probelauf nennt VEM für den Leerlaufstrom eine Toleranz von ±15 % zur Herstellerangabe; die Ströme der drei Stränge sollen höchstens 15 % voneinander abweichen. Die Schwingung bewerten Sie nach ISO 20816 oder DIN EN 60034-14. Wie Sie Windungsschlüsse sicher finden, steht im Beitrag Stoßspannungsprüfung an Motorwicklungen.
Wie grenzen Sie einen Fehler auf Motor oder Zuleitung ein?
Trennen Sie den Motor am Klemmbrett von Zuleitung und Umrichter und messen Sie beide Teile getrennt. Ist der Motor allein unauffällig, liegt der Fehler in Leitung, Klemmstelle oder Umrichter. Die folgende Tabelle ordnet typische Befunde einer Ursache und dem nächsten Schritt zu.
| Befund | Wahrscheinliche Ursache | Nächster Schritt |
|---|---|---|
| Isolationswert niedrig, PI unter 2 | Feuchte, Schmutz | reinigen, trocknen, erneut messen |
| Isolationswert nahe 0, PI nicht messbar | Masseschluss | Stränge einzeln messen, Ort eingrenzen |
| Ein Strang mit höherem Widerstand | lose Verbindung, gebrochener Parallelleiter | Klemmen und Lötstellen prüfen |
| Ein Strang mit niedrigerem Widerstand oder kleinerer Induktivität | Windungsschluss | Stoßspannungsprüfung |
| Widerstand und Isolation gut, Stromunsymmetrie im Betrieb | Netzunsymmetrie, Läuferfehler, Windungsschluss unter Spannung | Netzspannung messen, Surge Test, Probelauf |
| Elektrisch alles gut, Motor laut oder warm | Lager, Unwucht, Ausrichtung | Schwingung, Temperatur, Auslaufzeit |
Messen Sie die Zuleitung mit derselben Messspannung wie den Motor. Bei langen Leitungen zum Umrichter fällt ein schwacher Isolationswert oft an der Leitung auf, nicht am Motor.
Eigener Motorenprüfstand oder Prüfung durch einen Dienstleister?
Ein eigener Motorenprüfstand lohnt sich, wenn Sie regelmäßig Motoren prüfen, Ergebnisse schnell brauchen und eine Prüfhistorie je Motor aufbauen wollen. Bei wenigen Motoren im Jahr oder seltenen Sonderprüfungen ist ein Prüfdienstleister meist die bessere Wahl. Oft ist die Mischung sinnvoll: Routineprüfung im Haus, Sonderfälle außer Haus.
| Kriterium | Eigener Prüfstand | Prüfdienstleister |
|---|---|---|
| Prüfmenge | viele Motoren, wiederkehrend | einzelne Motoren, unregelmäßig |
| Durchlaufzeit | ohne Transport, sofort im Haus | Transport und Terminplanung |
| Prüfhistorie | jede Messung gegen dieselben Grenzwerte, Trend je Motor | abhängig vom Protokoll des Dienstleisters |
| Personal | eigenes Personal nach Einweisung | keine eigene Prüfkompetenz nötig |
| Kosten | Investition, danach geringe Kosten je Prüfung | keine Investition, Kosten je Auftrag |
Was den Aufwand für einen Prüfstand bestimmt: Leistungs- und Größenbereich der Motoren, Prüfung im Leerlauf oder unter Last, direkte Drehmomentmessung mit Messflansch, Zahl der Motortypen mit eigener Aufnahme, Hochspannungs- und Stoßspannungsprüfung in der Prüfkammer sowie die Anbindung an Ihr ERP-System.
Der NIKLAS Motor Bench misst Isolationswiderstand, Wicklungswiderstand, Hochspannungsfestigkeit, Strom, Spannung, Leistung mit Stromunsymmetrie, Drehzahl, Temperatur, Schwingung und Auslaufzeit in einem geführten Ablauf. Prüfprofile und Grenzwerte legen wir mit dem Motorenhersteller fest, den Surge Test binden wir als Option ein. Die NIKLAS Prüfsoftware speichert Messwerte und Prüfhistorie je Motor und übergibt die Daten an Ihr ERP-System. Für ein Angebot brauchen wir Motortypen mit Spannung, Leistung, Baugröße und Wellendurchmesser (ein Foto vom Typenschild genügt), die gewünschten Prüfungen, Stückzahlen und Ihren Aufstellort.
Häufige Fragen zum Messen von Motorwicklungen
Antworten zu Messverfahren, Grenzwerten, Fehlersuche und zur Wahl zwischen eigenem Prüfstand und Dienstleister.
Wie messe ich den Wicklungswiderstand eines Elektromotors?
Lösen Sie die Brücken am Klemmbrett und messen Sie jeden Strang mit einem Niederohm-Messgerät in Vierleitertechnik. Notieren Sie die Wicklungstemperatur, rechnen Sie auf 20 °C um und vergleichen Sie die drei Stränge untereinander und mit dem Herstellerwert.
Welcher Isolationswiderstand ist bei einem 400-V-Motor in Ordnung?
Nach IEEE 43 messen Sie mit 500 V Gleichspannung; eine Runddrahtwicklung soll bezogen auf 40 °C nach einer Minute mindestens 5 MΩ erreichen. Intakte, trockene Wicklungen liegen meist weit darüber. Wichtiger als der Einzelwert ist, ob der Wert gegenüber früheren Messungen fällt.
Was ist ein guter PI-Wert?
IEEE 43 fordert für Wärmeklasse B, F und H einen Polarisationsindex von mindestens 2,0, für Klasse A 1,5. Werte zwischen 2 und 4 gelten als gut. Über 5.000 MΩ Isolationswiderstand ist der PI nicht mehr aussagekräftig.
Wie erkenne ich einen Windungsschluss am Motor?
Im Gleichstromwiderstand zeigt sich ein Windungsschluss oft kaum. Eher fällt er im Vergleich von Induktivität und Impedanz der Stränge auf. Am sichersten findet ihn die Stoßspannungsprüfung, die die Schwingungsantwort der Phasen vergleicht.
Darf ich einen Motor am Frequenzumrichter mit dem Isolationsmessgerät messen?
Nur wenn Sie den Umrichter vorher abklemmen. Die Messspannung von 500 V oder mehr kann die Elektronik beschädigen, und der Umrichter verfälscht den Messwert. Auch Kaltleiter und andere Temperaturfühler gehören nicht in den Messkreis.
Lohnt sich ein eigener Motorenprüfstand für die Instandhaltung?
Ein eigener Prüfstand lohnt sich, wenn Sie regelmäßig Motoren prüfen und eine Prüfhistorie je Motor aufbauen wollen. Sie sparen Transport und Wartezeit, und jede Prüfung misst gegen dieselben Grenzwerte. Bei wenigen Motoren im Jahr ist ein Dienstleister meist günstiger.
Wer bedient den Motor Bench, und wie lange dauert eine Prüfung?
Nach einer Einweisung führt Ihr Personal die Prüfung selbst durch; die Software leitet Schritt für Schritt durch den Ablauf, voll- oder teilautomatisch. Eine Prüfung dauert etwa 15 Minuten, je nach Motortyp und Prüfprogramm.
Lassen sich die Prüfdaten in unser ERP-System übernehmen?
Ja. Die NIKLAS Prüfsoftware speichert Messwerte, Seriennummer und Prüfdatum je Motor und übergibt die Daten über eine Datenschnittstelle an Ihr ERP-System. Welche Daten in welchem Format übergeben werden, legen wir bei der Konfiguration mit Ihnen fest.
Welche Angaben brauchen Sie für ein Angebot für einen Motorenprüfstand?
Motortypen mit Spannung, Leistung, Baugröße und Wellendurchmesser, ein Foto vom Typenschild genügt. Dazu die gewünschten Prüfungen, ob mit Last und Messflansch, Stückzahlen, Aufstellort, Netzanschluss und die gewünschte Datenschnittstelle. Wir melden uns innerhalb von 4 Arbeitsstunden persönlich.
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Nennen Sie uns Motorarten, Leistungsbereich und die Prüfungen, die Sie durchführen. Wir melden uns innerhalb von 4 Arbeitsstunden persönlich mit einem Vorschlag für Prüfprogramm und Ausstattung.
Simon Niklas
Maschinenbauingenieur, M.Sc.
0941 56956720[email protected]
„Gute Ingenieurarbeit zeigt sich im Produktionsalltag. Deshalb verbinden wir technische Planung mit einem genauen Verständnis für Prozess, Bedienung und Instandhaltung.“
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