Naja, wenn es ein 3V-Motörchen ist wird das Temperaturmessen schwierig.
Ich vermute mal das Ding wird nicht allzu groß sein -> wenig Masse -> geringe thermische Kapazität -> ergo wird er sich ein gutes Stück wieder abgekühlt haben bevor der Sensor ein brauchbares Ergebnis anzeigen kann (Zeit zum Auseinanderbau mit einbezogen).

Den Motor nach seiner Temperatur zu regeln wäre zwar theoretisch machbar, wird aber wahrscheinlich ziemlich aufwändig. Zum einen die Regelung selber, zum anderen wird die Temperturmessung im Betrieb ein Problem sein, dessen Lösung bei kleinen Baugrößen ebenfalls recht aufwändig sein dürfte.

Vorschlag: Bau dir eine Konstantstromquelle aus einem LM317 und schalte den davor. Dann würden zwar im Maximalfall nur noch ca. 5,7V am Motor anliegen, aber dafür kann dein Motor nicht mehr durchbrennen wenn du ihn belastest. Im Überlastfall würde er einfach stehenbleiben weil der LM317 die Spannung über dem Motor runternimmt.

Unter der Vorraussetzung, dass Wirkungsgrad und thermische Kapazität bekannt sowie die maximale Betriebszeit definitiv begrenzt sind könntest du den Motor auch definiert überlasten, dazu mußt du nur den über die Betriebszeit maximal verträglichen Dauerstrom berechnen und die LM317-Stromquelle entsprechend auslegen.