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Dokumentenidentifikation DE10045094A1 28.03.2002
Titel Permanentmagneterregte Synchronmaschine für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Nerowski, Georg, Dr., 91207 Lauf, DE
DE-Anmeldedatum 12.09.2000
DE-Aktenzeichen 10045094
Offenlegungstag 28.03.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.03.2002
IPC-Hauptklasse H02K 21/02
IPC-Nebenklasse H02K 1/27   H02K 15/03   
Zusammenfassung Das Problem der Läufererwärmung von den Luftspaltfunken beim Einsatz von elektrischen Maschinen in explosionsgefährdeten Bereichen kann dadurch gelöst werden, dass Synchronmaschinen mit Permanenterregung im Läufer verwendet werden. Deren Läuferverluste sind gegenüber herkömmlich eingesetzten Asynchronmaschinen vernachlässigbar klein, wodurch auch auf Belüftung bzw. Kühlung des Läufers verzichtet werden kann. Bei der Herstellung solcher Maschinen für Leistungen über 1 MW wird vorgeschlagen, Teilpole/Pole mittels Magnetisierungseinrichtungen aufzumagnetisieren.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft den Einsatz von elektrischen Maschinen in explosionsgefährdeten Bereichen wie beispielsweise bei Antrieben in der Öl-, Gas- und der petrochemischen Industrie oder auf offshore-Anlagen.

Dabei sind für elektrische Maschinen unter anderem die Anforderungen der einschlägigen Normen wie DIN EN 50014, IEC 60079-7, ENV 50269 oder VDE 0170/171 Teil 1/5.78 zu beachten. Danach werden folgende Zündschutzarten unterschieden:

  • - E Ex p

    Eine Überdruckkapselung sorgt dafür, dass kein möglicherweise zündfähiges, explosives Gasgemisch ins Innere der Maschine gelangt, etwa indem über einen Druckluftanschluss permanent für einen Überdruck in der Maschine gegenüber der Außenatmosphäre gesorgt wird ('p' steht für 'pressurized', früher Ex f = Fremdbelüftung).
  • - E Ex e

    Erhöhte Sicherheit (dies gilt nur für Motoren, die betriebsmäßig keine Funken erzeugen können, etwa für Maschinen mit Drehstromkurzschlussläufer).
  • - E EX d

    Druckfeste Kapselung, d. h. eine mögliche Explosion darf nicht nach außen dringen.

In diesen explosionsgefährdeten Bereichen werden herkömmlicherweise Asynchronmaschinen mit Aluminium oder Kupferläufer eingesetzt, die den jeweiligen speziellen Anforderungen an den Explosionsschutz genügen müssen.

Damit verbunden sind bei elektrischen Maschinen vor allem Maßnahmen hinsichtlich der Vermeidung einer Zündung durch Funken oder heiße Oberflächen zu treffen.

Ein besonders Augenmerk gilt hier dem Läufer einer elektrischen Maschine. Die herkömmlich eingesetzten Asynchronmaschinen besitzen dabei den gravierenden Nachteil, dass deren Läufer die gesamte Schlupfenergie in Wärme umwandelt. Daraus resultiert eine hohe Wärmeeinleitung aus dem Läuferblechpaket und auch die Lagererwärmung fällt unerwünscht hoch aus.

Dieser hohen Läufererwärmung wirkt man deshalb entgegen, indem in der Regel ein Innenlüfter eingesetzt wird. Zur Eigenkühlung wird die Luft durch einen am Läufer angebrachten Lüfter bewegt. Dabei besteht jedoch generell das Problem einer Funkenbildung bei rotierenden mechanischen Teilen, etwa für den Fall eines streifenden metallischen Lüfters.

In letzter Zeit sind auch vermehrt Gefahren bei Asynchronmaschinen beim asynchronen Hochlauf durch Funken im Luftspalt aufgrund parasitärer Ströme im Blechpaket von Käfigläufern diskutiert worden.

Aus den genannten Gründen sind hohe Anforderungen an die konstruktive Auslegung der elektrischen Maschine hinsichtlich Erwärmung, Funkenbildung und der Isoliertechnik der Ständerwicklungen (Gefahr von Teilentladungen) einschließlich der Zuleitungen zu stellen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine elektrische Maschine so zu konzipieren, dass das Problem der Läufererwärmung und mögliche Luftspaltfunken vermieden werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dies durch die Verwendung einer Synchronmaschine mit Permanenterregung im Läufer erreicht.

Ein permanenterregter Synchronmotor zeichnet sich dadurch aus, dass er weder einen Kollektor, noch einen Bürstensatz benötigt, welche aufgrund der damit verbundenen Funkenbildung im explosionsgefährdeten Bereich ohnehin nicht einsetzbar wären. Der Läufer weist eine feste Polung durch Permanentmagneten auf. Ein Drehfeld wird durch eine oder mehrere dreisträngige Ständerwicklungen erzeugt. Aufgrund der festen Polung des Läufers dreht sich dieser synchron zum Drehfeld bzw. synchron zur Frequenz der zugeführten Wechselspannung.

Verschiedenen Drehzahlen lassen sich durch eine Einspeisung von verschiedenen Frequenzen aus einem Umrichter erzielen (stufenlos drehzahlveränderbare Antriebe). Dabei können vorwiegend bei größeren Leistungen zwei dreiphasige Umrichter zwei dreisträngige Wicklungssysteme einer Maschine speisen. Auch eine Einzelstrangspeisung mit beliebig vielen Phasen ist möglich.

Die Läuferverluste einer permanenterregten Synchronmaschine sind gegenüber denen von Asynchronmaschinen vernachlässigbar klein und führen nicht zu den eingangs dargestellten unerwünschten Erwärmungen im Läufer. Dies liegt unter anderem daran, dass der Läufer einer Synchronmaschine, im Gegensatz zur Asynchronmaschine, synchron mit dem Feld umläuft und Verluste nur durch Oberfelder entstehen.

Solche permanenterregte Synchronmaschinen werden bekanntermaßen als Werkzeugmaschinenantriebe im Leistungsbereich bis ca. 250 kW eingesetzt. Vereinzelt werden diese auch als Aufzugsantriebe bis zu einer Leistung von ca. 500 kW angeboten. Im Leistungsbereich oberhalb, insbesondere über 1 MW ist der Einsatz solcher permanenterregter Synchronmaschinen nur als langsamlaufender Schiffsantrieb oder als Generatoren in Windkraftanlagen bekannt. Vor allem jedoch ist bisher noch kein Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen bekannt.

Bei der Realisierung solcher permanenterregter Synchronmaschinen für diesen hohen Leistungsbereich steigen die Dimensionen der Maschine an und bringen unter anderem Probleme bei der Realisierung der Permanentmagneten auf dem Läuferblechpaket mit sich. Bekannte Techniken bestehen in einem Bekleben der Läuferblechpaket-Oberfläche mit magnetisierten Magnetstücken. Dies ist jedoch im Hinblick auf die größeren Ausmaße des Läufers bei einer Maschine für Leistungen oberhalb 2 MW sehr aufwendig und unwirtschaftlich.

Nach der vorliegenden Erfindung wird daher eine permanentmagneterregte Synchronmaschine zum Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen vorgeschlagen, bei der der Läufer zur Erzeugung eines Erregerfeldes über den Umfang des Läuferblechpaketes verteilt eine permanentmagnetische Oberflächenstruktur aufweist und wobei erfindungsgemäß Teilpole oder ganze Pole mittels Magnetisierungseinrichtungen aufmagnetisiert sind.

Bei kleinen Läufern werden die Magnete in einer Magnetisierungsvorrichtung mit Hilfe einer zylindrischen Magnetisierungsspule und entsprechend hohen Pulsströmen entweder komplett in einem Arbeitsgang, in Teilscheiben oder polpaarweise magnetisiert.

Bei größeren Läufern für Synchronmaschinen größerer Leistung werden erfindungsgemäß mechanische Teilpole außerhalb des Rotorkörpers mit Hilfe einer entsprechend geformten Magnetisierungsspule aufmagnetisiert. Um dabei auftretenden Problemen bei der Montage der Teilpole aufgrund von deren magnetischen Kräften zu allen magnetisch leitfähigen Materialien vorzubeugen, können mechanische Teilpole auf dem Läuferblechpaket bzw. Rotorkörper ebenfalls mit Hilfe einer entsprechend geformten Magnetisierungsspule aufmagnetisiert werden. Dazu wird ausreichend Platz in axialer Richtung, etwa zwischen zwei Teilpolen, geschaffen, um die Magnetisierungsspule unterzubringen. Auch können ganze Pole oder Polpaare auf dem Rotorkörper aufmagnetisiert werden, indem die Magnetisierungsspule jeweils in die Pollücken gelegt wird und eine sehr energiereiche Magnetisierungsvorrichtung eingesetzt wird.

Vorteile und Details dieser Erfindung ergeben sich anhand des im folgenden geschilderten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Figur. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen permanenterregte Synchronmaschine.

In der Darstellung nach Fig. 1 ist eine Prinzipskizze in Form eines Längsschnitts durch eine solche permanenterregte Synchronmaschine gezeigt.

Gezeigt ist das Ständerblechpaket S, welches die Ständerwicklung trägt. Das Ständerblechpaket besteht beispielsweise aus Dynamoblechen, die Wicklung im Ständer ist im allgemeinen eine gesehnte und in offene Nuten eingelegte Zweischichtwicklung. Hierbei können die üblichen im E Ex-Einsatzbereich bekannten Maßnahmen getroffen werden, z. B. bezüglich Glimmen der Ständerwicklung.

Weiter ist der Läufer L gezeigt, der in der Ständerbohrung auf der Achse A liegt. Das Läuferblechpaket LB weist auf seiner dem Ständer zugewandten Außenfläche, also im Luftspalt SP zwischen Läufer L und Ständer S. Permanentmagnete PM auf, die vorzugsweise auf die vorangehend beschriebene Weise mittels Aufmagnetisierung auf der vergleichsweise großen Oberfläche des Läuferblechpakets LB aufgebracht sind.

Es hat sich weiter als eine günstige Anordnung der Permanentmagnete erwiesen, wenn die Permanentmagnete PM des Läufers eine möglichst kleine Unterteilung über die Oberfläche des Läuferblechpaketes aufweisen. Dies ist exemplarisch durch eine große Anzahl von Teilpolen oder Polen P1, P2, P3 bis Px angedeutet.

Dadurch werden die Permanentmagnete mit vergleichsweise niedrigen Verlusten beaufschlagt, was sich positiv auf eine möglichst geringe Erwärmung des Läufers auswirkt.

Aufgrund der so im Vergleich zu Asynchronmaschinen erzielten wesentlich geringeren Wärmeeinleitung aus dem Läuferblechpaket LB resultiert der weitere Vorteil, dass auch die Lagererwärmung und damit verbunden die Lagerbelastung niedriger ausfällt.

Außerdem kann die Zahl der rotierenden Teile im Inneren der Maschine so gering wie möglich gehalten werden. Vor allem ist kein Innenlüfter an der Achse A des Läufers L notwendig. Dies vermindert zum einen das Gewicht und Bauvolumen gegenüber Asynchronmaschinen. Zum anderen sinkt dadurch die Gefahr einer Funkenbildung durch streifende Lüfter.

Weiter vorteilhaft ist, dass eine solche Synchronmaschine, anders als eine Asynchronmaschine bauartbedingt eine Wassermantelkühlung ermöglicht, wodurch das Bauvolumen weiter reduziert werden kann. Dies erleichtert vor allem den Einsatz auf offshore-Anlagen. Daneben ist auch eine oder eine Luftkühlung der Ständerwicklung möglich.

Ein weiterer Vorteil gegenüber herkömmlich eingesetzten Asynchronmaschinen besteht in dem höheren Wirkungsgrad von permanenterregten Synchronmaschinen. Das gilt insbesondere für die geforderten hohen Leistungen von 1 MW bei 1500 U/min oder höher. Eine solche Maschine wird vorzugsweise an einem Umrichter betrieben.

In der Vergangenheit ist eine Realisierung von solchen Synchronmaschinen bereits häufig an dem besonders problematischen Zusammenbau von Läufer und Ständer gescheitert. Zur Montage der gegenüber herkömmlichen permanentmagneterregten Synchronmaschinen großen Läufer und aufgrund der dabei zu beherrschenden großen magnetischen Kräfte, wird erfindungsgemäß das Ständerblechpaket mit Gehäuse ausgerichtet und in einer Haltevorrichtung fixiert. Die Haltevorrichtung kann feststehen oder auf einem Vorschubschlitten befestigt sein. Steht das Ständerblechpaket mit Gehäuse fest, so wird es so angeordnet, dass eine ausfahrbare mechanisch äußerst stabile Spindel von einer Seite zentrisch in die Bohrung des Ständerblechpaketes eingefahren wird. Der in mehreren Schritten (polweise oder teilpolweise) magnetisierte Läufer wird dann zwischen die Spitzen der eben genannten Spindel und einer weiteren zweiten Spindel, die fluchtend zur ersten Spindel angeordnet ist, eingesetzt.

Dadurch, dass die zweite Spindel in einem Bett mit massiven Verstärkungen und direkter Verbindung zu ersten Spindel in Längsrichtung beweglich gelagert ist, kann der Läufer zwischen beiden Spitzen fixiert werden. Jetzt fahren beide Spindeln synchron den dazwischen fixierten Läufer in das Ständerblechpaket ein.

Dabei kommt es zu großer Zugkraftentwicklung in Richtung des Blechpaketes. Um eine Beschädigung des Ständerblechpaketes durch Anstreifen des Läufers zu verhindern, können in der Bohrung Folien (z. B. aus Teflon) fixiert werden.

Sind Ständerblechpaket und Gehäuse auf einem Vorschubschlitten angebracht, so bewegt sich dieser anstelle der ersten Spindel synchron zur zweiten Spindel in Längsrichtung.


Anspruch[de]
  1. 1. Permanentmagneterregte Synchronmaschine zum Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen, wobei der Läufer (L) zur Erzeugung eines Erregerfeldes über den Umfang des Läuferblechpaketes (LB) verteilt eine permanentmagnetische (PM) Oberflächenstruktur aufweist, wobei Teilpole oder ganze Pole (P1, P2, P3 . . . Px) mittels Magnetisierungseinrichtungen aufmagnetisiert sind.
  2. 2. Permanentmagneterregte Synchronmaschine zum Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen nach Anspruch 1, wobei die Permanentmagnete (PM) des Läufers (L) eine möglichst kleine Unterteilung über die Oberfläche des Läuferblechpaketes (LB) aufweisen.
  3. 3. Permanentmagneterregte Synchronmaschine zum Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Synchronmaschine über eine Wassermantelkühlung oder eine Luftkühlung der Ständerwicklung verfügt.
  4. 4. Permanentmagneterregte Synchronmaschine zum Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Zahl der rotierenden Teile im Inneren der Maschine so gering wie möglich gehalten ist, insbesondere keine oder geringe Innenbelüftung vorgesehen ist.
  5. 5. Verwendung einer Synchronmaschine mit Permanenterregung im Läufer, insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche, für eine explosionsgefährdete Umgebung, insbesondere für Kompressoren und Anwendungen in der Petrochemie sowie auf offshore-Anlagen.
  6. 6. Verwendung einer Synchronmaschine mit Permanenterregung im Läufer nach Anspruch 5, wobei die Synchronmaschine an einem Umrichter betrieben wird.






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