EP1208632A2 - Demagnetisierungssicherer, permanenterregter schiffsantrieb - Google Patents

Demagnetisierungssicherer, permanenterregter schiffsantrieb

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EP1208632A2
EP1208632A2 EP00954389A EP00954389A EP1208632A2 EP 1208632 A2 EP1208632 A2 EP 1208632A2 EP 00954389 A EP00954389 A EP 00954389A EP 00954389 A EP00954389 A EP 00954389A EP 1208632 A2 EP1208632 A2 EP 1208632A2
Authority
EP
European Patent Office
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drive system
electric motor
converter
magnetic
motor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP00954389A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ingo SCHÜRING
Reinhard Vogel
Wolfgang Rzadki
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP1208632A2 publication Critical patent/EP1208632A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H02K5/10—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof with arrangements for protection from ingress, e.g. water or fingers

Definitions

  • the invention relates to an electrical drive system for large outputs, e.g. for powers over 500 kW, with high availability and lifespan, in particular for a sea-going ship, the drive system being a permanent magnet-excited electric motor interacting with at least one rotary energy consumer, in particular a ship propeller, and at least one converter for supplying power to the electric motor and a control - Control and monitoring device for the system.
  • Permanently excited electric motors in various designs have been known for a long time.
  • Various designs for permanently excited electric motors are described e.g. the essay in the Siemens magazine 49, 1975, issue 6, pages 368 to 374.
  • the achievable at that time reached up to 500 kW.
  • Such machines which represent a considerable investment, require a long service life with high availability, so that the investment costs are justified.
  • Ships generally have a lifespan of 25 to 30 years, so the same lifespan is required for their drives. Such a lifespan has so far not been assured for large, permanently excited electric motors. It is an object of the invention to provide a system with which such a long service life is reliably achieved by the large, permanently excited electric motors.
  • the object is achieved in that the electric motor is designed to work reliably over a long period of time and in particular is designed to be protected against total or partial demagnetization, this being done by means of complementary design and operational, for example circuit and control, measures relating to the motor and the Converter, is reached.
  • the lifespan of the permanent magnets is the essential criterion for the lifespan of a long lifespan designed according to the design rules.
  • a propulsion system for ships or for other large electrical systems that works with permanent excitation - a ship can also be considered an industrial system - is decisively determined in terms of its lifespan by the lifespan of the magnetic components.
  • Demagnetization can occur, for example, due to overheating or excessive internal magnetic fields. Corrosion can also occur on the magnets, and demagnetization due to aging is also possible.
  • a migration of the magnets on the rotor of the electric motor is also possible, for example when high circumferential accelerations occur in the event of a fault.
  • the drive system according to the invention takes into account the factors described above which reduce the service life in a new way.
  • the drive system permanent magnets made of a magnetically aging-resistant magnet alloy, e.g. on the basis of sintered and heat-treated neodymium-iron-boron, which are particularly positively attached to the rotor of the electric motor.
  • Corresponding magnetic alloys are made of small electrical drives, e.g. for actuators, known for some time. Their long-term behavior has been sufficiently practically and theoretically examined. The tests result in a service life that, when used as intended, clearly exceeds the required time of 25 to 30 years. A prerequisite is a constant position of the magnets. You are not allowed to hike.
  • the electric motor is designed without cooling by a coolant with recooling and, particularly when used as a rudder propeller motor in an engine nacelle, has external wall cooling.
  • This advantageous embodiment achieves the greatest possible security with regard to overheating. If there is no coolant circulation system, it cannot fail. External wall cooling works satisfactorily under all circumstances, especially for a nacelle drive. When the ship is underway, the cooling is ensured by the movement of the drive through the water. The cooling effect increases with the speed of travel, ie with the energy consumed in the drive. This automatically results in cooling that responds depending on the power.
  • the magnetic circuit design of the drive system is such that an automatic limitation of a short-circuit current to non-critical values takes place at the rated point.
  • a short-circuit current for example in the event of a terminal short-circuit as the cause - results in a typical application with 1.7 times the nominal current.
  • This value is not critical since, for example, 2.2 times the current is borne by the magnet system according to the invention without the magnetic field generated by the overcurrent damaging the permanent magnets.
  • a current limitation in the converter eg to 110% to 120% of the design current, this can be parameterized, this results in a reliable limitation of the current flowing through the motor at all points to non-critical values.
  • the converter has a maximum current limitation for its individual branches, which can be parameterized, for example to a value that reliably prevents demagnetization by overcurrent.
  • a YBCO layer of a ceramic plate conductor acts as a switching element.
  • the limitation is specific to the different power semiconductors used depending on the version of the converter, e.g. possible with GTOs, IGBTs or thyristors.
  • the corresponding power semiconductors are also advantageously monitored individually in order to detect plated-through semiconductors immediately so that they can be replaced. Contacting the power semiconductors used, which can never be completely ruled out, can therefore not damage the magnet system.
  • the system has measuring devices between the converter and the electric motor, and between the converter and the transformer, both as a whole and for individual power branches. This enables faults in the converter to be quickly identified and rectified. Appropriate, known measuring devices are provided for detection.
  • the system has an earth fault indicator and protection device, for ships in equivalence, a line break monitoring device, a phase symmetry monitoring device and further monitoring and protective circuit components, in particular for overcurrents and overheating. So all conceivable errors in the Overall system that could lead to engine overheating must be taken into account.
  • the system according to the invention has a multiple winding system in the motor with two converters, each feeding into the windings, or that two electric drive motors, each with one converter, are used, with three strands of the converter each can be interconnected to form a three-phase system. This results in smaller sub-units, which can be individually monitored and switched off. This also ensures that no harmful overcurrents occur in the drive motor.
  • a remote diagnosis device is also provided, which detects in particular the ship's operating system and the converter with its components.
  • a remote diagnostic device e.g. works for ships with a satellite communication, allows the experts of the
  • the permanent magnets consist of a magnetically aging-resistant and particularly corrosion-resistant magnet alloy, for example on the basis of sintered and heat-treated neodymium-cobalt-copper-iron-boron, for example the Vac quality Vacodynm 677HR.
  • the permanent magnets are coated or painted in a durable manner and have a smooth 0- have surface. For example, they have a cuboid shape. This results not only in a corrosion-resistant base material, but also in a corrosion-protected overall training. There is no loss of material and therefore magnetic force of the permanent magnets over the required service life under the conditions prevailing in the electric motor.
  • the magnetic blocks are advantageously fixed on their base by adhesive, in particular by a fully cross-linked silicone adhesive in the form of a one-component adhesive. Fixing the magnetic blocks on their base is necessary for assembly.
  • a fully cross-linked silicone adhesive in the form of a one-component adhesive advantageously prevents corrosion nests from forming at the magnet-pole shoe transition.
  • the stator windings have temperature sensors, in particular temperature sensors with a measurement evaluation and / or the triggering of a warning function. It can also be advantageously provided that the temperature sensors are connected to the control part of the system in order to reliably prevent the windings and the magnets from overheating. This results in an additional monitoring option, which in particular makes it possible to counteract harmful tendencies in relation to the heating of the electric motor.
  • the attractive forces or individual magnetic blocks are very high.
  • the diameter and the maximum operating speed of the electric motor are dimensioned such that a residual force remains between the magnet block and its bearing surface even at maximum speed (automatic permanent magnet liability).
  • the magnetic blocks are also held in a positive and non-positive manner on their base by a bandage in connection with the geometric configuration of the pole shoes, this positive and non-positive liability is further supported by an automatic permanent magnetic adhesion.
  • the magnetic blocks are reliably positioned without affecting the service life and even under the occurrence of extreme forces, for example in the event of a fault.
  • the bandage can consist of both fiber-reinforced plastic and A-magnetic material. However, fiber-reinforced plastic allows the bandage to be made particularly thin, so that the motor can be designed with a particularly small air gap.
  • the winding heads of the stator windings are advantageously molded and connected to the outer wall via fixed, heat-conducting bridges. In this way, a fail-safe design is achieved that is far superior in safety to forced-circulation cooling with recooling.
  • the design of the electric motor with an open, encapsulated outer housing also goes in the same direction. This ensures that no foreign objects can penetrate or be introduced into the electric motor from the outside, for example for repairs or the like. Overall, the electric motor is maintenance-free in an encapsulated form and has a very long service life.
  • a walk-on shaft between the ship and the nacelle, as is known for permanently excited and recooled nacelle drives, can therefore advantageously be dispensed with. As a result of the fact that ships are docked every five years, no engine repairs need to be carried out, only wear parts such as seals and bearings must be inspected and replaced if necessary.
  • magnetic field sensors are arranged in the motor to increase safety and can be switched on in particular periodically or in an event-controlled manner.
  • an arithmetic unit is provided which continuously determines the electrical and magnetic state of the motor from measured data, for example individual currents in the electric motor, from the motor temperature, the output power and the rotational speed and, if appropriate, other characteristic influencing variables, and provides a warning Approximates critical values, preferably also initiates countermeasures.
  • FIG. 2 which shows the circuit diagram of a 3-strand machine with a 12-pulse converter
  • the number of power branches in the converter is doubled, here the monitoring can already be simplified insofar as it affects the converter.
  • the monitoring in the electric motor can also be reduced.
  • the design optimized with regard to safety results In the circuit of a 6-leg machine with two 12-pulse converters shown in FIG. 4, the design optimized with regard to safety results.
  • the idealized magnet courses shown in FIG. 5 are particularly distinguished by their symmetry. In this way, special flow concentrations can be avoided.
  • FIG. 6 shows the stator temperature as a function of the length of the electric motor.
  • the rotor temperature is about 10 ° below the stator temperature, so that separate monitoring of the rotor temperature can advantageously be dispensed with.
  • the air gap temperature is highest on the exciter side of the electric motor, so the termo elements are advantageously concentrated for monitoring here.
  • a simple and reliable monitoring of the motor temperature is possible by tightly concentrated termo elements on the magnet side of the electric motor, the termo elements advantageously being firmly connected to the stator winding.
  • the magnetic force when idling, at nominal load and in the event of a short circuit.
  • the magnetic force is in any case within the reversible part of the characteristic curve, even in the event of a short circuit. Protection against demagnetization is also provided in the event of a short circuit.
  • FIG. 8 finally shows in a logarithmic representation the irreversible polarization losses found in the course of detailed investigations at various coefficients B / ⁇ OH at 130 ° C.
  • 130 ° C is considerably higher than the highest temperatures shown in FIG. 6 in the electric motor according to the invention, i.e. With regard to excess temperature, there is a security against demagnetization which is so high that the durability of the magnets can be assumed even beyond the required 25 to 30 years.
  • the permanent magnetic force at 130 ° and the maximum temperature of a good 90 ° in the area of the permanent magnets and The safe avoidance of overcurrents in the windings of the electric motor can ensure the required lifespan of 25 to 30 years for drives with permanent magnet excitation for marine nacelle motors.
  • the encapsulated version with direct external wall cooling, which is fail-safe, makes a significant contribution to this.

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Abstract

Elektrisches Antriebssystem für grosse Leistungen, z.B. für Leistungen über 500 kW, mit hoher Verfügbarkeit und Lebensdauer, insbesondere für ein seegehendes Schiff, wobei das Antriebssystem einen permanentmagneterregten, mit zumindest einem Drehenergie-Verbraucher, insbesondere einem Schiffspropeller, zusammenwirkenden Elektromotor und zumindest einen Stromrichter zur Energieversorgung des Elektromotors sowie eine Steuer-, Regel- und Überwachungseinrichtung für das System aufweist, wobei der Elektromotor langzeitig zuverlässig arbeitend ausgebildet und insbesondere gegen eine gänzliche oder teilweise Entmagnetisierung geschützt ausgebildet ist, wobei dies durch sich ergänzende konstruktive und betriebstechnische, z.B. schaltungs- und regeltechnische Massnahmen, in Bezug auf den Motor und den Stromrichter, erreicht wird.

Description

Beschreibung
Demagnetisierungssicherer, permanenterregter Schiffsantrieb
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystems für große Leistungen, z.B. für Leistungen über 500 kW, mit hoher Verfügbarkeit und Lebensdauer, insbesondere für ein seegehendes Schiff, wobei das Antriebssystem einen permanentmagneterregten, mit zumindest einem Drehenergie-Verbraucher, insbe- sondere einem Schiffspropeller, zusammenwirkenden Elektromotor und zumindest einen Stromrichter zur Energieversorgung des Elektromotors sowie eine Steuer-, Regel- und Überwachungseinrichtung für das System aufweist.
Permanenterregte Elektromotoren sind seit langer Zeit in den verschiedensten Bauformen bekannt. Verschiedene Bauformen für permanenterregte elektrische Motoren beschreibt z.B. der Aufsatz in der Siemens-Zeitschrift 49, 1975, Heft 6, Seiten 368 bis 374. Die seinerzeit erreichbaren Leistungen reichten bis 500 kW. Lange Zeit war dies die Leistungsgrenze permanenterregter elektrischer Maschinen, erst in jüngerer Zeit wurden auch größere Maschinen bis z.B. 30 MW entwickelt. Für derartige Maschinen, die eine erhebliche Investition darstellen, wird eine große Lebensdauer bei hoher Verfügbarkeit gefor- dert, damit die Investitionskosten gerechtfertigt sind.
Schiffe haben im allgemeinen eine Lebensdauer von 25 bis 30 Jahren, für ihre Antriebe wird daher die gleiche Lebensdauer gefordert. Eine derartige Lebensdauer konnte bisher für große permanenterregte elektrische Motoren nicht zugesichert wer- den. Es ist Aufgabe der Erfindung, ein System anzugeben, mit dem eine derartig hohe Lebensdauer vom großen permanenterregten elektrischen Motoren sicher erreicht wird. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Elektromotor langzeitig zuverlässig arbeitend ausgebildet und insbesondere gegen eine gänzliche oder teilweise Entmagnetisierung geschützt ausgebildet ist, wobei dies durch sich ergänzende konstrukti- ve und betriebstechnische, z.B. schaltungs- und regeltechnische Maßnahmen, in Bezug auf den Motor und den Stromrichter, erreicht wird. Die Lebensdauer der Permanentmagnete ist für die Lebensdauer eines nach den konstruktiven Regeln für eine lange Lebensdauer ausgelegten das wesentliche Kriterium. Ein mit Permanenterregung arbeitendes Antriebssystem für Schiffe oder für andere elektrische betriebene Großanlagen - auch ein Schiff kann als industrielle Anlage betrachtet werden - wird also in Bezug auf seine Lebensdauer entscheidend durch die Lebensdauer der magnetischen Komponenten bestimmt. Eine Ent- magnetisierung kann z.B. durch Überwärmung oder durch zu große innere Magnetfelder auftreten. Außerdem kann an den Magneten Korrosion auftreten, auch eine Demagnetisierung durch Alterung ist möglich. Auch eine Wanderung o.a. der Magnete auf dem Läufer des Elektromotors ist möglich, z.B. bei auftreten- den hohen Umfangsbeschleunigungen im Störfall. Das erfindungsgemäße Antriebssystem trägt in bisher neuer Weise den vorstehend geschilderten, die Lebensdauer herabsetzenden Faktoren Rechnung .
Überlegungen zur Demagnetisierung von permanentmagnetisch erregten elektrischen Motoren finden sich auch in der Diplomarbeit von Ville Nahkuri, Titel "Large Power Permanent Magnet Propulsion Motors", 24.02.1998, Helsinki University of Technology, Fakultry Electric and Communications Engineering. Die Diplomarbeit zeigt, daß die Temperaturen innerhalb des Elektromotors unter den kritischen Werten liegen, daß aber das magnetische Feld bei Fehlfunktionen des elektrischen Systems eine Gefahr für die Dauermagnete bilden kann. Eine Lösung für diese Problematik, die nicht ohne Betrachtung der übrigen Systemkomponenten erreicht werden kann, zeigt die Diplomarbeit nicht auf.
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Antriebssystem Permanentmagnete aus einer magnetisch alterungsbeständigen Magnetlegierung, z.B. auf der Basis von gesintertem und wärmebehandeltem Neodym-Eisen-Bor aufweist, die insbesondere formschlüssig an dem Läufer des Elektromotors be- festigt sind. Entsprechende Magnetlegierungen sind aus kleinen elektrischen Antrieben, z.B. für Stellantriebe, seit einiger Zeit bekannt. Ihr Dauerverhalten ist hinreichend praktisch und theoretisch untersucht. Aus den Untersuchungen ergibt sich eine Lebensdauer, die bei bestimmungsgemäßen Gebrauch die geforderte Zeit von 25 bis 30 Jahren deutlich übersteigt. Voraussetzung ist eine konstante Lage der Magnete. Sie dürfen nicht wandern.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Elektromotor ohne Kühlung durch ein Kühlmittel mit Rückkühlung ausgebildet ist und insbesondere bei Einsatz als Ruderpropellermotor in einer Motorgondel eine Außenwandkühlung aufweist. Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung wird die größtmögliche Sicherheit in Bezug auf eine Überwärmung er- reicht. Wenn kein Kühlmittelumlaufssystem vorhanden ist, kann es auch nicht ausfallen. Eine Außenwandkühlung arbeitet unter allen Umständen zufriedenstellend, insbesondere für einen Schiffsgondelantrieb. Wenn das Schiff in Fahrt ist, wird die Kühlung durch die Bewegung des Antriebs durch das Wasser ge- sichert. Die Kühlwirkung steigt mit der Fahrtgeschwindigkeit, d.h. mit der im Antrieb verbrauchten Energie. Dabei ergibt sich automatisch eine Kühlung, die leistungsabhängig reagiert . In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Magnetkreisauslegung des Antriebssystems derart ist, daß im Bemessungspunkt eine selbsttätige Begrenzung eines Kurzschlußstroms auf unkritische Werte erfolgt. Ein Kurzschluß- ström - z.B. bei einem Klemmenkurzschluß als Ursache - ergibt sich bei einem typischen Anwendungsfall mit dem 1,7-fachen des Nennstroms. Dieser Wert ist unkritisch, da z.B. von dem erfindungsgemäßen Magnetsystem der 2,2-fache Strom ertragen wird, ohne daß das von dem Überstrom erzeugte Magnetfeld die Dauermagnete schädigt. In Zusammenwirken mit einer Strombegrenzung im Stromrichter, z.B. auf 110 % bis 120 % des Auslegungsstroms, dies ist parametrierbar, ergibt sich eine zuverlässige Begrenzung des durch den Motor fließenden Stroms an allen Stellen auf unkritische Werte. Hierzu ist vorgesehen, daß der Stromrichter für seine einzelnen Zweige ein Höchst- strombegrenzung aufweist, die parametrierbar ist, z.B. auf einen Wert, der zuverlässig eine Entmagnetisierung durch Ü- berstrom verhindert. Dadurch, daß auch die einzelnen Zweige des Stromrichters und nicht nur dieser als Einheit in die Ü- berwachung einbezogen ist, wird auch für unwahrscheinliche
Fälle eine Begrenzung des im Motor fließenden Stroms an allen Stellen auf unkritische Werte erreicht.
Von besonderem Vorteil ist dabei die Verwendung von Strom- begrenzern, die aufgrund eines physikalischen Effekts sehr schnell, z.B. in weniger als einer Millisekunde abschalten, z.B. HTSL-Strombegrenzern. HTSL (Hochtemperatursuperleitungs) - Strombegrenzer arbeiten bei ca. 77 K, d.h. mit Kühlung durch flüssigen Stickstoff. Bei überschreiten der kritischen Strom- dichte ergibt sich unmittelbar ein relativ großer endlicher
Widerstand, d.h., es erfolgt eine Primärabschaltung. Kurze Zeit später ist dann eine Sekundärabschaltung, z.B. durch einen Leistungsschalter , erforderlich. Entsprechende Strombegrenzer wurden bereits in der Öffentlichkeit vorgestellt, z.B. durch die Anmelderin in 1 MVA- Größe. Als Schaltelement wirkt eine YBCO-Schicht eines keramischen Plattenleiters.
Die Begrenzung ist in spezifischer Form bei den unterschiedlichen, je nach Ausführung des Stromrichters verwendeten Leistungshalbleitern, so z.B. bei GTOs , bei IGBTs oder Thyristoren möglich. Die entsprechenden Leistungshalbleiter wer- den vorteilhaft auch einzeln überwacht, um durchkontaktierte Halbleiter sofort zu detektieren, damit sie ausgewechselt werden können. Auch das nie völlig auszuschließende Durchkon- taktieren der eingesetzten Leistungshalbleiter kann daher dem Magnetsystem nicht schaden.
Zur Überwachung des AntriebsSystems ist weiterhin vorgesehen, daß das System Meßeinrichtungen zwischen dem Stromrichter und dem Elektromotor, sowie zwischen dem Stromrichter und dem Transformator sowohl insgesamt als auch für einzelne Leis- tungszweige aufweist. So können Fehler im Stromrichter schnell erkannt und behoben werden. Zur Erkennung sind entsprechende, bekannte Meßeinrichtungen vorgesehen.
Von besonderer Bedeutung sind Stromgrenzen in Abhängigkeit von der Motordrehzahl. So wird der Tatsache Rechnung getragen, daß das innere Magnetfeld von der Motordrehzahl abhängt.
Als weitere Sicherheitsmaßnahmen weist das System eine Erdschluß-Anzeige und -Schutzeinrichtung, für Schiffe in Äquiva- lenz, eine Leitungsbruch-Überwachungseinrichtung, eine Phasensymmetrie-Überwachungseinrichtung sowie weitere Überwa- chungs- und Schutzschaltungskomponenten auf, insbesondere für Überströme und Überwärme. So kann allen denkbaren Fehlern im Gesamtsystem, die zu einer Überwärmung des Motors führen könnten, Rechnung getragen werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das erfindungsgemäße System ein Mehrfach-Wicklungssystem im Motor mit zwei jeweils in die Wicklungen speisenden Stromrichtern aufweist, bzw. daß mit zwei elektrischen Antriebsmo- toren mit jeweils einem Stromrichter gearbeitet wird, wobei jeweils drei Stränge des Stromrichters zu einem Drehstromsy- stem zusammengeschaltet werden. So ergeben sich insgesamt kleinere Untereinheiten, die jeweils einzeln überwacht und abgeschaltet werden können. Auch hierdurch wird sichergestellt, daß im Antriebsmotor keine schädlichen Überströme auftreten.
Es ist dabei auch eine Ferndiagnoseeinrichtung vorgesehen, die insbesondere das Schiffsbetriebssystem und den Stromrichter mit seinen Komponenten erfaßt. Eine derartige Ferndiagnoseeinrichtung, die z.B. für Schiffe mit einer Satelliten- kommunikation arbeitet, erlaubt es, daß die Fachleute des
Herstellers dem Schiffsingenieur mitteilen, welche Komponenten er auszutauschen hat bzw. welche Komponenten in Kürze ausfallen könnten. Auch hierdurch wird die Sicherheit gegen Entmagnetisierung und die Betriebssicherheit weiter gestei- gert.
Zur Sicherung der Lebensdauer der Permanentmagnete ist vorgesehen, daß diese aus einer magnetisch alterungsbeständigen und besonders korrosionsfesten Magnetlegierung, z.B. auf der Basis von gesintertem und wärmebehandeltem Neodym-Cobalt-Kup- fer-Eisen-Bor bestehen, z.B. der Vac-Qualität Vacodynm 677HR. Darüber hinaus ist vorgesehen, daß die Permanentmagnete dauerhaltbar beschichtet oder lackiert sind und eine glatte 0- berflache aufweisen. Sie besitzen z.B. Quaderform. So ergeben sich nicht nur ein korrosionsfestes Grundmaterial, sondern auch eine korrosionsgeschützte Gesamtausbildung. Ein Material- und damit auch Magnetkraftverlust der Permanentmagnete liegt über die geforderte Lebensdauer bei den im Elektromotor herrschenden Bedingungen nicht vor.
Die Magnetblöcke sind vorteilhaft auf ihrer Unterlage durch Kleben fixiert, insbesondere durch einen vollvernetzten Sili- konkleber in Form eines Einkomponentenklebers. Die Fixierung der Magnetblöcke auf ihrer Unterlage ist zur Montage notwendig. Durch die Verwendung eines vollvernetzten Silikonklebers in Form eines Einkomponentenklebers wird dabei vorteilhaft verhindert, daß sich am Übergang Magnet - Polschuh Korrosi- onsnester bilden können.
Zur Überwachung des Elektromotors ist vorgesehen, daß die Ständerwicklungen Temperatursensoren aufweisen, insbesondere Temperatursensoren mit einer Meßauswertung und/oder der Aus- lösung einer Warnfunktion. Es kann dabei auch vorteilhaft vorgesehen werden, daß die Temperatursensoren auf den Rege- lungsteil des Systems aufgeschaltet sind, um eine Überhitzung der Wicklungen und der Magnete mit Sicherheit zu verhindern. So ergibt sich eine zusätzliche Überwachungsmöglichkeit, die es insbesondere erlaubt, schädlichen Tendenzen in Bezug auf die Erwärmung des Elektromotors entgegenzuwirken.
Die Anziehungskräfte oder einzelnen Magnetblöcke sind sehr hoch. In vorteilhafter Ausgestaltung des Motors ist vorgese- hen, daß der Durchmesser und die betriebliche Hochstdrehzahl des Elektromotors derart bemessen sind, daß auch bei Höchstdrehzahl eine Restkraft zwischen Magnetquader und seiner Auflagefläche verbleibt (selbsttätige Magnetdauerhaftung) . Zwar werden die Magnetblöcke auch durch einer Bandage in Verbindung mit der geometrischen Ausgestaltung der Polschuhe formschlüssig und kraftschlüssig auf ihrer Unterlage festgehalten, durch eine selbsttätige Magnetdauerhaftung wird diese form- und kraftschlüssige Haftung noch unterstützt. Ohne Beeinträchtigung der Lebensdauer, und auch unter dem Auftreten extremer Kräfte, z.B. im Störungsfall, sind die Magnetquader zuverlässig positioniert. Die Bandage kann sowohl aus faserverstärktem Kunststoff als auch aus A-magnetischem Material bestehen. Faserverstärkter Kunststoff erlaubt jedoch eine besonders dünne Ausführung der Bandage, so daß der Motor mit einem besonders geringen Luftspalt ausgeführt werden kann.
Die Wickelköpfe der Ständerwicklungen sind vorteilhaft ver- gössen ausgeführt und über feste wärmeleitende Brücken mit der Außenwandung verbunden. So wird eine versagenssichere Ausführung erreicht, die einer Zwangsumlaufkühlung mit Rückkühlung in der Sicherheit weit überlegen ist.
In die gleiche Richtung geht auch die Ausführung des Elektromotors mit einem öffnungslosen, gekapselten Außengehäuse. So ist sichergestellt, daß keine Fremdkörper von außen in den Elektromotor eindringen oder eingebracht werden können, z.B. bei Reparaturen o.a. Insgesamt ergibt sich eine wartungsfreie Ausführung des Elektromotors in gekapselter Form und höchster Lebensdauer. Auf einen begehbaren Schaft zwischen Schiff und Gondel, wie er für permanenterregte und rückgekühlte Gondelantriebe bekannt ist, kann daher vorteilhaft verzichtet werden. Anläßlich der alle fünf Jahre erfolgenden Eindockung von Schiffen braucht daher keine Motorreparatur zu erfolgen, lediglich Verschleißteile wie Dichtungen und Lager müssen inspiziert und ggf. ausgetauscht werden. Schließlich ist noch vorgesehen, daß zur Erhöhung der Sicherheit im Motor Magnetfeldsensoren angeordnet sind, die insbesondere periodisch oder ereignisgesteuert einschaltbar sind. Des weiteren ist eine Recheneinheit vorgesehen, die fortlau- fend aus Meßdaten, z.B. von Einzelströmen in dem Elektromotor, aus der Motortemperatur, der abgegebenen Leistung und der Drehzahl sowie ggf. weitere kennzeichnende Einflußgrößen, den elektrischen und magnetischen Zustand des Motors ermittelt und eine Warnung bei Annäherung an kritische Größen ab- gibt, vorzugsweise auch gegensteuernde Maßnahmen einleitet.
So wird vorteilhaft eine dauerhafte erreicht, um, insbesondere zur Ferndiagnose, eine laufende Überwachung des Antriebs- motors unter Berücksichtigung der gegenseitigen Beeinflussung der einzelnen Einflußgrößen zu erhalten.
Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert, aus denen ebenso wie aus den Unteransprüchen weitere, auch erfindungswesentliche Einzelheiten entnehmbar sind.
Im einzelnen zeigen:
FIG 1,2,3 und 4 die vorgesehenen einzelnen Schaltungen für das System,
FIG 5 ein typisches Magnetflußbild für die Perma- nentmagnete,
FIG 6 eine Temperaturkurve über die Länge des Läufers,
FIG 7 den Verlauf der Magnetkraft und
FIG 8 den Magnetkraftverlauf eines Neodym-Eisen- Bor-Magnets über die Zeit. Die Zeichnungen sind in Zusammenhang mit der Lehre der Patentansprüche der in ihnen enthaltenen Detailangaben und der Beschreibung für den Fachmann selbsterklärend.
In den FIG 1 bis 4 sind die üblichen Symbole der Elektrotechnik für Transformatoren, Stromrichter und elektrische Motoren verwendet. Wie ersichtlich, hat die in FIG 1 gezeigte drei- strängige Maschine mit einem 6-pulsigen Umrichter die kleinste Zahl von zu überwachenden Phasen und von Halbleistungs- halbleitern. Hier wird daher vorteilhaft eine Einzelüberwachung der Phasen- und der Leistungshalbleiter gewählt.
In FIG 2, die das Schaltbild einer 3 -strängigen Maschine mit einem 12-pulsigen Stromrichter zeigt, ist die Zahl der Lei- stungszweige im Stromrichter verdoppelt, hier kann die Überwachung bereits vereinfacht werden, soweit sie den Stromrichter betrifft. In FIG 3 kann auch die Überwachung im elektrischen Motor verringert werden. In der in FIG 4 gezeigten Schaltung einer 6-strängigen Maschine mit zwei 12-pulsigen Stromrichtern ergibt sich die in Bezug auf die Sicherheit optimierte Ausführung.
Die in FIG 5 gezeigten, idealisiert dargestellten, Magnetverläufe zeichnen sich besonders durch ihre Symmetrie aus . So können besondere Flußkonzentrationen vermieden werden.
FIG 6 zeigt die Ständertemperatur in Abhängigkeit von der Länge des Elektromotors. Die Läufertemperatur liegt um ca. 10° unter der Ständertemperatur, so daß vorteilhaft auf eine separate Überwachung der Läufertemperatur verzichtet werden kann. Wie sich ergibt, ist die Luftspalttemperatur auf der Erregerseite des Elektromotors am höchsten, hier werden also vorteilhaft die Termoelemente zur Überwachung konzentriert. Es ist eine einfache und sichere Überwachung der Motortemperatur durch dicht konzentrierte Termoelemente auf den Magnetseite des Elektromotors möglich, wobei die Termoelemente vorteilhaft fest mit der Ständerwicklung verbunden sind.
FIG 7 zeigt schließlich die Magnetkraft im Leerlauf, bei Nennlast und im Kurzschlußfall. Wie ersichtlich liegt die Magnetkraft in jedem Fall innerhalb des reversiblen Teils des Kennlinienverlaufs, auch für den Kurzschlußfall. Ein Schutz gegen Entmagnetisierung ist also auch am Kurzschlußfall gegeben.
FIG 8 schließlich zeigt in logarithmischer Darstellung die bei eingehenden Untersuchungen festgestellten irreversiblen Polarisationsverluste bei verschiedenen Koeffizienten B/μOH bei 130 °C . 130 °C liegt erheblich über den aus FIG 6 ersichtlichen höchsten Temperaturen im erfindungsgemäßen Elektromotor, d.h. es besteht in Bezug auf Übertemperatur eine Sicherheit gegen Entmagnetisierung, die so hoch ist, daß eine Dauerhaltbarkeit der Magnete sogar über die geforderten 25 bis 30 Jahre hinaus angenommen werden kann.
Ausgehend von den verwendeten langjährig erprobten Transfor- matorharzen mit einer dauernden Temperaturbeständigkeit von über 150° (hier liegen bereits ebenfalls über 20-jährige Betriebserfahrungen vor) über die dauerhafte Magnetkraft bei 130° und der höchstens auftretenden Temperatur von gut 90° in Bereich der Permanentmagnete sowie der sicheren Vermeidung von Überströmen in den Wicklungen des Elektromotors kann die geforderte Lebensdauer von 25 bis 30 Jahren für permanentmagneterregte Antriebe von Schiffsgondelmotoren gesichert werden. Hierzu trägt nicht unerheblich die gekapselte Ausführung mit direkter Außenwandkühlung bei, die ausfallssicher ist.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrisches Antriebssystem für große Leistungen, z.B. für Leistungen über 500 kW, mit hoher Verfügbarkeit und Lebens- dauer, insbesondere für ein seegehendes Schiff, wobei das Antriebssystem einen permanentmagneterregten, mit zumindest einem Drehenergie-Verbraucher, insbesondere einem Schiffspro- peller, zusammenwirkenden Elektromotor und zumindest einen Stromrichter zur Energieversorgung des Elektromotors sowie eine Steuer-, Regel- und Überwachungseinrichtung für das System aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor langzeitig zuverlässig arbeitend ausgebildet und insbesondere gegen eine gänzliche oder teilweise Entmagnetisierung geschützt ausgebildet ist, wobei dies durch sich er- gänzende konstruktive und betriebstechnische, z.B. schal- tungs- und regeltechnische Maßnahmen, in Bezug auf den Motor und den Stromrichter, erreicht wird.
2. Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, daß es Permanentmagnete aus einer magnetisch alterungsbeständigen Magnetlegierung, z.B. auf der Basis von gesintertem und wärmebehandeltem Neodym-Eisen-Bor aufweist, die insbesondere formschlüssig an dem Läufer des Elektromotors befestigt sind.
3. Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Elektromotor ohne Kühlung durch ein Kühlmittel mit Rückkühlung arbeitend ausgebildet ist und insbesondere bei Einsatz als Ruderpropellermotor eine Gondel- außenwandkühlung aufweist.
4. Antriebssystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Magnetkreisauslegung derart ist, daß im Bemessungspunkt eine selbsttätige Begrenzung eines Kurzschlußstroms auf unkritische Werte erfolgt.
5. Antriebssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Wicklungen des Elektromotors eine Strombegrenzung durch den Stromrichter, die parametrierbar ist, z.B. auf 110 % bis 120 % des Auslegungsstroms, erfolgt.
6. AntriebsSystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromrichter für seine einzelnen Zweige eine Höchststrombe- grenzung aufweist, die parametrierbar ist, z.B. auf einen Wert, der zuverlässig eine Entmagnetisierung durch Überstrom verhindert.
7. Antriebssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es Strombegrenzer aufweist, die aufgrund eines physikalischen Effekts sehr schnell, z.B. in weniger als 1 Millisekunde, abschalten, insbesondere HTSL-Strombegrenzer .
8. Antriebssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es IGBT- Leistungshalbleiter mit einer Schnellabschaltautomatik bei Fehlfunktion aufweist.
9. Antriebssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es funk- tionsüberwachte Thyristoren aufweist.
10. Antriebssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß es Meßeinrichtungen zwischen dem Stromrichter und dem Elektromotor für die einzelnen Phasenströme aufweist.
11. Antriebssystem nach einem oder mehreren der vorhergehen- den Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß es
Meßeinrichtungen für die Phasenströme zwischen seinem Strom- richtertransformator und dem Stromrichter aufweist.
12. Antriebssystem nach einem oder mehreren der vorhergehen- den Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß es parametrierbare Stromgrenzen in Abhängigkeit von der Motordrehzahl und ggf. dem Motordrehmoment aufweist.
13. Antriebssystem nach einem oder mehreren der vorhergehen- den Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß es einen auch unter Last schaltbaren Leistungsschalter zwischen seinem Versorgungsnetz und dem Stromrichtertransformator aufweist .
14. Antriebssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß es einen Erdschluß-Anzeige und -Schutzeinrichtung, für Schiffe in Äquivalenz, aufweist.
15. Antriebssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß es eine Leitungsbruch-Überwachungseinrichtung aufweist.
16. Antriebssystem nach einem oder mehreren der vorhergehen- den Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß es eine Phasensymmetrie-Überwachungseinrichtung aufweist.
17. Antriebssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß es weitere Überwachungs- und Schutzschaltungskomponenten, Regelungen und Steuerungen aufweist, insbesondere für Überströme und Über- wärme .
18. Antriebssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß es ein Mehrfach-Wicklungssystem im Motor mit zwei jeweils in die Wicklungen speisenden Stromrichtern aufweist, wobei jeweils drei Stränge zu einem Drehstromsystem zusammengeschaltet werden.
19. Antriebssystem nach einem oder mehreren der vorhergehen- den Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß es eine Ferndiagnoseeinrichtung aufweist, die insbesondere das Schiffsbetriebssystem und den Stromrichter mit seinen Komponenten erfaßt .
20. Antriebssystem, insbesondere nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es Permanentmagnete aus einer magnetisch alterungsbeständigen und besonders korrosionsfesten Magnetlegierung, z.B. auf der Basis von gesintertem und wärmebehandeltem Neodym-Cobalt-Kupfer-Eisen-Bor auf- weist.
21. Antriebssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß es als Permanentmagnete dauerhaltbar beschichtete oder lackierte Magnetblöcke, insbesondere dauerhaltbar beschichtete oder lackierte Magnetblöcke in Quaderform, aufweist.
22. Antriebssystem nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetquader auf ihrer Unterlage durch Kleben fixiert sind, insbesondere durch einen vollvernetzten Silikonkleber in Form eines Einkomponentenklebers.
23. Antriebssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß die Ständerwicklungen Temperatursensoren aufweisen, insbesondere Temperatursensoren mit einer Meßauswertung und/oder der Auslösung einer Warnfunktion.
24. Antriebssystem nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatursensoren auf den Regelungsteil des Systems aufgeschaltet sind, um eine Überhitzung der Wicklungen und/oder Erregermagnete zu verhindern.
25. Antriebssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Durchmesser und Höchstdrehzahl des Elektromotors derart bemessen sind, daß auch bei Höchstdrehzahl eine Restkraft zwi- sehen einem Magnetquader und seiner Auflagefläche verbleibt (selbsttätige Magnetdauerhaftung) .
26. Antriebssystem, insbesondere nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator des Elektro- motors mit seinen Wicklungen in sein Gehäuse eingeschrumpft ist und in seinem Wickelkopfbereich feste, wärmeableitende Brücken, insbesondere aus gefülltem Kunststoff, z.B. aus gefülltem Epoxydharz, aufweist, wobei die Wicklungsköpfe selbst mit Isolationsharz vergossen sind.
27. Antriebssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß die Erregermagnete vorzugsweise in Form von Quadern ausgebildet, auf Polschuhen mit einer Polygonoberfläche angeordnet sind und von außen durch eine Bandage auf den Polygonflächen fixiert werden.
28. Antriebssystem nach Ansprüche 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandage aus faserverstärktem Kunststoff besteht, insbesondere aus einem mit Glasfaser, Kohlefaser oder Keflar verstärktem Kunststoff besteht, wobei die Bandage vorzugsweise nicht vorgetränkte Fasern in Band- form aufweist.
29. Antriebssystem nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff ein Isolationskunststoff der Klasse F ist, insbesondere ein gefülltes Transfor- matorenharz .
30. Antriebssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregermagnete eine Bandage aus A-magnetischem Material, z.B. aus einem nichtrostenden Stahlband, aufweisen.
31. Antriebssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor ein öffnungsloses, gekapseltes Außengehäuse auf- weist.
32. Antriebssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß es im Elektromotor Magnetfeldsensoren aufweist, insbesondere pe- riodisch oder ereignisgesteuert einschaltbare, Magnetfeldsensoren .
33. Antriebssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß es eine Recheneinheit aufweist, die fortlaufend unter Berücksichtigung von Einzelgrößen, z.B. Einzelströmen in dem Elekt- romotor, der Wicklungstemperatur, der abgegebenen Leistung und der Drehzahl sowie ggf. weiterer Einflußgrößen, den e- lektrischen und magnetischen Zustand des Motors rechentechnisch ermittelt und einer Warnung bei Annäherung an kritische Größen abgibt, vorzugsweise auch gegensteuernde Maßnahmen einleitet.
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