DE10049766A1

DE10049766A1 - Magnetizing magnet systems involves feeding direct current that is regulated continuously or in stages to coil made from high temperature superconductor to magnetize permanent magnets

Info

Publication number: DE10049766A1
Application number: DE2000149766
Authority: DE
Inventors: Peter Hein; Georg Nerowski
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-09-29
Filing date: 2000-09-29
Publication date: 2002-04-11

Abstract

The method involves feeding current to a coil (10) that is associated with the magnet system from a current source (13) to magnetize the permanent magnets (18). The coil is made from a high temperature superconductor and a direct current that is regulated continuously or in stages is fed to the coil to magnetize the permanent magnets. AN Independent claim is also included for the following: an arrangement for magnetizing magnet systems consisting of constructional parts for guiding a magnetic flux and associated rare earth element based permanent magnets that are at first unmagnetized.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der grundlegenden elektri schen Bauteile und ist beim Magnetisieren von Magnetsystemen anzuwenden, die aus Konstruktionsteilen zum Führen eines mag netischen Flusses und aus diesen Konstruktionsteilen zugeord neten, zunächst nicht aufmagnetisierten Dauermagneten auf der Basis von Seltenerdelementen bestehen.The invention is in the field of basic electrical components and is in the magnetization of magnet systems to apply, which may consist of construction parts for guiding a netic river and assigned from these construction parts neten, at first not magnetized permanent magnets on the Basis of rare earth elements exist.

Die in neuerer Zeit entwickelten Dauermagnete auf der Basis von Seltenerd-Elementen (z. B. Neodym, Samarium) bieten die Möglichkeit, auch in dynamoelektrischen Maschinen größerer Leistung (< 500 kW) die bisher übliche elektrische Erregung durch eine dauermagnetische Erregung zu ersetzen. Hierzu sind allerdings Dauermagnete so großen Volumens und/oder so großer Ausdehnung erforderlich, dass sich diese im magnetisierten Zustand kaum noch handhaben lassen. Daher werden solche Mag nete aus mehreren kleineren Magnetelementen aufgebaut, die sich im magnetisiertem Zustand noch handhaben lassen, oder man bringt die Magnete im unmagnetisiertem Zustand auf die zum Führen eines magnetischen Flusses vorgesehenen Konstruk tionsteile (z. B. den Rotor eines Elektromotors) auf und mag netisiert die Dauermagnete im montierten Zustand. - Generell wird zum Aufmagnetisieren von Dauermagneten eine Spule oder ein Spulensystem aus Kupferleitern verwendet, die bzw. das unmittelbar über dem zu magnetisierenden Magnetkörper oder um ihn herum angeordnet wird.The permanent magnets based on the recently developed of rare earth elements (e.g. neodymium, samarium) offer the Possibility of larger even in dynamoelectric machines Power (<500 kW) the usual electrical excitation to be replaced by permanent magnetic excitation. For this are however permanent magnets of such a large volume and / or such a large size Expansion required that this magnetized Condition can hardly be handled. Therefore such mag nete composed of several smaller magnetic elements, the can still be handled in the magnetized state, or you bring the magnets in the unmagnetized state on the Construct provided for guiding a magnetic flux tion parts (e.g. the rotor of an electric motor) and mag netized the permanent magnets when assembled. - As a general rule becomes a coil or magnet to magnetize permanent magnets uses a coil system made of copper conductors immediately above the magnetic body to be magnetized or around arranging it around.

Zum Aufmagnetisieren solcher Magnetsysteme werden wegen des erforderlichen starken Magnetfeldes aufgeladene Kondensatoren verwendet, die der Spule bzw. dem Spulensystem zugeordnet und über die Spule bzw. das Spulensystem entladen werden. Derar tige Magnetisierungsanordnungen können zur Magnetisierung größerer Magnetsysteme nicht in beliebiger Größe gebaut wer den, weil der Größe der Kondensatorbatterie und der Größe der Magnetisierungsspule aus Kosten- und Platzgründen Grenzen gesetzt sind.To magnetize such magnet systems are because of required strong magnetic field charged capacitors used that assigned to the coil or the coil system and be discharged via the coil or the coil system. Derar term magnetization arrangements can for magnetization larger magnet systems not built in any size because of the size of the capacitor bank and the size of the Magnetizing coil due to cost and space constraints are set.

Ausgehend von einem Verfahren und einer Anordnung zum Magne tisieren von Magnetsystemen mit den Merkmalen der Oberbegrif fe der Patentansprüche 1 und 2 liegt der Erfindung die Aufga be zugrunde, ein Magnetisierungssystem zu schaffen, mit dem beliebig große Magnetsysteme kostengünstig aufmagnetisiert werden können.Based on a process and an arrangement for the Magne tizing of magnet systems with the characteristics of the main concept Fe of claims 1 and 2, the invention is the task be the basis for creating a magnetization system with which Magnet systems of any size can be magnetized inexpensively can be.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass zum Aufbau der Spule ein kühlbarer Hochtemperatursupra leiter verwendet wird und dass der Spule ein kontinuierlich oder in Stufen regelbarer Gleichstrom zugeführt wird; dies bedeutet hinsichtlich einer diesbezüglichen Anordnung, dass der Leiter der Spule als kühlbarer Hochtemperaturleiter aus gebildet ist und das dem Hochtemperatursupraleiter eine re gelbare Gleichstromquelle zugeordnet ist.To achieve this object, the invention provides that a coolable high-temperature supra for building the coil conductor is used and that the coil is a continuous or direct current that can be regulated in stages is supplied; this with regard to an arrangement in this regard means that the conductor of the coil as a coolable high-temperature conductor is formed and the re the high-temperature superconductor gelable DC power source is assigned.

Das neue Magnetisierungssystem verwendet demnach für die Mag netisierungsspule einen kühlbaren - und beim Betrieb des Sys tems tiefgekühlten - Hochtemperatursupraleiter, dessen elekt rischer Widerstand nahezu Null ist. Daher ist der Energiebe darf für den Magnetisierungsvorgang leicht aus einem an das allgemeine Stromversorgungsnetz anschließbaren Transformator mit nachgeschaltetem Gleichrichter zu decken. Die Verwendung einer Kondensatorbatterie erübrigt sich demnach. - Durch die Möglichkeit des geregelten Anstiegs des Magnetisierungsstro mes und des Fließens eines Gleichstromes über eine steuerbare Zeit treten beim Magnetisieren keine mechanischen Stoßbelas tungen auf. Da weiterhin durch die Verwendung eines Hochtem peratursupraleiters für die Spule keine den magnetischen Fluss führenden Elemente erforderlich sind, ist auch der Platzbedarf für das Magnetisierungssystem erheblich redu ziert. Dadurch ist die Möglichkeit gegeben, die aufzumagneti sierenden Magnetsysteme im homogenen Bereich der Magnetisie rungsspule zu plazieren. - Die Kühlung des verwendeten Hoch temperatursupraleiters erfolgt mit flüssigem Helium oder Stickstoff; dabei ist der Platzbedarf für die thermische Iso lierung des Hochtemperatursupraleiters gering.The new magnetization system is therefore used for the mag netization coil a coolable - and when operating the sys tems frozen - high-temperature superconductor, the elect resistance is almost zero. Hence the energy love for the magnetization process can easily from one to the general power grid connectable transformer to be covered with a downstream rectifier. The usage a capacitor battery is therefore unnecessary. - By the Possibility of a controlled increase in the magnetizing current mes and the flow of a direct current via a controllable No mechanical shock loads occur during magnetization on. Since continue through the use of a high temperature superconductor for the coil none the magnetic Flow guiding elements are also required Space requirement for the magnetization system significantly reduced ed. This gives the possibility to open the magnet magnet systems in the homogeneous area of magnetization to place the coil. - The cooling of the high used temperature superconductor is made with liquid helium or Nitrogen; the space required for the thermal insulation High temperature superconductor low.

Im Hinblick auf die Magnetisierung von länglichen Magnetsys temen kann man mit Vorteil eine Anordnung wählen, bei der die den Dauermagneten zugeordneten Konstruktionsteile im Quer schnitt ein U-förmiges Profil aufweisen, wobei die Dauermag nete auf den Enden der beiden Schenkel des U-förmigen Profils angeordnet sind, und bei der die Spule derart zwei nebenein ander angeordneten Magnetsystemen zugeordnet ist, das sie je weils einen Schenkel der beiden Konstruktionsteile umfasst. Eine solche Anordnung ist insbesondere für Rotoren elektrody namischer Maschinen geeignet, wobei die Konstruktionsteile von den gesondert zu montierenden Polschuhen des Rotors ge bildet werden.With regard to the magnetization of elongated magnet systems one can advantageously choose an arrangement in which the the construction parts assigned to the permanent magnets in the cross cut have a U-shaped profile, the permanent mag nete on the ends of the two legs of the U-shaped profile are arranged, and in which the coil such as two next to each other is assigned to other arranged magnet systems that they ever because it includes one leg of the two construction parts. Such an arrangement is electrody especially for rotors suitable machines, the construction parts from the separately assembled pole shoes of the rotor be formed.

Um bei Rotoren dynamoelektrischer Maschinen, bei denen die Dauermagnete polweise auf die Oberfläche des magnetischen Kernes des Rotors aufgeklebt sind, zu erreichen, dass sich die Dauermagnete beim Magnetisierungsvorgang nicht im Streu feldbereich sondern im homogenen Bereich der Magnetisierungs spule befinden, kann man die Magnetisierungsspule in nutarti gen Pollücken anordnen, die im Rotor zwischen den Dauermag netpolen verlaufen. Die Spule kann dort bleibend angeordnet sein, so dass das Magnetisieren praktisch vor Ort an dem im Stator angeordneten Rotor vorgenommen werden kann. Eine sol che Anordnung ermöglicht auch, bei Servicemaßnahmen, die ei nen Ausbau des Rotors oder einzelner Rotorpole erfordern, das von dem Dauermagneten erzeugte Feld ganz oder teilweise zu schwächen. - Bei einer solchen Zuordnung der Spule zum Rotor sind auch Nachmagnetisierungen möglich.In the case of rotors of dynamoelectric machines in which the Permanent magnets in poles on the surface of the magnetic Core of the rotor are glued on to achieve that the permanent magnets are not scattered during the magnetization process field area but in the homogeneous area of magnetization coil, you can use the magnetization coil in nutarti Arrange the pole gaps in the rotor between the permanent stomach netpolen run. The coil can be arranged there permanently so that the magnetization is practically on site at the im Stator arranged rotor can be made. A sol Che arrangement also allows, with service measures, the egg require removal of the rotor or individual rotor poles Field generated by the permanent magnet in whole or in part weaknesses. - With such an assignment of the coil to the rotor post-magnetizations are also possible.

Drei Ausführungsbeispiele sind in den Fig. 1 bis 4 darge stellt. Dabei zeigenThree embodiments are shown in FIGS . 1 to 4 Darge. Show

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch den für die Magnetisierungsspule verwendeten Hochtemperatursupraleiter, Fig. 1 shows a schematic cross section through the magnetizing coil used for the high-temperature superconductor,

Fig. 2 eine Anordnung zum Magnetisieren einzelner Magnetsys teme, Fig. 2 shows an arrangement of individual systems for magnetizing Magnetsys,

Fig. 3 eine erste Anordnung zum Magnetisierung der Dauermag nete eines Rotors einer elektrischen Großmaschine und Fig. 3 shows a first arrangement for magnetizing the permanent mag nete of a rotor of a large electrical machine and

Fig. 4 eine zweite Anordnung zum Magnetisieren der Dauermag nete eines Rotors einer dynamoelektrischen Großmaschine. Fig. 4 shows a second arrangement for magnetizing the permanent magnet of a rotor of a large dynamoelectric machine.

Fig. 1 zeigt einen kühlbaren Hochtemperatursupraleiter 1, der einen rechteckigen Querschnitt mit einer Kantenlänge von etwa 20 bis 25 mm aufweist und dessen eigentlicher Leiter 2 aus drei Profildrähten 3 besteht. Der Leiter 2 ist innerhalb eines Kühlkanals 4 angeordnet, der von einer Superisolation 5 umgeben ist. Dieser Leiteraufbau ist mittels Stützelementen 6 in einer äußeren Hülle 7 angeordnet, wobei der Zwischenraum 8 evakuiert ist. Fig. 1 shows a coolable high-temperature superconductor 1 , which has a rectangular cross section with an edge length of about 20 to 25 mm and the actual conductor 2 consists of three profile wires 3 . The conductor 2 is arranged within a cooling channel 4 , which is surrounded by superinsulation 5 . This conductor structure is arranged by means of support elements 6 in an outer sheath 7 , the space 8 being evacuated.

Fig. 2 zeigt eine aus einem Hochtemperatursupraleiter gemäß Fig. 1 aufgebaute Magnetisierungsspule 10, die zur Magneti sierung zweier Magnetsysteme 15 eingesetzt wird. Hierzu sind die Anschlüsse 11 und 12 der Magnetisierungsspule 10 zum ei nen an eine Stromquelle 13 und zum anderen an ein Tiefkühlag gregat 14 angeschlossen. Bei der Stromquelle 13 handelt es sich um eine Gleichstromquelle, die einen regelbaren Trans formator und einen Gleichrichter aufweist und ihrerseits an ein Wechselspannungsnetz anschließbar ist. Einer solchen Stromquelle sind Ströme von mehreren tausend Ampere zu entneh men. Fig. 2 shows a magnetization coil 10 constructed from a high-temperature superconductor according to FIG. 1, which is used for magnetizing two magnet systems 15 . For this purpose, the terminals 11 and 12 of the magnetizing coil 10 are to ei nen to a power source 13 and on the other to a Tiefkühlag gregat connected fourteenth The current source 13 is a direct current source which has a controllable transformer and a rectifier and which in turn can be connected to an alternating voltage network. Currents of several thousand amperes can be taken from such a current source.

Die beiden Magnetsysteme 15 bestehen jeweils aus einem Kon struktionsteil 16, bei dem es sich um einen langgestreckten Profilkörper mit einem U-förmigen Querschnitt handelt, so dass dieser Konstruktionskörper zwei Schenkel 17 aufweist. Auf den Enden der Schenkel sind Dauermagnete 18 aufgebracht. Die beiden Konstruktionsteile 16 sind parallel nebeneinander angeordnet. In die zwischen den Schenkeln verbleibenden Lü cken ist die Magnetisierungsspule eingelegt. Bei einem Magne tisierungsvorgang werden somit die beiden Magnetsysteme 15 gleichzeitig magnetisiert, wobei zwei N-Pole und zwei S-Pole entstehen.The two magnet systems 15 each consist of a con construction part 16 , which is an elongated profile body with a U-shaped cross section, so that this structural body has two legs 17 . Permanent magnets 18 are applied to the ends of the legs. The two construction parts 16 are arranged parallel to one another. The magnetizing coil is inserted into the gaps remaining between the legs. In a magnetization process, the two magnet systems 15 are thus magnetized simultaneously, with two N poles and two S poles being formed.

Ein praktisches Anwendungsbeispiel für die Anordnung gemäß Fig. 2 zeigt Fig. 3. Dargestellt ist der Rotor 20 einer elektrodynamischen Maschine, der zehnpolig ausgebildet ist. Der Rotor weist dementsprechend zehn Konstruktionsteile 16 zum Führen eines magnetischen Flusses auf, wobei auf den U- förmigen Schenkeln Dauermagnete 18 angeordnet sind. Bezüglich des Rotors bilden jeweils die beiden aneinandergrenzenden Schenkel zweier benachbarter Konstruktionsteile 16 einen Pol des Rotors. Auf den Rotor ist in nicht näher dargestellter Weise eine Bandage aufgebracht, um die Dauermagnete 18 im Blick auf hohe Umfangsgeschwindigkeiten mechanisch zu si chern. A practical application example for the arrangement according to FIG. 2 is shown in FIG. 3. The rotor 20 of an electrodynamic machine is shown, which is designed with ten poles. The rotor accordingly has ten construction parts 16 for guiding a magnetic flux, permanent magnets 18 being arranged on the U-shaped legs. With regard to the rotor, the two adjoining legs of two adjacent construction parts 16 each form a pole of the rotor. A bandage is applied to the rotor in a manner not shown in order to mechanically secure the permanent magnets 18 in view of high peripheral speeds.

Der Rotor ist zunächst im unmagnetisierten Zustand der Dauer magnete 18 aufgebaut. Zur Magnetisierung der Dauermagnete wird die Magnetisierungsspule über jeweils einem Pol angeord net, wobei die einzelnen Pole nacheinander magnetisiert wer den. Die Pole befinden sich dabei im Streufeld der Magneti sierungsspule.The rotor is initially built in the unmagnetized state of the permanent magnets 18 . To magnetize the permanent magnets, the magnetization coil is arranged over one pole each, the individual poles being magnetized one after the other. The poles are in the stray field of the magnetizing coil.

Fig. 4 zeigt einen Rotor 21, der gleichartig wie der Rotor 20 gemäß Fig. 3 aufgebaut ist. Ein wesentlicher Unterschied besteht jedoch darin, dass eine Magnetspule 23 dem Rotor fest zugeordnet ist, und zwar in der Weise, dass die Magnetspule mäanderförmig um alle Pole des Rotors gewickelt ist. Die Mag netspule befindet sich demnach fest in zwischen den einzelnen Polen gebildeten nutartigen Pollücken 22. Diese Anordnung, bei der sich die Pole im homogenen Feld der Magnetisie rungspule befinden, ermöglicht es, die Dauermagnete erst nach Einsetzen des Rotors in den Stator einer elektrodynamischen Maschine zu magnetisieren. FIG. 4 shows a rotor 21 which is constructed in the same way as the rotor 20 according to FIG. 3. An essential difference, however, is that a magnet coil 23 is permanently assigned to the rotor, in such a way that the magnet coil is wound in a meandering manner around all poles of the rotor. The magnetic coil is accordingly fixed in groove-like pole gaps 22 formed between the individual poles. This arrangement, in which the poles are in the homogeneous field of the magnetizing coil, makes it possible to magnetize the permanent magnets only after inserting the rotor into the stator of an electrodynamic machine.

Claims

1.Method for magnetizing magnet systems, which consist of construction parts ( 16 ) for guiding a magnetic flux and from these construction parts, initially not magnetized permanent magnets ( 18 ) based on rare earth elements, in which the magnet system has a current-conducting coil ( 10 ) and a current is supplied to this coil for magnetizing the permanent magnets from a current source ( 13 ),
characterized in that
a coolable high-temperature superconductor ( 1 ) is used to build the coil
and that the coil is supplied with a continuously or in stages controllable direct current.

2. Arrangement for magnetizing magnet systems ( 15 ), in which non-magnetized permanent magnets ( 18 ) construction parts ( 16 ) are assigned to guide a magnetic flux, consisting of a magnet system associated with the current-conducting coil ( 10 ) and one assigned to the coil Current source ( 13 ) for magnetizing the permanent magnets,
characterized in that
the conductor of the coil is designed as a coolable high-temperature conductor ( 1 )
and that a controllable direct current source ( 13 ) is assigned to the high-temperature superconductor.

3. Arrangement according to claim 2, characterized in that
the construction parts ( 16 ) are elongated and have a U-shaped profile in cross section, the permanent magnets ( 18 ) being arranged on the ends of the two legs ( 17 ) of the U-shaped profile,
and that the coil ( 10 ) is assigned to two magnet systems ( 25 ) arranged next to one another in such a way that it in each case comprises one leg ( 17 ) of the two structural parts.

4. Arrangement according to claim 2 or 3, characterized in that the structural parts of the pole pieces of a rotor ( 20 ) of a dynamoelectric machine are formed ( Fig. 3).

5. Arrangement according to claim 2, characterized in that
the structural parts are formed by the magnetic core of a rotor ( 21 ) of a dynamoelectric machine, on the surface of which the permanent magnets ( 18 ) are glued in poles,
and that the coil ( 10 ) is arranged in groove-like pole gaps ( 22 ) which run in the rotor between the permanent magnet poles (S, N) ( Fig. 4).