CN1372715A - 防消磁的、永磁体励磁的船用驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大功率、例如功率超过500kW、有高利用率和长使用寿命、尤其用于海船的电驱动系统,此驱动系统有一永磁体励磁的、与至少一个旋转能负载尤其是与船用螺旋桨配合工作的电动机,至少一个用于电动机供电的整流器,以及一个该系统的控制、调整和监测装置,其中,该电动机设计成能长期可靠地工作,并且尤其设计成防止全部或部分消磁,这通过对电动机和整流器采取补充的结构方面和运行技术方面的措施,例如电路和调节技术方面的措施来实现。

Description

防消磁的、永磁体励磁 的船用驱动装置
本发明涉及一种大功率(例如功率超过500kW)、有高利用率和长使用寿命、尤其用于海船的电驱动系统，此驱动系统具有一个以永磁体励磁的、与至少一个旋转能负载(尤其是船用螺旋桨)配合工作的电动机，至少一个用于电动机供电的整流器，以及一个该系统的控制、调整和监测装置。
永磁体励磁电动机长期以来已公知各种不同的结构形式。例如在Siemens-Zeitschrift 49，1975，第6期第368至374页的论文中介绍了永磁体励磁的电动机各种不同的结构形式。当时可达到的功率至500kW。长时期内这曾是永磁体励磁电动机的功率极限，直至近年来才发展更大型的、例如达30MW(兆瓦)的电动机。对于这种意味着巨大投资的电动机要求在高利用率的同时有长的使用寿命，以便使投资成本合理。船的使用寿命通常为25至30年，因此要求它们的驱动装置有相同的使用寿命。迄今对于大型的永磁体励磁电动机不能保证这样的使用寿命。本发明要解决的技术问题是提供一种系统，采用这种系统能保证大型永磁体励磁电动机达到如此长的使用寿命。
上述技术问题是这样解决的：将电动机设计成能长期可靠工作，并尤其设计成防止全部或部分消磁，这通过对电动机和整流器采取补充的结构方面和运行技术方面的措施，例如电路和调节技术方面的措施来实现。对于按结构性调整设计为长寿命的电动机而言，永磁体的使用寿命是重要的判据。因此，对于船或其他大型电动设备(船也可看作工业设备)中，以永磁体励磁工作的驱动系统就其使用寿命而言决定性地取决于磁性部件的使用寿命。例如可能由于过热或过大的内部磁场而发生消磁。此外，磁体也可能产生腐蚀，所以老化也会导致消磁。还有可能磁体在电动机转子上产生漂移或类似情况，例如在故障状况出现高周向加速度时。本发明的驱动系统按迄今为止新的方式考虑上面所描述的降低使用寿命的因素。
对永磁体励磁电动机消磁的研究还可在Ville Nahkuri的毕业论文“LargePower Permanent Magnet Propulsion Motors”(1998年2月24日，HelsinkiUniuersity of Technology，Fakultry Electric and Communications Engineering)中看到。此毕业论文指出，电动机内部的温度处于临界值以下，而磁场在电系统功能失误时可能对永磁体构成危险。此毕业论文没有针对这个在顾及系统其余部件的情况下可能出现的问题给出解决办法。
本发明的设计规定，驱动系统具有由一种抗磁性老化的磁合金，例如经烧结和热处理的钕-铁-硼为基的磁合金制成的永磁体，它们尤其以形状相锁合方式固定在电动机的转子上。相应的磁合金一些时间以来已由小型的、例如用于伺服驱动的电驱动装置公知。对它们的持久性能在实际工作中和在理论上已作了充分研究。根据这些研究得出了一个使用寿命，在按规定使用时它明显超过所要求的25至30年时间。前提条件是磁体位置恒定。它们不允许漂移。
作为本发明的另一种改进设计规定，电动机设计成不采用循环冷却的冷却剂进行冷却，尤其在用作电动机短舱(Motorgondel)的可转导管螺旋桨电动机(Ruderpropellermotor)时其具有外壁冷却装置。采用这种优选设计，就过热而言达到最大可能的保险。当不存在冷却剂循环系统时，也就不可能发生故障。对壁冷却在任何情况下均能令人满意地工作，尤其用于船的短舱驱动装置。当船航行时，通过驱动装置的运动用水保证冷却。冷却效果随航行速度，亦即随驱动所消耗的能量而提高。在这种情况下自动实现与其功率相当的冷却。
作为本发明的又一种改进设计规定，驱动系统的磁路这样来布置：在设计点使短路电流自动限制在非临界值。例如起因于端子短路的短路电流，在典型的使用情况下为额定电流的1.7倍。这一值是非临界的，因为例如本发明的磁系统可忍受2.2倍电流，不致使由过电流产生的磁场损害此永磁体。在整流器内限制电流(如限制在可参数化设计电流的110％至120％)的共同作用下，可以做到可靠地将流经电动机的电流在所有的位置均限制在非临界值。为此规定，整流器对其各支路具有一个可参数化的最大电流限制，例如限制在能可靠地防止由于过电流引起消磁的值。通过将整流器的各支路以及不仅这些(如部件)加入监测装置内，则即使遇到一些发生概率很低的情况也能做到将电动机内流动的电流在所有的位置均限制在非临界值。
在这种情况下特别有利的是采用基于一种物理效应非常迅速(例如小于1毫秒)断开的电流限制器，例如高温超导(HTSL)电流限制器。HTSL电流限制器约在77°K下工作，亦即通过液氮冷却。当超过临界电流密度时直接形成比较大的有限电阻，亦即进行一次断开。在这之后不久必须二次断开，例如通过功率开关。
相应的电流限制器已提供给公众，例如由本申请人提供的在1MVA(兆伏安)量级范围内的。陶瓷片式导体的YBCO层起开关元件的作用。
这种限制可按特定形式在根据整流器的设计采用的不同的大功率半导体(例如GTO、IGBT或可控硅)中实现。相应的大功率半导体优选为逐个监测，以便立即检测到穿通的半导体并将其更换。此外所使用的大功率半导体未完全被穿通还不会损坏磁系统。
此外，为了监测驱动系统还进一步规定，此系统在整流器与电动机之间以及在整流器与变压器之间不仅整体上有测量装置，而且对各功率支路也有测量装置。因此可快速识别整流器内的故障并加以排除。为了识别采用相应公知的测量装置。
有特别重要意义的是根据电动机转速限制电流。从而考虑了内部磁场取决于电动机转速这一事实。
作为进一步的安全措施，此系统有船用等效的接地显示和接地保护装置、线路中断监测装置、相位对称监测装置以及其他一些尤其用于过电流和过热的监测和保护电路部件。因此整个系统内所有能想到的可能导致电动机过热的故障均已被考虑。
作为本发明进一步改进设计还规定，按本发明的系统在带有两个分别为绕组供电的整流器的电动机内具有复式绕组系统，也就是说它借助两个各有一整流器的驱动电动机工作，在这种情况下各个整流器的三相联接到一个三相电流系统。因此总体上形成较小的、能分别逐个监测和断开的单元。由此还保证在驱动电机中不产生有害的过电流。
它还设有一个尤其适用于船运行系统和整流器及其部件的远距诊断装置。这样一种例如借助卫星通信系统工作的船用远距诊断装置，允许制造厂的专家通知随船工程师，他应更换哪些部件或哪些部件可能即将失效。由此也进一步提高防消磁的可靠性和运行安全性。
为保证永磁体的使用寿命，规定这些永磁体由抗磁性老化和特别耐腐蚀的磁合金制成，例如由经烧结和热处理的钕-钴-铜-铁-硼为基的磁合金(如Vac-Qualitat Vacodynm 677HR)制成。此外还规定，永磁体被涂复耐久的涂层或漆，并具有光滑的表面。它们具有例如长方六面体形状。因此不仅得到耐腐蚀的母材，而且形成防腐蚀的总体设计。在所要求的使用寿命期间在电动机内存在的条件下不会发生永磁体的材料损失及由此带来的磁力损失。
磁体块优选在其底面通过胶粘剂固定，尤其通过形式上为单组分胶粘剂的全交联硅树脂胶粘剂固定。磁体块在其底面的固定对于装配是必需的。在这里，通过采用形式上为单组分胶粘剂的全交联硅树脂胶粘剂，有利地防止在磁体-极靴的过渡处可能形成腐蚀穴。
为了监测电动机，规定定子绕组有温度传感器，尤其是带测量值处理装置和/或报警功能释放装置的温度传感器。在这里还优选规定，温度传感器连接在系统的调整部分上，以便可靠地防止绕组和磁体过热。因此提供了一种辅助监测可能性，这种可能性尤其允许对有关电动机过热的有害倾向采取防御措施。
各磁体块的吸力很大。在电动机的优选设计中规定，电动机的直径尺寸和运行的最高转速这样确定：即使在最高转速的情况下在长方磁块与其支承面之间仍保持有剩余磁力(自动磁稳定)。虽然磁体块通过箍带以与极靴的几何结构形成形状锁合和作用力锁合方式在其底面固定连接，这种以形状和作用力锁合方式的固定还受到一个自发的持久磁力的支持。在不影响使用寿命以及在例如出故障时出现过激的力的情况下，长方磁体均能可靠地定位。该箍带既可用纤维增强塑料也可用非磁性材料(A-magnetisch Material)制成。然而纤维增强塑料允许箍带设计得特别薄，所以电动机可设计成有特别小的气隙。
定子绕组的绕组端部优选设计为浇注的，并通过导热的固体桥与外壁连接。因此得到一种防止出故障的结构，这种结构在可靠性方面远优于借助循环冷却剂的强迫循环冷却装置。
按相同的思路同样将电动机设计成带有一个无孔的封闭式外壳。因此保证，如可在修理等情况下，不会有任何异物从外面侵入或被带入电动机内。总体上提供了一种封闭形式和有最长使用寿命的免维护的电动机设计。因而有利地取消了在船与短舱之间所要求的杆，如对永磁体励磁、循环水冷却的短舱驱动装置所公知的杆。在每五年进行的船进坞之际不需要对电动机进行任何修理，只须检查和在必要时更换如密封件和轴承这样的磨损件。
最后还规定，为提高可靠性，在电动机内设置了磁场传感器，尤其是这些磁场传感器可周期地接通或由偶发事件控制来接通。此外设置一个计算单元，该计算单元连续地根据测量数据、例如电动机内的各种电流，根据电动机温度、输出功率和转速以及必要时其他一些特征影响参数来确定电动机的电和磁的状态，并在接近临界值时报警，优选地还采取针对性的控制措施。从而有利地获得一种持久的监测，尤其为了远距诊断，对驱动电动机在考虑到各影响参数的相互影响的条件下实施连续监测。
下面借助附图进一步说明本发明，由这些附图以及由从属权利要求可得知本发明另一些重要的细节。
图1、2、3和4  系统采用的各种电路；
图5  永磁体典型的磁通图；
图6  沿转子纵向的温度曲线；
图7  磁力变化曲线；
图8  钕-铁-硼磁体的磁力随时间的变化曲线。
附图结合权利要求的内容以及其中所包含的细节和说明对专业人员而言是不言自明的。
在图1至4中对变压器、整流器和电动机采用电子技术通用的符号。可以看出，图1所示有6个脉冲变频器的三相电动机具有最少数量的要监测的相位和大功率半导体(Halbleistungshalbleiter)。因此在这里最好选择逐个监测相位和大功率半导体。
在表示带有12个脉冲整流器的三相电动机电路图的图2中，整流器内的功率支路的数量加倍，在这里只要是涉及整流器的监测已被简化。在图3中也可减少电动机内的监测装置。在图4中表示的带有12个脉冲整流器的6相电动机电路，提供了可靠性最佳的实施方式。
图5中表示的理想化了的磁力线分布尤其以其对称性为特点。因此能避免磁通量特别集中。
图6表示定子温度沿电动机纵向的变化曲线。转子温度约低于定子温度10℃，所以可有利地取消对转子温度的独立监测。如图所示，气隙温度在电动机的励磁侧最高，因此最好在这里密集安装监测用的热电偶。
可以通过在电动机磁体侧密集的热电偶实现简单和可靠的电动机温度监测，其中热电偶优选与定子绕组固定连接。
最后，图7表示在空载运行、额定负载和短路状况的磁力。如图所示，磁力在任何情况下均处于特征曲线可逆部分之内，即使对于短路状况也是如此。因此在短路状况也能防止消磁。
最后，图8在对数图中表示在130℃时不同的系数B/μ0H情况下经详细研究确定的不可逆的极化损失。130℃明显高于由图6可得知的本发明电动机的最高温度，换句话说就过热温度而言存在防止消磁的安全度，此安全度如此之高，以致即使超过了所要求的25至30年磁体仍能有耐久性。
鉴于所使用的经多年试验在130℃的持续磁力下其持久耐温超过150°的变压器树脂(在这方面同样已有20多年的运行经验)、在永磁体区域内出现的最高温度为安全的90°以及可靠地避免电动机绕组内过电流的情况下，可以保证船用短舱电动机永磁体驱动装置所要求的使用寿命25至30年。带有直接外壁冷却、故障自动保护封闭式结构对此有显著的贡献。

Claims (33)

1.一种大功率、例如功率超过500kW、有高利用率和长使用寿命、尤其用于海船的电驱动系统，其中，此驱动系统具有一个以永磁体励磁的、与至少一个旋转能负载尤其是与船用螺旋桨配合工作的电动机，至少一个用于电动机供电的整流器，以及一个该系统的控制、调整和监测装置，其特征在于：该电动机设计成能长期可靠地工作，并且尤其设计成防止全部或部分消磁，这通过对电动机和整流器采取补充的结构方面和运行技术方面的措施，例如电路和调节技术方面的措施来实现。
2.按照权利要求1所述的驱动系统，其特征在于：它具有由一种抗磁性老化的磁合金，例如经烧结和热处理的钕-铁-硼为基的磁合金制成的永磁体，它们尤其以形状相锁合方式固定在电动机的转子上。
3.按照权利要求1或2所述的驱动系统，其特征在于：所述电动机设计成不采用循环冷却的冷却剂冷却，尤其在用作电动机短舱的可转导管螺旋桨电动机时具有短舱外壁冷却装置。
4.按照权利要求1、2或3所述的驱动系统，其特征在于：磁路这样来配置，在设计点短路电流自动限制在非临界值。
5.按照上述权利要求中任何一项或多项所述的驱动系统，其特征在于：在电动机的绕组内通过整流器完成可参数化的电流限制，例如限制为设计电流的110％至120％。
6.按照上述权利要求中任何一项或多项所述的驱动系统，其特征在于：整流器对其各支路有可参数化的最大电流限制，例如限制为能可靠地防止由于过电流引起消磁的值。
7.按照上述权利要求中任何一项或多项所述的驱动系统，其特征在于：它具有基于一种物理效应非常迅速断开、例如小于1毫秒就断开的电流限制器，尤其是HTSL电流限制器。
8.按照上述权利要求1至6中任何一项或多项所述的驱动系统，其特征在于：它具有在功能失误时快速自动断路的IGBT大功率半导体。
9.按照上述权利要求1至6中任何一项或多项所述的驱动系统，其特征在于：它具有功能监测的可控硅。
10.按照上述权利要求中任何一项或多项所述的驱动系统，其特征在于：它具有位于整流器与电机动之间用于各相电流的测量装置。
11.按照上述权利要求中任何一项或多项所述的驱动系统，其特征在于：它具有位于其整流变压器与整流器之间的相电流测量装置。
12.按照上述权利要求中任何一项或多项所述的驱动系统，其特征在于：它具有取决于电动机转速和必要时电动机扭矩的可参数化的电流极限。
13.按照上述权利要求中任何一项或多项所述的驱动系统，其特征在于：它具有一个位于其供电网与整流变压器之间还可在负载状态下转换的功率开关。
14.按照上述权利要求中任何一项或多项所述的驱动系统，其特征在于：它具有船用等效的接地显示和接地保护装置。
15.按照上述权利要求中任何一项或多项所述的驱动系统，其特征在于：它具有一个线路中断监测装置。
16.按照上述权利要求中任何一项或多项所述的驱动系统，其特征在于：它具有相位对称监测装置。
17.按照上述权利要求中任何一项或多项所述的驱动系统，其特征在于：它具有其他的、尤其是用于过电流和过热的监测和保护电路部件、调整装置和控制装置。
18.按照上述权利要求中任何一项或多项所述的驱动系统，其特征在于：它在带有两个分别为绕组供电的整流器的电动机内具有一个复式绕组系统，其中各个三相联接到一个三相电流系统。
19.按照上述权利要求中任何一项或多项所述的驱动系统，其特征在于：它具有尤其适用于船运行系统和整流器及其部件的远距诊断装置。
20.按照权利要求2所述的驱动系统，其特征在于：它具有由一种抗磁性老化和特别耐腐蚀磁合金，例如经烧结和热处理的钕-钴-铜-铁-硼为基的磁合金制成的永磁体。
21.按照上述权利要求中任何一项或多项所述的驱动系统，其特征在于：它以涂复有能耐久的涂层或漆的磁块为永磁体，尤其是涂复有能耐久的涂层或漆的长方形磁块。
22.按照权利要求21所述的驱动系统，其特征在于：长方磁块在其底面通过胶粘剂固定，尤其通过形式上为单组分胶粘剂的全交联硅树脂胶粘剂固定。
23.按照上述权利要求中任何一项或多项所述的驱动系统，其特征在于：定子绕组有温度传感器，尤其是带有测量值处理装置和/或报警功能触发装置的温度传感器。
24.按照权利要求23所述的驱动系统，其特征在于：温度传感器连接在系统的调整部分上，以防止绕组和/或励磁体过热。
25.按照上述权利要求中任何一项或多项所述的驱动系统，其特征在于：电动机的直径尺寸和最高转速这样确定，使得在最高转速的情况下，在长方磁块与其支承面之间仍保持有剩余磁力，即自动磁稳定。
26.按照权利要求3所述的驱动系统，其特征在于：电动机的定子及其绕组被收缩在其壳体内，且在其绕组端部区内有导热固定桥，尤其由充填的塑料，例如由充填的环氧树脂组成的导热固体桥，其中绕组端部浇注绝缘树脂。
27.按照上述权利要求中任何一项或多项所述的驱动系统，其特征在于：励磁体优选设计成长方六面体形状，装在具有多边形表面的极靴上，并从外部通过箍带固定在多边形表面上。
28.按照权利要求7所述的驱动系统，其特征在于：箍带由纤维增强的塑料制成，尤其由一种用玻璃纤维、碳纤维或凯芙拉(Keflar)增强的塑料制成，在这种情况下箍带优选具有未预浸渍的带状纤维。
29.按照权利要求28所述的驱动系统，其特征在于：塑料是一种F类(Klasse F)绝缘塑料，尤其是一种充填的变压器树脂。
30.按照权利要求1至27中任何一项或多项所述的驱动系统，其特征在于：该励磁体有一条由非磁性材料，例如由不锈钢带制成的箍带。
31.按照上述权利要求中任何一项或多项所述的驱动系统，其特征在于：电动机有一个无孔的封闭式外壳。
32.按照上述权利要求中任何一项或多项所述的驱动系统，其特征在于：它在电动机内具有磁场传感器，尤其是周期性地或可事件控制地接通的磁场传感器。
33.按照上述权利要求中任何一项或多项所述的驱动系统，其特征在于：它具有一个计算单元，该计算单元在考虑到各种参数，例如电动机内的各种电流、绕组温度、输出功率和转速以及必要时其他一些影响参数的情况下，连续地计算确定电动机的电和磁的状态，并在接近临界值时报警，还优选采取针对性的控制措施。
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