DE10045094A1

DE10045094A1 - Permanent magnet excited synchronous machine for application in explosion risk areas such as drives in oil and gas industry, comprises part poles or whole poles magnetized by magnetizing units

Info

Publication number: DE10045094A1
Application number: DE2000145094
Authority: DE
Inventors: Georg Nerowski
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-09-12
Filing date: 2000-09-12
Publication date: 2002-03-28

Abstract

The synchronous machine is designed, so that the rotor (L), for the production of an excitation field, has a permanent magnetic (PM) structure for the production of an excitation field, distributed over the circumference of the rotor iron sheet stack (LB). So that the part poles or the whole poles (P1,P2,P3.....Px) are magnetised by means of the magnetising units. The permanent magnets (PM) of the rotor (L), have the smallest possible subdivision over the surface of the rotor sheet iron stack (LB).

Description

Die Erfindung betrifft den Einsatz von elektrischen Maschinen in explosionsgefährdeten Bereichen wie beispielsweise bei An trieben in der Öl-, Gas- und der petrochemischen Industrie oder auf offshore-Anlagen.The invention relates to the use of electrical machines in hazardous areas such as An operating in the oil, gas and petrochemical industries or on offshore plants.

Dabei sind für elektrische Maschinen unter anderem die Anfor derungen der einschlägigen Normen wie DIN EN 50014, IEC 60079-7, ENV 50269 oder VDE 0170/171 Teil 1/5.78 zu be achten. Danach werden folgende Zündschutzarten unterschieden:
For electrical machines, the requirements of the relevant standards such as DIN EN 50014, IEC 60079-7, ENV 50269 or VDE 0170/171 part 1 / 5.78 must be observed. The following types of protection are then distinguished:

- E Ex p
A pressurized enclosure ensures that no potentially explosive, explosive gas mixture gets into the interior of the machine, for example by permanently supplying an overpressure in the machine to the outside atmosphere via a compressed air connection ('p' stands for 'pressurized', formerly Ex f = Forced ventilation).
- E Ex e
Increased safety (this only applies to motors that cannot generate sparks during operation, such as machines with three-phase squirrel-cage rotors).
- E EX d
Flameproof encapsulation, ie a possible explosion must not leak out.

In diesen explosionsgefährdeten Bereichen werden herkömm licherweise Asynchronmaschinen mit Aluminium oder Kupferläu fer eingesetzt, die den jeweiligen speziellen Anforderungen an den Explosionsschutz genügen müssen. In these potentially explosive areas, Asynchronous machines with aluminum or copper lue fer used, the respective special requirements explosion protection.

Damit verbunden sind bei elektrischen Maschinen vor allem Maßnahmen hinsichtlich der Vermeidung einer Zündung durch Funken oder heiße Oberflächen zu treffen.Above all, associated with electrical machines Measures to avoid ignition by To hit sparks or hot surfaces.

Ein besonders Augenmerk gilt hier dem Läufer einer elektri schen Maschine. Die herkömmlich eingesetzten Asynchronmaschi nen besitzen dabei den gravierenden Nachteil, dass deren Läu fer die gesamte Schlupfenergie in Wärme umwandelt. Daraus re sultiert eine hohe Wärmeeinleitung aus dem Läuferblechpaket und auch die Lagererwärmung fällt unerwünscht hoch aus.Particular attention is paid to the runner of an electri machine. The conventionally used asynchronous machines nen have the serious disadvantage that their läu fer converts the entire hatching energy into heat. From it right results in high heat transfer from the rotor laminated core and the heating of the bearings is also undesirably high.

Dieser hohen Läufererwärmung wirkt man deshalb entgegen, in dem in der Regel ein Innenlüfter eingesetzt wird. Zur Eigen kühlung wird die Luft durch einen am Läufer angebrachten Lüf ter bewegt. Dabei besteht jedoch generell das Problem einer Funkenbildung bei rotierenden mechanischen Teilen, etwa für den Fall eines streifenden metallischen Lüfters.One counteracts this high rotor warming, in which usually uses an internal fan. Own The air is cooled by a fan attached to the rotor ter moves. However, there is generally the problem of one Spark formation in rotating mechanical parts, for example for the case of a grazing metallic fan.

In letzter Zeit sind auch vermehrt Gefahren bei Asynchronma schinen beim asynchronen Hochlauf durch Funken im Luftspalt aufgrund parasitärer Ströme im Blechpaket von Käfigläufern diskutiert worden.Lately there have been increasing dangers of asynchronousma appear during asynchronous startup due to sparks in the air gap due to parasitic currents in the laminated core of cage rotors been discussed.

Aus den genannten Gründen sind hohe Anforderungen an die kon struktive Auslegung der elektrischen Maschine hinsichtlich Erwärmung, Funkenbildung und der Isoliertechnik der Ständer wicklungen (Gefahr von Teilentladungen) einschließlich der Zuleitungen zu stellen.For the reasons mentioned, high demands are made on the con structural design of the electrical machine with regard to Heating, sparking and the insulation technology of the stand windings (risk of partial discharges) including the Supply lines.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine elekt rische Maschine so zu konzipieren, dass das Problem der Läu fererwärmung und mögliche Luftspaltfunken vermieden werden.The object of the present invention is therefore to provide an elect to design the machine so that the problem of läu heating and possible air gap sparks can be avoided.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dies durch die Verwen dung einer Synchronmaschine mit Permanenterregung im Läufer erreicht. According to the present invention, this is achieved by the use a synchronous machine with permanent excitation in the rotor reached.

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 wä ren. Der Läufer weist eine feste Polung durch Permanentmagne ten auf. Ein Drehfeld wird durch eine oder mehrere dreisträn gige Ständerwicklungen erzeugt. Aufgrund der festen Polung des Läufers dreht sich dieser synchron zum Drehfeld bzw. syn chron zur Frequenz der zugeführten Wechselspannung.This distinguishes a permanent magnet synchronous motor from that he's neither a collector, nor a brush set needed, which due to the associated sparking would not be usable in the hazardous area anyway ren. The runner has a fixed polarity by permanent magnet on. A rotating field is created by one or more three-strand Generated stator windings. Because of the fixed polarity the rotor rotates synchronously with the rotating field or syn chron to the frequency of the supplied AC voltage.

Verschiedenen Drehzahlen lassen sich durch eine Einspeisung von verschiedenen Frequenzen aus einem Umrichter erzielen (stufenlos drehzahlveränderbare Antriebe). Dabei können vor wiegend bei größeren Leistungen zwei dreiphasige Umrichter zwei dreisträngige Wicklungssysteme einer Maschine speisen. Auch eine Einzelstrangspeisung mit beliebig vielen Phasen ist möglich.Different speeds can be controlled by an infeed of different frequencies from one converter (infinitely variable speed drives). You can do this weighing two three-phase inverters for larger outputs feed two three-strand winding systems of one machine. A single-strand feed with any number of phases is also possible possible.

Die Läuferverluste einer permanenterregten Synchronmaschine sind gegenüber denen von Asynchronmaschinen vernachlässigbar klein und führen nicht zu den eingangs dargestellten uner wünschten Erwärmungen im Läufer. Dies liegt unter anderem daran, dass der Läufer einer Synchronmaschine, im Gegensatz zur Asynchronmaschine, synchron mit dem Feld umläuft und Ver luste nur durch Oberfelder entstehen.The rotor losses of a permanently excited synchronous machine are negligible compared to those of asynchronous machines small and do not lead to the above wanted warming in the runner. This is one of the reasons in mind that the runner of a synchronous machine, in contrast to the asynchronous machine, rotates synchronously with the field and ver only arises through Oberfeld.

Solche permanenterregte Synchronmaschinen werden bekannterma ßen als Werkzeugmaschinenantriebe im Leistungsbereich bis ca. 250 kW eingesetzt. Vereinzelt werden diese auch als Aufzugs antriebe 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 Wind kraftanlagen bekannt. Vor allem jedoch ist bisher noch kein Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen bekannt. Such permanently excited synchronous machines are known as machine tool drives in the power range up to approx. 250 kW used. These are also occasionally used as elevators drives up to an output of approx. 500 kW are offered. in the Power range above, especially above 1 MW is the Use of such permanently excited synchronous machines only as slow-running ship propulsion or as generators in the wind power plants known. Above all, however, is not yet Known for use in hazardous areas.

Bei der Realisierung solcher permanenterregter Synchronma schinen für diesen hohen Leistungsbereich steigen die Dimen sionen der Maschine an und bringen unter anderem Probleme bei der Realisierung der Permanentmagneten auf dem Läuferblechpa ket mit sich. Bekannte Techniken bestehen in einem Bekleben der Läuferblechpaket-Oberfläche mit magnetisierten Magnetstü cken. Dies ist jedoch im Hinblick auf die größeren Ausmaße des Läufers bei einer Maschine für Leistungen oberhalb 2 MW sehr aufwendig und unwirtschaftlich.When realizing such a permanent-magnet synchronous system The dimensions for this high performance range increase sions of the machine and cause problems, among other things the implementation of permanent magnets on the rotor plate pa ket with yourself. Known techniques consist of pasting the rotor laminated core surface with magnetized magnet CKEN. However, this is in view of the larger dimensions of the runner on a machine for outputs above 2 MW very complex and uneconomical.

Nach der vorliegenden Erfindung wird daher eine permanentmag neterregte Synchronmaschine zum Einsatz in explosionsgefähr deten Bereichen vorgeschlagen, bei der der Läufer zur Erzeu gung eines Erregerfeldes über den Umfang des Läuferblechpake tes verteilt eine permanentmagnetische Oberflächenstruktur aufweist und wobei erfindungsgemäß Teilpole oder ganze Pole mittels Magnetisierungseinrichtungen aufmagnetisiert sind.According to the present invention is therefore a permanent mag Low-excitation synchronous machine for use in potentially explosive atmospheres proposed areas where the runner generation of an excitation field over the circumference of the rotor laminated core tes distributes a permanent magnetic surface structure has and according to the invention partial poles or whole poles are magnetized by means of magnetizing devices.

Bei kleinen Läufern werden die Magnete in einer Magnetisie rungsvorrichtung mit Hilfe einer zylindrischen Magnetisie rungsspule und entsprechend hohen Pulsströmen entweder kom plett in einem Arbeitsgang, in Teilscheiben oder polpaarweise magnetisiert.With small runners, the magnets are in a magnetisie device using a cylindrical magnet tion coil and correspondingly high pulse currents either com Single in one operation, in partial disks or in pairs magnetized.

Bei größeren Läufern für Synchronmaschinen größerer Leistung werden erfindungsgemäß mechanische Teilpole außerhalb des Ro torkörpers mit Hilfe einer entsprechend geformten Magnetisie rungsspule aufmagnetisiert. Um dabei auftretenden Problemen bei der Montage der Teilpole aufgrund von deren magnetischen Kräften zu allen magnetisch leitfähigen Materialien vorzubeu gen, können mechanische Teilpole auf dem Läuferblechpaket bzw. Rotorkörper ebenfalls mit Hilfe einer entsprechend ge formten Magnetisierungsspule aufmagnetisiert werden. Dazu wird ausreichend Platz in axialer Richtung, etwa zwischen zwei Teilpolen, geschaffen, um die Magnetisierungsspule un terzubringen. 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.For larger runners for synchronous machines with higher performance mechanical sub-poles according to the invention are outside the Ro gate body with the help of an appropriately shaped magnetisie magnetized. To problems that arise when mounting the partial poles due to their magnetic Prevent forces to all magnetically conductive materials mechanical partial poles on the rotor laminated core or rotor body also with the help of a corresponding ge shaped magnetization coil to be magnetized. To there will be enough space in the axial direction, for example between two partial poles, created to un the magnetizing coil terzubringen. Whole poles or pairs of poles can also be on the Rotor body can be magnetized by the magnetizing coil is placed in each of the pole gaps and a very high-energy magnetization device is used.

Vorteile und Details dieser Erfindung ergeben sich anhand des im folgenden geschilderten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Figur. Es zeigt:Advantages and details of this invention emerge from the in the following described embodiment in connection with the figure. It shows:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen permanenterregte Synchronmaschine. Fig. 1 shows a longitudinal section through a permanent magnet synchronous machine.

In der Darstellung nach Fig. 1 ist eine Prinzipskizze in Form eines Längsschnitts durch eine solche permanenterregte Syn chronmaschine gezeigt.In the illustration of FIG. 1 is a schematic diagram in the form shown is a longitudinal section through such a permanent-magnet chronmaschine Syn.

Gezeigt ist das Ständerblechpaket S, welches die Ständerwick lung trägt. Das Ständerblechpaket besteht beispielsweise aus Dynamoblechen, die Wicklung im Ständer ist im allgemeinen ei ne gesehnte und in offene Nuten eingelegte Zweischichtwick lung. Hierbei können die üblichen im E Ex-Einsatzbereich be kannten Maßnahmen getroffen werden, z. B. bezüglich Glimmen der Ständerwicklung.The stator core package S is shown, which the stator winding lung carries. The stator core package consists of, for example Dynamo sheets, the winding in the stator is generally egg ne longed-for two-layer wick inserted in open grooves development. Here, the usual in the E Ex application area can be known measures are taken, e.g. B. regarding glow the stator winding.

Weiter ist der Läufer L gezeigt, der in der Ständerbohrung auf der Achse A liegt. Das Läuferblechpaket LB weist auf sei ner 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.Also shown is the rotor L in the stator bore lies on axis A. The rotor laminated core package LB has be ner the outer surface facing the stator, i.e. in the air gap SP between rotor L and stator S. Permanent magnets PM on preferably in the manner described above Magnetization on the comparatively large surface of the runner core assembly LB are applied.

Es hat sich weiter als eine günstige Anordnung der Permanent magnete 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. It has turned out to be a convenient permanent arrangement magnets proved when the permanent magnet PM of the rotor the smallest possible division over the surface of the Have rotor laminated core. This is exemplified by a large number of partial poles or poles P1, P2, P3 to Px indicated.

Dadurch werden die Permanentmagnete mit vergleichsweise nied rigen Verlusten beaufschlagt, was sich positiv auf eine mög lichst geringe Erwärmung des Läufers auswirkt.As a result, the permanent magnets are comparatively low losses, which has a positive effect on one minimal warming of the rotor affects.

Aufgrund der so im Vergleich zu Asynchronmaschinen erzielten wesentlich geringeren Wärmeeinleitung aus dem Läuferblechpa ket LB resultiert der weitere Vorteil, dass auch die Lagerer wärmung und damit verbunden die Lagerbelastung niedriger aus fällt.Because of the so achieved in comparison to asynchronous machines significantly lower heat input from the rotor plate pa ket LB results in the further advantage that the bearings warming and the associated bearing load are lower falls.

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 ei ner Funkenbildung durch streifende Lüfter.In addition, the number of rotating parts inside the Machine as low as possible. Most of all no internal fan on axis A of rotor L necessary. This on the one hand reduces the weight and construction volume Asynchronous machines. On the other hand, this reduces the risk sparks from grazing fans.

Weiter vorteilhaft ist, dass eine solche Synchronmaschine, anders als eine Asynchronmaschine bauartbedingt eine Wasser mantelkühlung ermöglicht, wodurch das Bauvolumen weiter redu ziert werden kann. Dies erleichtert vor allem den Einsatz auf offshore-Anlagen. Daneben ist auch eine oder eine Luftkühlung der Ständerwicklung möglich.It is also advantageous that such a synchronous machine, unlike an asynchronous machine, due to its design a water jacket cooling enables, which further reduces the construction volume can be decorated. Above all, this facilitates use offshore installations. There is also an air cooling system the stator winding possible.

Ein weiterer Vorteil gegenüber herkömmlich eingesetzten Asyn chronmaschinen besteht in dem höheren Wirkungsgrad von perma nenterregten Synchronmaschinen. Das gilt insbesondere für die geforderten hohen Leistungen von 1 MW bei 1500 U/min oder hö her. Eine solche Maschine wird vorzugsweise an einem Umrich ter betrieben.Another advantage over conventionally used Asyn chron machines is the higher efficiency of perma nerve-excited synchronous machines. This is especially true for the required high outputs of 1 MW at 1500 rpm or higher ago. Such a machine is preferably on a converter ter operated.

In der Vergangenheit ist eine Realisierung von solchen Syn chronmaschinen bereits häufig an dem besonders problemati schen Zusammenbau von Läufer und Ständer gescheitert. Zur Montage der gegenüber herkömmlichen permanentmagneterregten Synchronmaschinen großen Läufer und aufgrund der dabei zu be herrschenden großen magnetischen Kräfte, wird erfindungsgemäß das Ständerblechpaket mit Gehäuse ausgerichtet und in einer Haltevorrichtung fixiert. Die Haltevorrichtung kann festste hen oder auf einem Vorschubschlitten befestigt sein. Steht das Ständerblechpaket mit Gehäuse fest, so wird es so ange ordnet, dass eine ausfahrbare mechanisch äußerst stabile Spindel von einer Seite zentrisch in die Bohrung des Ständer blechpaketes 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.In the past, such syn chron machines are already frequently involved in the particularly problematic assembly of runner and stand failed. to Assembly of the conventional permanent magnet excited Synchronous machines big runners and because of the be prevailing large magnetic forces, according to the invention the stator core with housing aligned and in one Holding device fixed. The holding device can be the firmest hen or be attached to a feed carriage. Stands the stator core with the housing, so it is attached arranges that an extendable mechanically extremely stable Center spindle from one side into the hole of the stand sheet stack is retracted. The one in several steps Magnetized rotor (pole-wise or partially pole-wise) then becomes between the tips of the spindle just mentioned and one Another second spindle that is aligned with the first spindle is arranged, used.

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 zwi schen beiden Spitzen fixiert werden. Jetzt fahren beide Spin deln synchron den dazwischen fixierten Läufer in das Ständer blechpaket ein.Because the second spindle in a bed with massive Reinforcements and direct connection to the first spindle in Is movably mounted in the longitudinal direction, the runner can between between the two tips. Now both spin synchronously fix the runner fixed in between into the stand sheet package.

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.This leads to a large development of traction in the direction of the Laminated core. To damage the stator core can prevent by touching the runner in the Bore foils (e.g. made of Teflon) can be fixed.

Sind Ständerblechpaket und Gehäuse auf einem Vorschubschlit ten angebracht, so bewegt sich dieser anstelle der ersten Spindel synchron zur zweiten Spindel in Längsrichtung.Are stator core and housing on a feed slide attached, it moves instead of the first Spindle synchronous to the second spindle in the longitudinal direction.

Claims

1. Permanent magnet excited synchronous machine for use in hazardous areas, with the rotor (L) to the Er Generation of an excitation field over the circumference of the rotor plate packages (LB) distributes a permanent magnetic (PM) surface Chen structure, with partial poles or whole poles (P1, P2, P3. , , Px) by means of magnetizing devices are tized.

2. Permanent magnet synchronous machine for use in hazardous areas according to claim 1, wherein the Permanent magnets (PM) of the rotor (L) as small as possible Subdivision over the surface of the rotor laminated core (LB) exhibit.

3. Permanent magnet synchronous machine for use in hazardous areas according to claim 1 or 2, wherein the synchronous machine via water jacket cooling or Air cooling of the stator winding.

4. Permanent magnet excited synchronous machine for use in potentially explosive areas according to one of claims 1 to 3, the number of rotating parts inside the Machine is kept as low as possible, especially little or no internal ventilation is provided.

5. Use of a synchronous machine with permanent excitation in the Runner, in particular according to one of the preceding claims, for an explosive environment, especially for com pressors and applications in petrochemicals and on off shore installations.

6. Use of a synchronous machine with permanent excitation in the Runner according to claim 5, wherein the synchronous machine on one Converter is operated.