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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem ersten Aktivteil, das mit Permanentmagneten bestückt ist, und einem zweiten Aktivteil, das zum Antrieb des ersten Aktivteils mit diesem magnetisch gekoppelt ist.
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Bei elektrischen Maschinen, insbesondere bei Motoren und Generatoren besteht grundsätzlich die Gefahr, dass es zu Überschlägen bzw. Funkenbildung kommen kann. Diese Überschläge können durch zu hohen Spannungen oder aber auch durch zu geringer Isolation bzw. beschädigter Isolation sowie durch Verschmutzungen entstehen. Die Funken können beispielsweise durch Schleifen des Läufers am Ständer (Anschleifen) entstehen, wenn das Lagerspiel zu groß ist.
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Wenn elektrische Maschinen in explosionsgefährdeter Atmosphäre betrieben werden, müssen Sie eine angepasste Zündschutzart aufweisen, damit sie in Betrieb oder in Störung diese Atmosphäre nicht zum Zünden bringen. Dazu gibt es mehrere genormte Zündschutzarten bzw. Klassen. So gibt es beispielsweise für Schaltgeräte, Steuerungen, Motoren, Befehls- und Meldegeräte sowie Leistungselektronik die Schutzklasse „Ex d”. In dieser Schutzklasse ist eine druckfeste Kapselung vorgesehen und es ist damit gewährleistet, dass eine Explosion nicht nach außen übertragen werden kann. Eine derartige Maschine bzw. ein derartiges Gerät kann beispielsweise in einer Atmosphäre betrieben werden, die zumindest teilweise mit Knallgas angereichert ist. Diese Schutzart „Ex d” ist in der europäischen Norm EN 60079-1 bzw. der internationalen Norm IEC 60079-1 exakt definiert.
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Die Zündschutzart Ex d mit druckfester Kapselung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass alle Teile, die brennbare Gemische zünden können, in ein zünddurchschlagsicheres Gehäuse eingeschlossen sind. Eine Explosion im Inneren des Gehäuses schlägt nicht nach außen durch. An den Außenteilen der druckfesten Kapselung werden bestimmte Oberflächentemperaturen nicht überschritten. Dies wird u. a. dadurch gewährleistet, dass die Kapselung nur definierte Zündspalte aufweisen darf. In 1 ist eine derartige Kapselung 1 dargestellt. Sie besitzt einen Zündspalt 2, der durch eine bestimmte Breite w und eine bestimmt Länge L definiert ist. Diese spezielle Dimensionierung gewährleistet, dass im Falle einer Explosion 3 im Inneren der Kapselung kein Funke nach außen treten kann, da in dem Zündspalt eine geeignete Abkühlung des Gases erfolgt.
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Weiterhin ist eine Schutzklasse „Ex o” definiert. Sie gilt für Transformatoren, Relais, Anlaufsteuerungen und Schaltgeräte. Durch eine Ölkapselung wird die explosive Atmosphäre von der Zündquelle ferngehalten. Die entsprechenden europäischen bzw. internationalen Normen lauten: EN 60079-6 und IEC 60079-6.
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Des Weiteren sind speziell die Zündschutzarten Ex e, Ex l, Ex p, Ex m, Ex q und Ex n definiert. Sie ergeben sich aus den jeweiligen Normen.
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Bislang gibt es Elektromotoren nur in den Zündschutzarten Ex d, Ex e, Ex p und Ex n. Während Ex e und Ex n nicht sehr hochwertig sind und eine reduzierte Ausnutzung der Maschine erfordern, lassen sich Hochleistungsantriebe nur in Ex d oder Ex p ausführen. Ex p braucht eine aufwendige Spülvorrichtung mit Inertgas, die während des Betriebs überwacht werden muss. Ex d erfordert eine Sonderkonstruktion mit massivem Gehäuse und einer detaillierten Auslegung und Sicherstellung der Zündspalte. Zusätzlich bedingt dieses Prinzip eine massive Konstruktion, was zu sehr schweren Motoren führt. Dies führt insbesondere zu Nachteilen bei Plattform- und Schiffsanwendungen.
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Größere Motoren, insbesondere mit Gleitlager besitzen einen verhältnismäßig großen Lagerspalt. Daher ist die Gewährleistung eines Zündspalts gemäß der Zündschutzart Ex d am Wellendurchtritt bei größeren Maschinen nahezu unmöglich.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, auch bei größeren Maschinen eine hohe Zündschutzklasse zu erreichen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine elektrische Maschine mit einem ersten Aktivteil, das mit Permanentmagneten bestückt ist, und einem zweiten Aktivteil, das zum Antrieb des ersten Aktivteils mit diesem magnetisch gekoppelt ist, wobei das zweite Aktivteil in einer Kapselung öldicht eingekapselt ist, die Kapselung mit einem Öl gefüllt ist und das erste Aktivteil sich außerhalb der Kapselung befindet.
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In vorteilhafter Weise ist eines der beiden Aktivteile der elektrischen Maschine rein durch Permanentmagnete erregt, sodass es nicht ohne Weiteres zu elektrischen Überschlägen an diesem Aktivteil kommen kann. Das zweite Aktivteil, das elektrisch erregt ist, ist von einer Ölkapselung umgeben. Damit wird für das überschlagsgefährdete Aktivteil die Möglichkeit eröffnet, dieses in der Zündschutzart Ex o zu realisieren. Insgesamt kann so eine elektrische Maschine bereitgestellt werden, bei der ein hoher Zündschutz mit einfachen Mitteln erreicht wird.
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Vorzugsweise ist das erste Aktivteil ein Läufer und das zweite Aktivteil ein Ständer. Wenn der Läufer die Permanentmagnete trägt, reicht es für einen hohen Zündschutz, lediglich den elektrisch erregten Ständer zu kapseln. Damit ist es nicht notwendig, am Welleneintritt einen Zündspalt beispielsweise gemäß der Schutzart Ex d vorzusehen.
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Das erste Aktivteil kann aber auch ein Sekundärteil und das zweite Aktivteil ein Primärteil eines Linearmotors sein. Auch hier reicht es, das elektrisch erregte Primärteil zu kapseln und das Sekundärteil, das mit Permanentmagneten bestückt ist, ohne Kapselung vorzusehen.
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Besonders günstig ist es, wenn die elektrische Maschine so ausgebildet ist, dass sie die europäische Norm EN 60079-6 erfüllt. Dies kann durch die Kapselung nur des betroffenen Aktivteils gemäß der vorliegenden Erfindung leichter erreicht werden.
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Das Öl in der Kapselung kann ein Trafo-Öl sein. Dieses Trafo-Öl zeichnet sich durch eine ausgesprochen gute Kühlwirkung aus.
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In einer Ausführungsform der elektrischen Maschine steht die Kapselung in Fluidverbindung mit einer Kühleinrichtung. Dadurch erfolgt eine Umwälzung des Öls von der Kapselung in die Kühleinrichtung, sodass das Öl sehr wirksam abgekühlt werden kann.
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Speziell kann die elektrische Maschine ein Gehäuse aufweisen, wobei die Kühleinrichtung außerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Dadurch kann eine kompakte elektrische Maschine unabhängig von einer Kühleinrichtung platziert werden, was insbesondere bei kleinen Einbauräumen von Vorteil ist.
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Die Kapselung kann aber auch von einer Wasserkühleinrichtung umgeben sein. Damit wird die Verlustwärme des gekapselten Aktivteils durch das Öl lediglich mithilfe von Wärmeleitung zu der Wasserkühleinrichtung abgeführt, die dann die Wärme mittels Kühlwasser weitertransportiert. Dies hat Vorteile in Umgebungen, bei denen eine Wasserkühlung leichter realisierbar ist, z. B. an Flüssen oder im Meer.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Kapselung zumindest teilweise aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt. Dadurch werden Wirbelströme in der Kapselung vermieden, die sich bei elektrisch leitenden Kapselungen (z. B. aus Stahl) einstellen. Trotzdem gewährleistet der Faserverbundstoff in der Regel eine sehr hohe Festigkeit.
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Insbesondere kann die Kapselung ein Rohr aus dem Faserverbundwerkstoff aufweisen, die am Innenmantel des Ständers der elektrischen Maschine anliegt. Dadurch lässt sich auf zuverlässige Weise eine Trennung zwischen Ständerraum und Läuferraum für die Kapselung realisieren.
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Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
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1 eine Kapselung mit einem Zündspalt gemäß dem Stand der Technik und
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2 eine elektrische Maschine mit ölgekapseltem Ständer gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
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In 2 ist ein Elektromotor bzw. ein Generator im Schnitt dargestellt. Er besitzt einen zylinderförmigen Läufer 4, der auf einer Welle 5 drehbar in einem Gehäuse 6 gelagert ist. Der Läufer ist permanentmagneterregt und besitzt daher an seinem Außenmantel entsprechende Permanentmagnete 7. Der Läufer 4 besitzt hier außerdem axial verlaufende Kühlbohrungen 8, durch die Kühlluft strömt, die von einem inneren Ventilator 9 angetrieben wird.
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Der zylindrische Läufer 4 ist von einem hohlzylindrischen Stator 10 umgeben, der an seinen Stirnseiten Wickelköpfe 11 besitzt. An den rechten Wickelköpfen 11 in 2 sind auch Schaltungen 12 der Wicklungsanschlüsse angedeutet.
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Der Stator 10 ist gegenüber seiner Umgebung gekapselt. Die Kapselung wird an der Innenseite des Stators 10 durch ein Rohr 13 gebildet, die vorzugsweise aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt ist. Damit ist das Rohr 13 einerseits sehr stabil und leicht und andererseits ist dieser Werkstoff nicht elektrisch leitend, sodass Wirbelströme in dem Rohr 13 vermieden werden können.
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Außen ist der Ständer von einem ebenfalls zylinderförmigen Gehäuseteil 14 umgeben, das sich axial wie das Rohr 13 über die Wickelköpfe 11 hinaus erstreckt. Das Rohr 13, der Ständer 10 und der Gehäuseabschnitt 14 sind also zur Bildung der Statorkapselung konzentrisch miteinander angeordnet, wobei der Ständer 10 in der Mitte liegt. Stirnseitig ist die Kapselung gebildet durch ringförmige Gehäuseabschnitte 15 und 16. Die Komponenten 13, 14, 15 und 16 bilden die geschlossene Kapselung, in der sich der Ständer 10 befindet. Der verbleibende Raum in der Kapselung, der von dem Ständer 10 nicht ausgefüllt ist, insbesondere im Bereich der Wickelköpfe 11, ist mit einem Öl 17 gefüllt. Dabei handelt es sich vorzugsweise um ein Trafo-Öl. Das Öl dient zur Wärmeabfuhr von dem Ständer 10 und insbesondere auch von den Wickelköpfen 11. Dabei kann die Kapselung einen fest abgeschlossenen Raum bilden, sodass Verlustwärme von dem Ständer 10 lediglich durch Wärmeleitung nach außen beispielsweise an den Gehäuseabschnitt 14 geleitet werden kann. Alternativ kann die Kapselung jedoch auch mit einer Kühleinrichtung in Fluidverbindung stehen, d. h. das Öl 17 wird über entsprechende Leitungen zu einer in 2 nicht dargestellten Kühleinrichtung geleitet und dort gekühlt. Eine in die Kühleinrichtung integrierte Pumpe sorgt für eine entsprechende Zirkulation des Öls 17.
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Der zylinderförmige Gehäuseabschnitt 14 stellt einen Teil eines doppelwandigen Gehäuses dar. Konzentrisch zu dem Gehäuseabschnitt 14 ist nämlich eine Gehäuseaußenwand 18 angeordnet, sodass sich zwischen dem Gehäuseabschnitt 14 und der Außenwand 18 ein Spalt 19 ergibt. Der Spalt 19 kann für eine Luftkühlung, vorzugsweise jedoch eine Wasserkühlung verwendet werden. Damit kann beispielsweise an einem Betriebsort, an dem Wasser zur Kühlung einfach bereitgestellt werden kann, die von der Kapselung nach außen abgegebene Wärme effektiv abtransportiert werden.
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Ein wesentlicher Gedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein so genannter kalter Läufer eingesetzt wird. Dies wird dadurch realisiert, dass der Läufer mit Permanentmagneten 7 erregt ist und nicht mit einem Strom. Der Läufer 4 hat also keine eigenen Wicklungen und somit in der Regel auch niedrigere Temperaturen als elektrisch erregte Komponenten. Es handelt sich bei dem Läufer 4 somit um ein rein mechanisches Bauteil, das kein elektrisches Betriebsmittel darstellt und das somit außerhalb des Ex-Schutzbereichs angeordnet werden kann.
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Das elektrisch aktive Teil, hier der Ständer 10 bzw. seine Wicklung ist mit einem Rohr aus Faserverbundwerkstoff abgekapselt bzw. abgeschottet. Insbesondere kann durch die Kapselung eine Ölkapselung gemäß der Schutzart Ex o um das elektrisch aktive Teil, den Ständer, erreicht werden. Das Spaltrohr wird beispielsweise mithilfe eines O-Rings, der an der Stelle 20 angeordnet ist, gegenüber dem Gehäuse bzw. dem Ring 16 abgedichtet.
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Letztlich sind so alle Teile der Maschine (hier der Ständer), die brennbare Gemische zünden können, in ein zünddurchschlagsicheres Gehäuse (Kapselung 13, 14, 15, 16) eingeschlossen. Damit kann eine Explosion im Inneren der Kapselung nicht nach außen durchschlagen. Auch werden an den Außenteilen der druckfesten Kapselung 13, 14, 15 und 16 bestimmte Oberflächentemperaturen aufgrund der Ölkapselung nicht überschritten. Die elektrische Maschine gemäß 2 kann damit der Zündschutzart Ex o zugeordnet werden.
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In vorteilhafter Weise wird somit die Zündspaltproblematik am Wellendurchtritt der Welle 5 durch das Gehäuse 6 komplett umgangen, indem nämlich der permanentmagneterregte Läufer 4 aus dem zu schützenden Ex-Bereich herausgenommen wird. Dadurch wird der Weg frei zu einem statischen Schutz der spannungsführenden Teile der Ständerwicklung und zu deren intensiven Kühlung über das Trafo-Öl. Damit wird der Ständer 10 der elektrischen Maschine bezüglich des Schutzes zu einem Transformator.
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Vorteilhaft bei dem Aufbau einer elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung ist, dass keine beweglichen, sondern nur statische Dichtung notwendig sind. Außerdem ist die elektrische Maschine bei Wassermantelkühlung oder direkter Ölkühlung sehr leise. Ferner ist bei dieser Bauart der elektrischen Maschine eine sehr hohe Drehmoment-Ausnutzung möglich, insbesondere bei Maschinen mit Innenkühlung, d. h. modularen Blechpaketen mit radialen Kühlschlitzen (Leistungen von über 10 MW bei einer Umdrehungszahl von 1500/min).
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Da allein der Ständer gekapselt werden muss, lässt sich auch eine sehr kompakte Maschine realisieren. Hinsichtlich der Zündproblematik ist außerdem kein rotierender Dichtspalt oder Zündspalt zu beachten. Ferner geht auch das Lager-Radialspiel nicht in den Zündspalt ein, so dass auch sehr große Motoren (auch segmentiert) möglich sind, die die Zündschutzart Ex o einhalten. Außerdem sind mit dem erfindungsgemäßen Aufbau auch Maschinen in Ex-Zündschutzarten realisierbar, die aufgrund von Zündspalttoleranzen und Anschleifproblemen bisher nicht in Ex d möglich waren. Dies gilt insbesondere auch für Maschinen mit Gleitlagern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Norm EN 60079-1 [0003]
- Norm IEC 60079-1 [0003]
- EN 60079-6 [0005]
- IEC 60079-6 [0005]
- Norm EN 60079-6 [0014]
