JP2003506998A - Demagnetization protection type permanent magnet excited ship propulsion system - Google Patents

Demagnetization protection type permanent magnet excited ship propulsion system

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JP2003506998A
JP2003506998A JP2001514522A JP2001514522A JP2003506998A JP 2003506998 A JP2003506998 A JP 2003506998A JP 2001514522 A JP2001514522 A JP 2001514522A JP 2001514522 A JP2001514522 A JP 2001514522A JP 2003506998 A JP2003506998 A JP 2003506998A
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magnet
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シューリング、インゴ
フォーゲル、ラインハルト
ルツァトキ、ヴォルフガング
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Siemens AG
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Abstract

(57)【要約】 少なくとも1つの回転エネルギー負荷(特に船舶プロペラ)と協働する永久磁石励磁式電動機と、電動機へのエネルギー供給を行なうための電力変換装置と、システムに対する制御、調整および監視装置とを備え、特に航海船舶用として高い利用性および寿命を有する大出力(例えば500kW以上の出力)用の電気的駆動システムにおいて、電動機が長時間確実に動作するように構成され、特に完全な又は部分的な減磁を防護するように構成され、これが電動機および電力変換装置に関する構造的かつ運転技術的な、例えば回路技術的および制御技術的な手段によって達成される。 (57) Abstract: A permanent magnet-excited electric motor cooperating with at least one rotational energy load (especially a ship propeller), a power conversion device for supplying energy to the electric motor, and a control, adjustment and monitoring device for the system In an electric drive system for high power (for example, power of 500 kW or more) having high availability and long life especially for marine vessels, the electric motor is configured to operate reliably for a long time, It is designed to protect against partial demagnetization, which is achieved by means of structural and operating technology, such as circuit technology and control technology, for the motor and the power converter.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】 本発明は、少なくとも1つの回転エネルギー負荷(特に船舶プロペラ)と協働
する永久磁石励磁式電動機と、電動機へのエネルギー供給を行なうための電力変
換装置と、システムに対する制御、調整および監視装置とを備え、特に航海船舶
用として高い利用性および寿命を有する大出力(例えば500kW以上の出力)
用の電気的駆動システムに関する。
The present invention relates to a permanent magnet excitation electric motor cooperating with at least one rotational energy load (in particular a ship propeller), a power converter for supplying energy to the electric motor, and control, regulation and monitoring of the system. A large output (e.g., output of 500 kW or more) that has a device and has high usability and life especially for nautical vessels
Electrical drive system for a vehicle.

【0002】 永久磁石励磁式電動機は相当前から種々異なった構造で知られている。永久磁
石励磁式電動機のための種々異なった構造は例えば刊行物「シーメンス・ツァイ
トシュリフト(Siemens−Zeitschrift)」(第49巻、19
75年発行、第6号、第368頁〜第374頁)に掲載された論文に記載されて
いる。当時達成可能な出力は500kWまでであった。長い間これは永久磁石励
磁式電気機械の出力限界であったが、最近になって初めて例えば30MWまでの
大形機械も開発された。相当の投資を要するこの種の機械に対しては、投資コス
トを正当化するために、長寿命と高い利用性が要求された。船舶は一般的に25
〜30年の寿命を有しており、従ってその推進装置に対しても同一の寿命が要求
される。この種の寿命は従来では大形の永久磁石励磁式電動機に対しては確約さ
れていなかった。
Permanent magnet excitation type motors have been known for quite some time with different structures. Different structures for permanent magnet excitation motors are described, for example, in the publication "Siemens-Zeitschrift" (Vol. 49, 19).
1975, No. 6, pp. 368-374). The achievable output at that time was up to 500 kW. For a long time this was the output limit of permanent magnet excitation electric machines, but only recently have large machines, for example up to 30 MW, been developed. For this type of machine, which requires considerable investment, long life and high availability were required to justify the investment costs. Ships are generally 25
It has a life of up to 30 years and therefore requires the same life for its propulsion device. This type of life has not been assured in the past for large permanent magnet excitation motors.

【0003】 本発明の課題は、大形の永久磁石励磁式電動機のこの種の長い寿命が確実に保
証されるようなシステムを提供することにある。
The object of the present invention is to provide a system in which a long life of this kind of large permanent magnet excitation motors is guaranteed reliably.

【0004】 この課題は、電動機が長時間確実に動作するように構成され、特に完全な又は
部分的な減磁を防護するように構成され、これが電動機および電力変換装置に関
する構造的かつ運転技術的な、例えば回路技術的および制御技術的な手段によっ
て達成されることによって解決される。
[0004] The problem is that the electric motor is designed to operate reliably for a long time, in particular to protect against complete or partial demagnetization, which is a structural and operational technical aspect of the electric motor and the power converter. , Which is achieved by means of circuit and control techniques, for example.

【0005】 永久磁石の寿命は長寿命に対する構造的な規則に基づいて設計された電動機に
対して重要な基準である。船又は他の電気駆動式大形設備(船も産業設備と見な
すことができる)用の永久磁石励磁で動作する駆動システムはその寿命が磁気的
構成要素の寿命によっておおかた決定される。減磁は例えば過熱又は大きすぎる
内部磁界によって発生することがある。さらに、磁石に腐食が発生し、老化によ
る減磁も起り得る。電動機の回転子上での磁石の移動は例えば擾乱時に高い周囲
加速度が発生した場合に起り得る。本発明による駆動システムは寿命を減少させ
る上述の要因を新たに考慮している。
Permanent magnet life is an important criterion for motors designed according to structural rules for long life. Drive systems operating with permanent magnet excitation for ships or other large electrically driven installations (ships can also be considered industrial installations) have their life largely determined by the life of the magnetic components. Demagnetization can occur, for example, due to overheating or too large an internal magnetic field. Further, the magnets may be corroded and demagnetized due to aging. Movement of the magnets on the rotor of the electric motor can occur, for example, when high ambient acceleration occurs during a disturbance. The drive system according to the present invention takes into account the above-mentioned factors that reduce the life.

【0006】 永久磁石励磁式電動機の減磁に対する考察は、ヘルシンキ工科大学の工場電気
・通信エンジニアリング学部のビレ・ナークリの学部卒業論文「大出力形永久磁
石駆動式電動機」(1998年2月14日)にも記載されている。この学部卒業
論文には、電動機内の温度は危険値内にあるが、磁界が電気システムの機能不良
の際に永久磁石に対する危険を形成し得ることが示されている。この問題の解決
手段は他のシステム構成要素を考慮することなく達成できず、学部卒業論文には
示されていない。
Regarding the demagnetization of the permanent magnet excitation type electric motor, the undergraduate graduation thesis “High-power type permanent magnet drive type electric motor” by Ville Nakli of the Faculty of Electrical and Communication Engineering, Helsinki Institute of Technology (February 14, 1998) ) Is also described. In this undergraduate thesis, it is shown that the temperature in the electric motor is within dangerous values, but the magnetic field can create a danger to permanent magnets in the event of malfunction of the electrical system. The solution to this problem cannot be achieved without considering other system components and is not shown in the undergraduate thesis.

【0007】 本発明の実施態様において、例えば焼結され熱処理されたネオジム−鉄−ほう
素をベースにした、耐磁気的老化性の磁性合金から成る永久磁石を備え、この永
久磁石が特に電動機の回転子に嵌め合い結合により固定されている。当該磁性合
金は例えばアクチュエータ用の小形電気駆動装置によって少し前から知られてい
る。その寿命特性は充分に実践的かつ理論的に調査されている。この調査結果か
ら、規定通りに使用すれば25〜30年の要求された時間を明らかに超過する寿
命が得られる。そのための前提条件は磁石の位置の一定性である。磁石は移動し
てはならない。
In an embodiment of the invention, a permanent magnet of a magnetic alloy that is magnetically aging-resistant, for example based on sintered and heat-treated neodymium-iron-boron, is provided, which permanent magnet is particularly suitable for motors. It is fixed to the rotor by fitting and coupling. Such magnetic alloys have been known for some time, for example, by small electric drives for actuators. Its life characteristics have been thoroughly investigated practically and theoretically. The results of this study show that, if used as specified, a lifespan clearly exceeding the required time of 25-30 years is obtained. The prerequisite for this is the constant position of the magnet. The magnet must not move.

【0008】 本発明の他の実施態様において、電動機が還流冷却式冷却媒体による冷却を用
いないで構成され、特に電動機ゴンドラ内でラダープロペラ用電動機として使用
される際にはゴンドラ外壁が冷却される。この有利な実施態様によって、過熱に
関する最大の防護性が達成される。冷却剤循環システムは存在していないので、
この冷却剤循環システムが故障を起こすこともない。外壁冷却はあらゆる状況下
で、特に船舶ゴンドラ駆動装置用として充分に動作する。船が走行中であると、
駆動装置の動きによって水による冷却が保証される。冷却作用は走行速度と共に
、すなわち駆動装置で消費されるエネルギーと共に増加する。その際、出力に関
係して応答する冷却が自動的に生じる。
In another embodiment of the present invention, the electric motor is constructed without cooling by a reflux cooling type cooling medium, and particularly when used as a motor for a ladder propeller in an electric motor gondola, the outer wall of the gondola is cooled. . With this advantageous embodiment, maximum protection against overheating is achieved. Since there is no coolant circulation system,
This coolant circulation system will not fail. Outer wall cooling works well under all circumstances, especially for ship gondola drives. When the ship is running,
The movement of the drive ensures water cooling. The cooling effect increases with the speed of travel, ie with the energy consumed in the drive. In that case, a cooling which is responsive to the output occurs automatically.

【0009】 本発明の他の実施態様において、駆動システムの磁気回路は、定格点において
短絡電流が危険でない値に自動的に制限されるように設計されている。原因が例
えば端子短絡にある短絡電流は標準的な用途においては定格電流の1.7倍であ
る。この値は危険ではない。というのは、例えば本発明による磁石システムは、
過電流により発生する磁界が永久磁石を損傷させることなく、2.2倍の電流に
耐えられるからでる。電力変換装置内では設定電流の例えば110%〜120%
への電流制限が行なわれ、この電流制限がパラメータ化可能である。その電流制
限に関連して、電動機を通って流れるあらゆる個所での電流を危険でない値へ確
実に制限することが生じる。このために、電力変換装置はその個々のアームのた
めに例えば過電流による減磁を確実に防止する値への最大電流制限を有し、この
最大電流制限がパラメータ化可能である。電力変換装置の個々のアームおよびこ
の電力変換装置がユニットとして監視機構の中に含まれることによって、起こり
そうもない事例に対しても、電動機内を流れるあらゆる個所での電流を危険でな
い値に制限することができる。
In another embodiment of the invention, the magnetic circuit of the drive system is designed such that at the rated point the short circuit current is automatically limited to a non-hazardous value. The short-circuit current, which is due to, for example, a terminal short circuit, is 1.7 times the rated current in a standard application. This value is not dangerous. For example, the magnet system according to the invention is
This is because the magnetic field generated by the overcurrent can withstand 2.2 times the current without damaging the permanent magnet. In the power converter, for example, 110% to 120% of the set current
A current limit is applied to the current limit and the current limit is parameterizable. In connection with that current limiting, it is ensured that the current flowing everywhere through the motor is limited to a non-hazardous value. For this purpose, the power converter has, for its individual arms, a maximum current limit, for example to a value that reliably prevents demagnetization due to overcurrent, which maximum current limit is parameterizable. By including the individual arms of the power converter and the power converter as a unit in the monitoring mechanism, even in the unlikely case, the current in all parts of the motor is limited to a non-hazardous value. can do.

【0010】 物理的作用に基づいて非常に高速で、例えば1ms以下で切断する電流制限器
、例えばHTSC電流制限器を使用すると特に有利である。HTSC(High
Temperature Superconducting;高温超伝導)電
流制限器は約77Kで、すなわち液体窒素による冷却で動作する。危険な電流密
度を超過したら、直ちに比較的大きな有限の抵抗が生じる、すなわち一次切断が
行なわれる。その場合、短時間後に例えば電力遮断器による二次切断が必要であ
る。
It is particularly advantageous to use a current limiter, for example an HTSC current limiter, which cuts off very fast on the basis of physical action, eg in less than 1 ms. HTSC (High
The Temperature Superconducting (current superconducting) current limiter operates at about 77K, ie cooling with liquid nitrogen. Immediately after the dangerous current density is exceeded, a relatively large finite resistance is created, i.e. a primary cut is made. In that case, after a short time, for example, a secondary disconnection by a power breaker is required.

【0011】 当該電流制限器は1MVAクラスのものが例えば本件出願人によって既に公表
されている。スイッチ素子としてセラミック板状導体のYBCO層が作用する。
The current limiter of the 1 MVA class has been already announced by the applicant of the present application. The YBCO layer of the ceramic plate-shaped conductor acts as a switch element.

【0012】 電流制限は電力変換装置の構成に応じて使用された種々の電力用半導体素子(
例えばGTO,IGBT,サイリスタ)で特殊な形態にて可能である。短絡故障
を起こした半導体素子を直ちに検出し、それを交換できるようにするために、当
該電力用半導体素子が個々に監視されると有利である。従って、使用された電力
用半導体素子の完全に排除されるべき程度ではない短絡は磁石システムを損傷さ
せない。
The current limitation is based on various power semiconductor elements (depending on the configuration of the power converter).
For example, GTO, IGBT, thyristor) can be used in a special form. It is advantageous if the power semiconductor components are individually monitored in order to be able to immediately detect the semiconductor component having the short-circuit fault and to replace it. Therefore, a short circuit of the used power semiconductor components, which should not be completely eliminated, does not damage the magnet system.

【0013】 駆動システムを監視するために、さらに、電力変換装置と電動機との間ならび
に電力変換装置と電力変換装置用変圧器との間に、電力アーム全体に対してまた
個々の電力アームに対しても測定装置が配置される。それによって電力変換装置
における故障が高速で検出され、取除かれる。検出のために、その検出に相応し
た公知の測定装置が設けられる。
In order to monitor the drive system, furthermore, between the power converter and the electric motor and between the power converter and the transformer for the power converter, both for the entire power arm and for the individual power arms. However, the measuring device is arranged. Faults in the power converter are thereby detected and eliminated at high speed. For the detection, known measuring devices are provided which correspond to the detection.

【0014】 電流制限器が電動機回転数に関係していることは特に重要である。それにより
、内部磁界が電動機回転数に関係しているという事実が考慮される。
It is particularly important that the current limiter is related to the motor speed. Thereby, the fact that the internal magnetic field is related to the motor speed is taken into account.

【0015】 他の防護手段として、船用の接地表示装置および接地防護装置、導線破損監視
装置、位相対称性監視装置、並びに特に過電流および過熱に対する他の監視およ
び防護回路構成要素が設けられる。システム全体のあらゆる故障を考慮して、電
動機の監視が行なわれる。
Other protective measures are provided by ground indicators and ground guards for ships, lead breakage monitors, phase symmetry monitors and other monitoring and protection circuit components, especially against overcurrent and overheat. The motor is monitored for any failure of the entire system.

【0016】 本発明の他の実施態様において、電動機に、それぞれが巻線に給電する2つの
電力変換装置を有する多重巻線システムが設けられるか、又は2つの駆動電動機
がそれぞれ1つの電力変換装置と共に動作し、電力変換装置のそれぞれ3つの相
が接続されて1つの3相系が構成される。それにより、それぞれ個々に監視され
切断される全体的に小形のユニットが形成される。これによっても同様に駆動電
動機には有害な過電流が発生しないことが保証される。
In another embodiment of the invention, the electric motor is provided with a multi-winding system having two power converters each of which feeds a winding, or the two drive motors each have one power converter. Working together with each other, the three phases of the power conversion device are connected to form a three-phase system. This forms a generally small unit that is individually monitored and cut. This likewise ensures that no harmful overcurrent is generated in the drive motor.

【0017】 特に船舶推進システムを診断し、電力変換装置をその構成要素と共に診断する
遠隔診断装置が設けられる。この種の遠隔診断装置は例えば船舶に対して衛星通
信で動作し、どの構成要素を交換するべきか又はどの構成要素がまもなく故障す
るであろうということをメーカの専門家が船のエンジニアに通報することを可能
にする。これによっても同様に減磁防護性および運転安全性がさらに増大する。
In particular, a remote diagnostic device is provided which diagnoses the ship propulsion system and diagnoses the power converter with its components. A remote diagnostic device of this kind operates, for example, in satellite communication with a ship and a manufacturer expert informs the ship engineer which components should be replaced or will soon fail. To be able to do. This also increases the demagnetization protection and the driving safety.

【0018】 永久磁石の寿命を保証するために、永久磁石は例えば焼結され熱処理されたネ
オジム−コバルト−銅−鉄−ほう素をベースにした、耐磁気的老化性および特に
耐食性の磁性合金(例えばVac品質のVacodynm 677HR)から構
成される。さらに、永久磁石は永久的に保持可能に被覆されるか又はラッカを塗
布され、滑らかな表面を有する。永久磁石は例えば直方体形状を有する。それに
より、耐食性の母材が生成されると共に、腐食防止された全体構成が得られる。
永久磁石の材料損失、従って磁力損失は電動機に課せられた条件において要求さ
れた寿命期間中には生じない。
In order to guarantee the life of the permanent magnets, the permanent magnets are based on, for example, sintered and heat-treated neodymium-cobalt-copper-iron-boron, magnetic alloys resistant to magnetic aging and especially corrosion resistance ( For example, Vac quality Vacodynm 677HR). In addition, the permanent magnet is permanently retentively coated or lacquered and has a smooth surface. The permanent magnet has, for example, a rectangular parallelepiped shape. This produces a corrosion resistant matrix and provides a corrosion resistant overall construction.
Material losses of the permanent magnets, and thus magnetic losses, do not occur during the required life of the motor under the conditions imposed.

【0019】 磁石ブロックがその基台に接着剤によって、特に一成分接着剤の形態の完全に
網状結合されたシリコーン接着剤によって固定されていると有利である。一成分
接着剤の形態の完全に網状結合されたシリコーン接着剤を使用することによって
、磁石と磁極片との間の移行部に腐食を生じる部位が形成されるのが防止される
Advantageously, the magnet block is fixed to its base by means of an adhesive, in particular a fully reticulated silicone adhesive in the form of a one-component adhesive. The use of a fully reticulated silicone adhesive in the form of a one-component adhesive prevents the formation of corrosion sites at the transition between the magnet and the pole piece.

【0020】 電動機を監視するために、固定子巻線が温度センサ、特に測定値評価部及び/
又は警報機能の作動部を備えた温度センサを有する。その場合、巻線及び磁石の
過熱を確実に防止するために、温度センサがシステムの制御部に接続されている
と有利である。それによって、電動機の加熱に関する有害な傾向に逆方向に作用
する付加的な監視可能性が生じる。
In order to monitor the electric motor, the stator windings are provided with a temperature sensor, in particular a measurement value evaluation unit and / or
Alternatively, it has a temperature sensor provided with an actuation unit for an alarm function. In that case, it is advantageous if a temperature sensor is connected to the control of the system in order to ensure that the windings and magnets are prevented from overheating. This creates additional monitorability which adversely affects the detrimental tendency of motor heating.

【0021】 個々の磁石ブロックの吸引力は非常に高い。電動機の有利な実施態様において
、電動機の直径および最大回転数は、最大回転数の時にも直方体状磁石とその取
付け面との間に残留力が残される(自動的磁石永久保持)ように設定される。確
かに、磁石ブロックは帯状体によって磁極片の幾何学的形状との関連においてそ
の基台に嵌め込み結合および力結合によって固定されるが、自動的磁石永久保持
によってこの嵌め込み結合および力結合による保持がさらに強化される。寿命が
損なわれることなくしかも例えば擾乱時に過大な力が発生しても、直方体状磁石
は確実に位置決めされている。帯状体は繊維強化されたプラスチックからも並び
にA磁性材料からの構成できる。しかしながら、繊維強化されたプラスチックは
帯状体の特に薄い構成を可能にし、それにより特に小さいエアギャップを有する
電動機が構成される。
The attractive force of the individual magnet blocks is very high. In an advantageous embodiment of the electric motor, the diameter and the maximum speed of the electric motor are set such that at the maximum speed, a residual force is left between the rectangular parallelepiped magnet and its mounting surface (automatic permanent magnet retention). It Indeed, the magnet block is fixed to the base by snap-fitting and force-bonding in relation to the geometry of the pole pieces by means of the strips, whereas automatic permanent magnet retention makes this snap-in and force-bonding holding possible. It will be further strengthened. The rectangular parallelepiped magnet is reliably positioned without impairing its life and even when an excessive force is generated during a disturbance, for example. The strip can consist of fiber-reinforced plastic as well as of A magnetic material. However, the fiber-reinforced plastic allows a particularly thin construction of the strip, which constitutes an electric motor with a particularly small air gap.

【0022】 固定子巻線の巻線端部が注型して構成され固体の熱伝導性橋絡片を介して外壁
に結合されると有利である。それにより、還流冷却式強制循環冷却よりも確実に
遥かに優れている構成が得られる。
Advantageously, the winding ends of the stator winding are cast and are connected to the outer wall via a solid, thermally conductive bridging piece. This provides a configuration that is certainly far superior to reflux cooling forced circulation cooling.

【0023】 同様な観点から、開口のない密閉された外側ケースを有する電動機の構成が得
られる。それにより、例えば修理等の際に異物が外部から電動機内へ浸入しない
ようにされる。全体的に、密閉構造で最大寿命を有する電動機の保守を要しない
構成が得られる。船とゴンドラ(これは永久磁石励磁式・還流冷却式ゴンドラ駆
動装置用として公知である)との間のシャフトは従って有利になくすことができ
る。従って、全部で5年間に亘る船のドッグ入りの機会に電動機の修理を行なう
必要がなく、パッキンや軸受のような磨耗部品だけが点検され、必要に応じて交
換されるだけでよい。
From a similar point of view, an electric motor configuration is obtained which has a closed outer case without openings. This prevents foreign matter from entering the electric motor from the outside during repair or the like. Overall, a maintenance-free construction of the electric motor with a closed structure and maximum life is obtained. The shaft between the ship and the gondola, which is known for permanent magnet excitation / reflux cooled gondola drives, can therefore advantageously be eliminated. Therefore, it is not necessary to repair the electric motor on the occasion of the ship being dogged for a total of 5 years, and only wear parts such as packing and bearings need to be inspected and replaced if necessary.

【0024】 最後に、さらに防護性を向上させるために電動機内に磁界センサが配置され、
これが特に周期的に切換え可能又は事象により制御されて切換え可能にされる。
さらに、例えば電動機内の個別電流からの測定データ、電動機温度、発せられた
出力、回転数、および必要に応じて他の影響量から連続的に電動機の電気的およ
び磁気的状態を求め、危険値に接近した際に警報を発信し、特に逆方向への制御
をも行い得る演算ユニットが設けられる。それにより、特に遠隔診断のために駆
動電動機の連続的な監視を個々の影響量の逆方向への制御を考慮に入れて行なう
ことが永久的に有利になされる。
[0024] Finally, a magnetic field sensor is arranged in the motor to further improve the protection,
This is possible in particular on a periodic basis or is event-controlled.
Furthermore, for example, the measured values from the individual currents in the electric motor, the electric motor temperature, the emitted power, the number of revolutions and, if necessary, other influence quantities can be used to continuously determine the electric and magnetic state of the electric motor, and the dangerous value There is provided an arithmetic unit capable of issuing an alarm when approaching the vehicle, and in particular controlling in the opposite direction. This makes it permanently advantageous, especially for remote diagnosis, to carry out continuous monitoring of the drive motor, taking into account the reverse control of the individual influence quantities.

【0025】 本発明を図面に基づいて詳細に説明する。図面からは従属請求項と同様に本発
明にとって重要な他の細部を知ることができる。 図1,2,3,4はシステムのために設けられた個々の回路、 図5は永久磁石の標準的な磁束分布図、 図6は回転子長さ−温度曲線図、 図7は磁力特性、 図8はネオジム−鉄−ほう素磁石の時間−磁力特性を示す。
The present invention will be described in detail with reference to the drawings. As well as the dependent claims, other details important to the invention can be seen from the drawings. 1, 2, 3 and 4 are individual circuits provided for the system, FIG. 5 is a standard magnetic flux distribution diagram of a permanent magnet, FIG. 6 is a rotor length-temperature curve diagram, and FIG. 7 is a magnetic force characteristic. FIG. 8 shows time-magnetic force characteristics of neodymium-iron-boron magnets.

【0026】 各図面は特許請求の範囲の記載に関連して特許請求の範囲に含まれている詳細
データおよび説明から専門家にとっては自ずから理解できるものである。
[0026] Each drawing should be understood by an expert as a matter of course from the detailed data and description contained in the claims in connection with the description of the claims.

【0027】 図1〜4においては、変圧器、電力変換装置および電動機の電子技術において
通常用いられている表記が使用されている。図1には、1つの6パルス式電力変
換装置を備えた3相機械が示され、これは最少個数の監視すべき位相と最少個数
の電力用半導体素子とを有している。従ってここでは位相と電力用半導体素子と
の個別監視が選択されている。
In FIGS. 1 to 4, notations that are commonly used in the electronic technology of transformers, power converters, and electric motors are used. FIG. 1 shows a three-phase machine with one 6-pulse power converter, which has a minimum number of phases to be monitored and a minimum number of power semiconductor elements. Therefore, the individual monitoring of the phase and the power semiconductor element is selected here.

【0028】 図2には、1つの12パルス式電力変換装置を備えた3相機械の回路図が示さ
れている。電力変換装置内の電力アームの個数は2倍になっている。ここでは監
視は電力変換装置に関して行なわれるので簡単になっている。図3では同様に電
動機内の監視を減らすことができる。図4には、2つの12パルス式電力変換装
置を備えた6相機械の回路が示され、防護性に関して最適な構成が示されている
FIG. 2 shows a circuit diagram of a three-phase machine with one 12-pulse power converter. The number of power arms in the power converter is doubled. Here, the monitoring is simplified because it is performed on the power converter. In FIG. 3 as well, monitoring within the motor can be reduced. FIG. 4 shows the circuit of a 6-phase machine with two 12-pulse power converters and shows the optimum configuration for protection.

【0029】 図5に理想化して表された磁束分布は特にその対称性を特徴としている。すな
わち、特別な磁束集中を回避できる。
The idealized magnetic flux distribution shown in FIG. 5 is particularly characterized by its symmetry. That is, special magnetic flux concentration can be avoided.

【0030】 図6は電動機の長さに関係した固定子温度を示す。回転子温度は固定子温度よ
り約10℃低く、それゆえ回転子温度の独立した監視を省略できる。明らかであ
るように、電動機の励磁側のエアギャップ温度は最高であり、それゆえここに監
視用熱電対が集中配置されている。
FIG. 6 shows the stator temperature as a function of motor length. The rotor temperature is about 10 ° C. lower than the stator temperature, so independent monitoring of rotor temperature can be omitted. As is apparent, the air gap temperature on the excitation side of the motor is the highest and therefore the monitoring thermocouple is centrally located here.

【0031】 電動機の磁石側に熱電対を密に集中配置することによって電動機温度の簡単か
つ確実な監視が可能になる。熱電対が固定子巻線に強固に結合されていると有利
である。
By densely arranging the thermocouples densely on the magnet side of the electric motor, the electric motor temperature can be easily and surely monitored. Advantageously, the thermocouple is firmly coupled to the stator winding.

【0032】 図7は最後に無負荷時、定格負荷時および短絡時における磁力を示す。明らか
なように、各事例における磁力は特性線経過の可逆部分内に位置しており、これ
は短絡に対しても当てはまる。すなわち、減磁防護は短絡の場合にも行なわれて
いる。
FIG. 7 finally shows the magnetic force under no load, under rated load, and under short circuit. Obviously, the magnetic force in each case lies within the reversible part of the characteristic curve, which also applies to short circuits. That is, demagnetization protection is performed even in the case of a short circuit.

【0033】 図8は最後に130℃で種々異なった因子B/μ0Hの際に精密検査で測定さ
れた不可逆な分極損失を対数表示で示す。130℃は本発明による電動機におい
て図6から明らかな最高温度より相当高い、すなわち過大温度に関して減磁に対
する防護性が高く、これによって磁石の有効寿命は要求された25〜30年以上
になる。
FIG. 8 finally shows, in logarithmic representation, the irreversible polarization loss measured by close examination at 130 ° C. with different factors B / μ0H. 130 ° C. is considerably higher than the maximum temperature apparent from FIG. 6 in the motor according to the invention, i.e. the protection against demagnetization with respect to overtemperature is high, which makes the useful life of the magnet 25-30 years or more as required.

【0034】 良好な90°の最高に出現する温度および130°の際の永久磁石範囲におけ
る永久的な磁力によって150°以上の永久的な耐熱性を有し永年に亘って試験
された変圧器樹脂の使用(ここでは既に20年以上の運転経験がある)、ならび
に電動機巻線の過電流の確実な回避に基づいて、船舶用ゴンドラ電動機の永久磁
石励磁式駆動装置に対する25〜30年の要求寿命が保証される。これには直接
外壁冷却方式を用いた故障を起こさない密閉構成は僅かしか貢献していない。
A transformer resin that has been tested over the years with a permanent heat resistance of 150 ° or more due to a good maximum emerging temperature of 90 ° and a permanent magnetic force in the permanent magnet range at 130 °. 25 to 30 years life expectancy for permanent magnet excitation drives of marine gondola motors, based on the use of (for which there is already more than 20 years of operating experience here) and the reliable avoidance of overcurrent in the motor windings. Is guaranteed. The failure-free closed construction using the direct outer wall cooling method contributes little to this.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 システムのために設けられた回路[Figure 1]   Circuit provided for the system

【図2】 システムのために設けられた回路[Fig. 2]   Circuit provided for the system

【図3】 システムのために設けられた回路[Figure 3]   Circuit provided for the system

【図4】 システムのために設けられた回路[Figure 4]   Circuit provided for the system

【図5】 永久磁石の標準的な磁束分布図[Figure 5]   Standard magnetic flux distribution diagram of permanent magnet

【図6】 回転子長さ−温度曲線図[Figure 6]   Rotor length-temperature curve diagram

【図7】 磁力特性図[Figure 7]   Magnetic force characteristic diagram

【図8】 ネオジム−鉄−ほう素磁石の時間−磁力特性図[Figure 8]   Neodymium-iron-boron magnet time-magnetic force characteristic diagram

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H02K 15/02 H02K 15/03 Z 15/03 15/12 E 15/12 11/00 E (72)発明者 ルツァトキ、ヴォルフガング ドイツ連邦共和国 デー‐21509 グリン デ グロートヘーゲン 4エー Fターム(参考) 5H604 AA05 BB01 BB10 BB14 CC01 CC05 PE06 5H611 AA01 BB01 BB06 PP02 PP05 QQ04 QQ05 UA02 5H615 AA01 BB01 BB07 BB14 PP01 PP02 PP06 PP12 PP14 SS15 SS44 SS57 TT05 TT26 5H621 BB10 GA01 HH01 JK01 JK11 JK14 5H622 AA04 CA02 CA10 DD02 PP03 PP19 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) H02K 15/02 H02K 15/03 Z 15/03 15/12 E 15/12 11/00 E (72) Invention Lutzatki, Wolfgang Germany Federal Republic of Germany -21509 Grinde Grothhagen 4A F term (reference) 5H604 AA05 BB01 BB10 BB14 CC01 CC05 PE06 5H611 AA01 BB01 BB06 PP02 PP05 QQ04 QQ05 UA02 5H615 AA01 BB14 PP01 PP14 BB01 PP14 BB01 PP14 BB01 PP14 PP14 SS57 TT05 TT26 5H621 BB10 GA01 HH01 JK01 JK11 JK14 5H622 AA04 CA02 CA10 DD02 PP03 PP19

Claims (33)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 少なくとも1つの回転エネルギー負荷、特に船舶プロペラと
協働する永久磁石励磁式電動機と、電動機へのエネルギー供給を行なうための電
力変換装置と、システムに対する制御、調整および監視装置とを備え、特に航海
船舶用として高い利用性および寿命を有する、大出力用、例えば500kW以上
の出力用の電気的駆動システムにおいて、電動機が長時間確実に動作するように
構成され、特に完全な又は部分的な減磁を防護するように構成され、これが電動
機および電力変換装置に関する構造的かつ運転技術的な、例えば回路技術的およ
び制御技術的な手段によって達成されることを特徴とする電気的駆動システム。
1. A permanent magnet excitation electric motor cooperating with at least one rotational energy load, in particular a ship propeller, a power converter for supplying energy to the electric motor, and a control, regulation and monitoring device for the system. In an electric drive system for a high power, for example 500 kW or more, which has a high usability and a long life especially for a sailing ship, the electric motor is configured to operate reliably for a long time, and particularly, a complete or partial operation. Electrical drive system which is configured to protect against demagnetization, which is achieved by structural and operational engineering, for example circuit engineering and control engineering, means for electric motors and power converters. .
【請求項2】 例えば焼結され熱処理されたネオジム−鉄−ほう素をベース
にした、耐磁気的老化性の磁性合金から成る永久磁石を備え、この永久磁石が特
に電動機の回転子に特に嵌め合い結合により固定されていることを特徴とする請
求項1記載の駆動システム。
2. A permanent magnet, for example based on sintered and heat-treated neodymium-iron-boron, made of a magnetic alloy resistant to magnetic aging, the permanent magnet being especially fitted to the rotor of an electric motor. The drive system according to claim 1, wherein the drive system is fixed by mating connection.
【請求項3】 電動機が還流冷却式冷却媒体による冷却を用いないで動作す
るように構成され、特にラダープロペラ用電動機として使用される際にはゴンド
ラ外壁が冷却されることを特徴とする請求項1又は2記載の駆動システム。
3. The electric motor is configured to operate without cooling by a reflux cooling type cooling medium, and particularly when used as an electric motor for a ladder propeller, an outer wall of the gondola is cooled. The drive system according to 1 or 2.
【請求項4】 磁気回路が、定格点において短絡電流が危険でない値に自動
的に制限されように設計されていることを特徴とする請求項1乃至3の1つに記
載の駆動システム。
4. The drive system according to claim 1, wherein the magnetic circuit is designed such that at the rated point the short-circuit current is automatically limited to a non-hazardous value.
【請求項5】 電力変換装置によって、電動機の巻線内では設定電流の例え
ば110%〜120%への電流制限が行われ、この電流制限がパラメータ化可能
であることを特徴とする請求項1乃至4の1つに記載の駆動システム。
5. The power converter limits the current in the windings of the motor to, for example, 110% to 120% of the set current, the current limit being parameterizable. The drive system according to any one of 1 to 4.
【請求項6】 電力変換装置がその個々のアームのために例えば過電流によ
る減磁を確実に防止する値への最大電流制限を有し、この最大電流制限がパラメ
ータ化可能であることを特徴とする請求項1乃至5の1つに記載の駆動システム
6. The power converter has a maximum current limit for its individual arms, for example to a value which reliably prevents demagnetization due to overcurrent, which maximum current limit is parameterizable. The drive system according to any one of claims 1 to 5.
【請求項7】 物理的作用に基づいて非常に高速で、例えば1ms以下で切
断する電流制限器、例えばHTSC電流制限器を備えていることを特徴とする請
求項1乃至6の1つに記載の駆動システム。
7. A method according to claim 1, further comprising a current limiter, such as an HTSC current limiter, which cuts off very fast based on physical action, for example less than 1 ms. Drive system.
【請求項8】 機能不良の際の自動高速切断手段を有するIGBT電力用半
導体素子を備えていることを特徴とする請求項1乃至6の1つに記載の駆動シス
テム。
8. The drive system according to claim 1, further comprising an IGBT power semiconductor element having an automatic high-speed disconnection means in case of malfunction.
【請求項9】 機能監視されたサイリスタを備えていることを特徴とする請
求項1乃至6の1つに記載の駆動システム。
9. The drive system according to claim 1, further comprising a thyristor whose function is monitored.
【請求項10】 電力変換装置と電動機との間に個々の相電流の測定装置が
配置されていることを特徴とする請求項1乃至9の1つに記載の駆動システム。
10. The drive system according to claim 1, wherein an individual phase current measuring device is arranged between the power converter and the electric motor.
【請求項11】 相電流の測定装置がその電力変換装置用変圧器と電力変換
装置との間に配置されていることを特徴とする請求項1乃至10の1つに記載の
駆動システム。
11. The drive system according to claim 1, wherein the phase current measuring device is arranged between the power converter transformer and the power converter.
【請求項12】 電動機の回転数および必要に応じて電動機のトルクに関係
して電流制限が行なわれ、この電流制限がパラメータ化可能であることを特徴と
する請求項1乃至11の1つに記載の駆動システム。
12. A method according to claim 1, wherein current limiting is performed in relation to the speed of the electric motor and, if necessary, the torque of the electric motor, and the current limiting is parameterizable. The described drive system.
【請求項13】 負荷状態下でも切換え可能なパワースイッチがその供給電
源と電力変換装置用変圧器との間に配置されていることを特徴とする請求項1乃
至12の1つに記載の駆動システム。
13. A drive as claimed in claim 1, characterized in that a power switch, which can be switched under load, is arranged between its supply and the power converter transformer. system.
【請求項14】 船用の接地表示装置および接地防護装置が設けられている
ことを特徴とする請求項1乃至13の1つに記載の駆動システム。
14. The drive system according to claim 1, further comprising a grounding indicator and a grounding protection device for a ship.
【請求項15】 導線破損監視装置が設けられていることを特徴とする請求
項1乃至14の1つに記載の駆動システム。
15. The drive system according to claim 1, further comprising a conductor breakage monitoring device.
【請求項16】 位相対称性監視装置が設けられていることを特徴とする請
求項1乃至15の1つに記載の駆動システム。
16. A drive system according to claim 1, further comprising a phase symmetry monitoring device.
【請求項17】 特に過電流および過熱に対する他の監視および防護回路構
成要素、ならびに制御装置および調整装置が設けられていることを特徴とする請
求項5乃至16の1つに記載の駆動システム。
17. A drive system as claimed in claim 5, characterized in that other monitoring and protection circuit components are provided, in particular against overcurrent and overheat, as well as controllers and regulators.
【請求項18】 電動機に、それぞれが巻線に給電する2つの電力変換装置
を有する多重巻線システムが設けられ、それぞれ3つの相が接続されて1つの3
相系が構成されていることを特徴とする請求項1乃至17の1つに記載の駆動シ
ステム。
18. An electric motor is provided with a multi-winding system having two power converters each feeding a winding, each three phases being connected to one three
18. The drive system according to claim 1, wherein a phase system is formed.
【請求項19】 特に船舶推進システムを診断し、電力変換装置をその構成
要素と共に診断する遠隔診断装置が設けられていることを特徴とする請求項1乃
至18の1つに記載の駆動システム。
19. A drive system according to claim 1, further comprising a remote diagnostic device for diagnosing a ship propulsion system, in particular for diagnosing a power converter together with its components.
【請求項20】 例えば焼結され熱処理されたネオジム−コバルト−銅−鉄
−ほう素をベースにした、耐磁気的老化性および特に耐食性の磁性合金から成る
永久磁石が設けられていることを特徴とする請求項2記載の駆動システム。
20. A permanent magnet is provided which is made of a magnetic alloy which is magnetically aging-resistant and in particular corrosion-resistant, for example based on sintered and heat-treated neodymium-cobalt-copper-iron-boron. The drive system according to claim 2.
【請求項21】 永久磁石として、永久的に保持可能に被覆されるか又はラ
ッカを塗布された磁石ブロック、特に直方体形状を有する永久的に保持可能に被
覆されるか又はラッカを塗布された磁石ブロックが設けられていることを特徴と
する請求項1乃至20の1つに記載の駆動システム。
21. As a permanent magnet, a permanently retentively coated or lacquered magnet block, in particular a permanently retentively coated or lacquered magnet having a rectangular parallelepiped shape. 21. Drive system according to one of the preceding claims, characterized in that a block is provided.
【請求項22】 直方体状磁石がその基台に接着剤によって、特に一成分接
着剤の形態の完全に網状結合されたシリコーン接着剤によって固定されているこ
とを特徴とする請求項21記載の駆動システム。
22. Drive according to claim 21, characterized in that the rectangular magnet is fixed to its base by means of an adhesive, in particular by a fully reticulated silicone adhesive in the form of a one-component adhesive. system.
【請求項23】 固定子巻線が温度センサ、特に測定値評価部及び/又は警
報機能の作動部を備えた温度センサを有することを特徴とする請求項1乃至22
の1つに記載の駆動システム
23. The stator winding comprises a temperature sensor, in particular a temperature sensor with a measured value evaluator and / or an actuator of an alarm function.
Drive system according to one of
【請求項24】 巻線及び/又は励磁磁石の過熱を防止するために、温度セ
ンサがシステムの制御部に接続されていることを特徴とする請求項23記載の駆
動システム。
24. Drive system according to claim 23, characterized in that a temperature sensor is connected to the control part of the system in order to prevent overheating of the winding and / or the excitation magnet.
【請求項25】 電動機の直径および最大回転数が、最大回転数の時にも直
方体状磁石とその取付け面との間に残留力が残される(自動的磁石永久保持)よ
うに設定されていることを特徴とする請求項1乃至24の1つに記載の駆動シス
テム
25. The diameter and the maximum rotation speed of the electric motor are set so that a residual force is left between the rectangular parallelepiped magnet and its mounting surface (automatic permanent magnet holding) even at the maximum rotation speed. Drive system according to one of the claims 1 to 24, characterized in that
【請求項26】 電動機の固定子がその巻線と共にそのケース内に入れられ
、その巻線端部範囲が特にプラスチック、例えばエポキシ樹脂から成る固体の熱
伝導性橋絡体を有し、巻線端部自身が絶縁樹脂で注型されていることを特徴とす
る請求項3記載の駆動システム
26. A stator of an electric motor is enclosed in its case together with its windings, the winding end region of which has a solid heat-conducting bridge, in particular made of plastic, for example epoxy. The drive system according to claim 3, wherein the end portion itself is cast with an insulating resin.
【請求項27】 励磁磁石が特に長方体形状に形成され、多角形表面を有す
る磁極片に配置され、外側から帯状体によって多角形表面に固定されていること
を特徴とする請求項1乃至26の1つに記載の駆動システム。
27. The excitation magnet is formed in a particularly rectangular parallelepiped shape, is arranged on a pole piece having a polygonal surface, and is fixed to the polygonal surface by means of a strip from the outside. 27. A drive system according to one of 26.
【請求項28】 帯状体が繊維強化されたプラスチック、特にガラス繊維、
炭素繊維又はケフラーで強化されたプラスチックから構成され、帯状体が帯の形
態をした特に予め含浸していない繊維を有することを特徴とする請求項7記載の
駆動システム。
28. Fiber-reinforced plastics in the form of strips, in particular glass fibers,
8. A drive system according to claim 7, characterized in that the strip comprises carbon fibers or plastics reinforced with Kefler, the strips having in particular pre-impregnated fibers in the form of strips.
【請求項29】 プラスチックがクラスFの絶縁性プラスチック、特に充填
された変圧器樹脂であることを特徴とする請求項28記載の駆動システム。
29. Drive system according to claim 28, characterized in that the plastic is a class F insulating plastic, in particular a filled transformer resin.
【請求項30】 励磁磁石がA磁性材料、例えばステンレス鋼から成る帯状
帯を有することを特徴とする請求項1乃至27記載の駆動システム。
30. The drive system according to claim 1, wherein the exciting magnet has a strip band made of an A magnetic material, for example, stainless steel.
【請求項31】 電動機が開口のない密閉された外側ケースを有することを
特徴とする請求項1乃至30記載の駆動システム。
31. The drive system according to claim 1, wherein the electric motor has a closed outer case having no opening.
【請求項32】 電動機内に磁界センサ、特に周期的に切換え可能又は事象
により制御されて切換え可能である磁界センサが設けられていることを特徴とす
る請求項1乃至31記載の駆動システム。
32. Drive system according to claim 1, characterized in that a magnetic field sensor is provided in the motor, in particular a magnetic field sensor which is switchable periodically or which is switchable under event control.
【請求項33】 個別量、例えば電動機内の個別電流、巻線温度、発せられ
た出力、回転数、および必要に応じて他の影響量を考慮して連続的に電動機の電
気的および磁気的状態を演算技術的に求め、危険値に接近した際に警報を発信し
、特に逆方向への制御をも行い得る演算ユニットが設けられていることを特徴と
する請求項1乃至32記載の駆動システム。
33. The electrical and magnetic characteristics of the motor in a continuous manner, taking into account individual quantities, for example individual currents in the motor, winding temperatures, emitted power, rotational speed and, if necessary, other influence quantities. 33. A drive according to claim 1, further comprising an arithmetic unit capable of obtaining a state by arithmetic technology, issuing an alarm when a dangerous value is approached, and controlling in the opposite direction in particular. system.
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