WO2003043163A1 - Elektrische maschine mit schutzgasgefülltem hohlraum - Google Patents

Elektrische maschine mit schutzgasgefülltem hohlraum Download PDF

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WO2003043163A1
WO2003043163A1 PCT/EP2002/011594 EP0211594W WO03043163A1 WO 2003043163 A1 WO2003043163 A1 WO 2003043163A1 EP 0211594 W EP0211594 W EP 0211594W WO 03043163 A1 WO03043163 A1 WO 03043163A1
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WO
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electrical machine
protective gas
machine according
rotor
permanent magnets
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PCT/EP2002/011594
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English (en)
French (fr)
Inventor
Sepp Lachenmeier
Volker Quast
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Lat Suhl Ag
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K5/00—Casings; Enclosures; Supports
    • H02K5/04—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof
    • H02K5/10—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof with arrangements for protection from ingress, e.g. water or fingers
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K41/00—Propulsion systems in which a rigid body is moved along a path due to dynamo-electric interaction between the body and a magnetic field travelling along the path
    • H02K41/02—Linear motors; Sectional motors
    • H02K41/03—Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors

Definitions

  • the present invention relates to an electrical machine with a housing, a stator, a rotor, electrical windings for generating a variable magnetic field and permanent magnets for generating a permanent magnetic field.
  • NdFeB magnets neodymium-iron-boron magnets
  • NdFeB magnets The composition and possible dimensions of NdFeB magnets are known from the company publication "Permanent Magnets - Materials and Systems” from IBS Magnet, Ing. KH Schroeter, Berlin.
  • these known permanent magnets have the disadvantage that they have a high affinity for oxygen and hydrogen In the case of environmental conditions with high
  • NdFeB magnets tend to form strong corrosion. During these oxidation reactions, hydrogen is released, which in turn with the NdFeB metals reacted. The reaction of the NdFeB metals with oxygen and / or hydrogen leads, even under normal ambient conditions, to the permanent magnets being destroyed or the permanent magnet field provided being significantly weakened.
  • NdFeB magnets only offers protection against chemical reactions of the magnetic material with the surrounding gases for a limited period of time.
  • the protective layers mentioned can only protect the permanent magnets against signs of corrosion for about five years. This period shortens further under aggressive environmental conditions. It is therefore understandable that the manufacturers of NdFeB magnets only guarantee the magnetic properties for a limited period of time. If the operational safety of electric motors in which such permanent magnets are used is of crucial importance, these electric motors must be replaced or expensively serviced after the guaranteed operating times of the permanent magnets have expired. This results in high maintenance costs, especially for powerful engines.
  • the protective gas layer thus formed around the permanent magnets means that the hydrogen or oxygen molecules first have to diffuse through this protective gas layer before they have the possibility of penetrating into the NdFeB material and subsequently reacting with it.
  • the corrosion of the permanent magnets which has hitherto been unavoidable, can be greatly delayed or largely prevented by this measure.
  • An advantageous embodiment of the invention relates to a rotary synchronous motor in which the permanent magnets are arranged on the rotor, the entire rotor being positioned within the protective gas-filled cavity. In this way, no separate protective gas cavity has to be placed around the permanent magnets alone. The usual structure of the synchronous motor can thus be retained. In particular, this ensures that there are no additional clearances or cavity walls in the air gap between the permanent magnets attached to the rotor and the electrical winding of the stator are required.
  • the synchronous motor can have both a rotor designed as an inner rotor and a rotor designed as an outer rotor.
  • the protective gas-filled cavity is preferably formed by parts of the stator and parts of the motor housing.
  • the rotor designed as an external rotor is itself part of the protective gas-filled cavity.
  • suitable seals are provided on the motor housing and on the motor shaft or the axis of rotation of the motor, in order to enable the gas-filled cavity to be made gas-tight.
  • This gas seal can be carried out using conventional construction elements, for example by attaching shaft seals and using gas-tight lubricants in the pivot bearings.
  • Runners can be formed while the other unit forms the stator.
  • the permanent magnets and the protective gas-filled cavity are arranged in the active unit.
  • the implementation of the present invention in the active unit of a linear motor sometimes presents even less difficulties than the implementation in a rotary motor, since the difficulties of sealing rotating parts are eliminated.
  • the protective gas-filled cavity is preferably formed by the housing of the active unit.
  • a housing can be easily sealed.
  • the protective gas filling means that the cavities in the active unit cannot be cast with synthetic resins, for example, so that the repair and maintenance of such active units is simplified or made possible for the first time. If the electrical coils and the permanent magnets e.g. are usually sealed with synthetic resin, a repair is usually not possible, so that the entire active unit must be replaced in the event of a fault.
  • the active unit also contains the electrical windings.
  • the permanent magnets that are to be protected by the protective gas are positioned in the passive unit.
  • the passive unit can be designed to be stationary or movable.
  • the permanent magnets positioned on the tread of the passive unit are encapsulated, for example, by a two-part bellows in which the active unit is inserted in a gas-tight manner. The bellows then forms the protective gas-filled cavity and must be made gas-tight so that the protective gas does not escape. In this way it is possible to completely move the partially large treads of the passive unit into the Encapsulate protective gas so that the rare earth magnet cannot corrode.
  • the invention can also be used in other electrical machines, for example generators.
  • the invention is preferably used in electric motors in which rare earth magnets, in particular Nedoym iron boron magnets (NdFeB magnets) are used.
  • rare earth magnets in particular Nedoym iron boron magnets (NdFeB magnets)
  • the tendency to corrode is significantly lower, so that the invention does not have any disadvantages, but will only be necessary in a few cases to extend the operability of other permanent magnets.
  • the invention can also be useful with other permanent magnets if the electric motors are operated, for example, in an aggressive atmosphere in which even more robust permanent magnets would react in an undesirable manner with the gases that occur.
  • a protective gas is filled into the cavity with an overpressure of approximately 1.001 bar to 5 bar above the adjacent atmospheric pressure.
  • This relatively low excess pressure in the protective gas-filled cavity ensures that no gases from the atmosphere penetrate into the cavity.
  • the protective gas atmosphere in the cavity could be maintained for a certain period of time even if there were small leakage points.
  • Nitrogen, carbon dioxide, noble gases or corresponding gas mixtures are preferably filled into the cavity as protective gas.
  • the protective gas-filled cavity has a filling / refill valve, via which the protective gas can be filled in during manufacture and also during subsequent maintenance work.
  • the electrical machine according to the invention comprises a pressure sensor that monitors the pressure in the protective gas-filled cavity. As soon as the pressure in the cavity drops below a limit value, an alarm signal can be triggered by the pressure sensor in order to take suitable countermeasures.
  • a measure can consist in that protective gas is automatically replenished into the cavity from an external protective gas storage container.
  • a further developed embodiment has a pressure expansion tank which is coupled to the protective gas-filled cavity and has a predetermined range Allows pressure equalization.
  • 1 shows a simplified section of an electric synchronous motor with a motor shaft mounted on one side
  • 2 shows a simplified sectional view of a modified embodiment of the electric synchronous motor with a motor shaft mounted on both sides;
  • FIG. 3 shows a simplified sectional view of a modified embodiment of the synchronous motor shown in FIG. 2 with a pressure compensating tank, a pressure sensor and a protective gas storage tank;
  • Fig. 4 is a simplified sectional view of a modified embodiment of the electric synchronous motor, in which the rotor is designed as an external rotor.
  • FIG. 1 shows a simplified sectional view of a first embodiment of an electrical machine according to the invention.
  • the embodiment shown is a rotary electrical synchronous motor 1 which has a stator 2, a motor housing 3 and a rotor 4.
  • a plurality of electrical windings 5 for generating a variable magnetic field (rotating field) are attached to the stator 2.
  • the motor is designed as a single-phase motor or a multi-phase motor.
  • Permanent magnets 6 are attached to the rotor 4, which serve to generate a permanent magnetic field to provide permanent excitation.
  • the permanent magnets preferably consist of an NdFeB material, as is known for the production of particularly powerful permanent magnets.
  • the rotor 4 is attached to a central motor shaft 7. at In the embodiment shown, the motor shaft 7 is only supported on one side in a ball bearing 8 which is fastened in the motor housing 3. The other side of the motor shaft is free, that is, it is "floating".
  • the individual parts of the motor housing 3 are connected to the outer sections of the stator 2 in such a way that a cavity 9 is formed which can be filled with a protective gas 10.
  • the protective gas-filled cavity 9 is sealed gas-tight, so that the filled-in protective gas 10 cannot escape. In this way it is ensured that the permanent magnets 6 attached to the rotor are constantly in the protective gas atmosphere (ie also during the rotation), as a result of which corrosion of the permanent magnets is largely avoided or greatly delayed.
  • the seal has, for example, on the abutting surfaces between the stator 2 and the motor housing
  • sealing surfaces 11 are formed, for example, which are formed by simple surface pressure, inserted sealing rings or other surface sealing elements.
  • the required seal between the motor shaft 7 and the bearing 8 in the embodiment shown is provided by shaft sealing rings 12.
  • a space that may remain in the bearing 8 can be filled, for example, with a lubricating bearing paste (bearing grease).
  • bearing paste bearing grease
  • Suitable measures for sealing ball bearings or the like are known to the person skilled in the art.
  • a further seal has to be carried out on a cable bushing 13, it being possible, for example, to use PG screw connections and sealing compounds.
  • the protective gas-filled cavity 9 is to be designed gas-tight at all points, so that the protective gas 10 can be filled into the cavity 9 with a slight overpressure with respect to the surrounding atmosphere. Overpressure values of around 1.001 bar to 5 bar have proven to be sufficient.
  • the protective gas can be filled in via a filling valve 14, which is attached to a suitable location on the motor housing and is optionally designed as a permanently functional refilling valve. Under certain circumstances, however, a single filling and subsequent sealing of the cavity is sufficient.
  • the permanent magnets 6 are thus in a protective gas atmosphere, through which the undesired corrosion is avoided.
  • FIG. 2 shows a sectional view of a modified embodiment of the synchronous motor 1.
  • the structural difference from the embodiment shown in FIG. 1 mainly consists in the fact that the motor shaft 7 is mounted on both sides in bearings 8 which are fastened in the motor housing 3.
  • the protective gas-filled cavity 9 is formed by the motor housing 3 and the stator 2.
  • FIG. 3 shows a simplified sectional view of a further developed embodiment of the synchronous motor 1.
  • the embodiment shown here largely corresponds to the synchronous motor shown in FIG. 2 with the motor shaft 7 mounted in two bearings 8.
  • synchronous motors generate heat loss, which in some cases heats the stator 2 and the rotor 4 considerably.
  • An operational heating or a strong temperature change in the environment have the consequence that the protective gas 10 located in the cavity 9 expands and thus results in an increase in pressure in the cavity 9.
  • a pressure compensating tank 15 is arranged in the embodiment shown in FIG. 3, which communicates with the cavity 9. In this way, the pressure in the cavity 9 can be kept relatively constant at least over a certain temperature range.
  • the embodiment shown in FIG. 3 has a protective gas storage container 16, which is also connected to the cavity 9, preferably via a manually or automatically operated valve (not shown). If the desired amount of protective gas in the cavity 9 is reduced over a longer period of time by gas losses, a desired amount of protective gas 10 can be replenished from the protective gas storage container 16.
  • a pressure sensor 17 is also arranged to monitor the pressure in the cavity 9. The pressure sensor 17 can be designed as a simple manometer in order to indicate to the operating and maintenance personnel only the pressure prevailing in the cavity 9. However, the pressure sensor 17 can also supply a measurement signal to an evaluation circuit (not shown), for example to trigger an alarm signal in the event of a pressure drop or to activate an automatic replenishment of protective gas from the protective gas reservoir 16.
  • FIG. 4 A further modified embodiment of the synchronous motor 1 is shown in a simplified sectional view in FIG. 4.
  • the main difference from the above-mentioned embodiments is the structural design of the rotor 4, which in this case is designed as a so-called external rotor.
  • the rotor rotates around the fixed electrical winding 5, which is arranged inside the rotor 4.
  • the permanent magnets 6 are therefore attached to the inside of the rotor.
  • the cavity 9 is formed by the outer sections of the stator 2.
  • the motor shaft is replaced by an axis of rotation 18.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Gehäuse (3), einem Stator (5), einem Rotor (4), elektrischen Wicklungen (5) zur Erzeugung eines veränderlichen Magnetfeldes und Permanentmagneten (6) zur Erzeugung eines Permanentmagnetfeldes. Erfindungsgemäss sind die Permanentmagnete in einem schutzgasgefüllten Hohlraum (9) angeordnet. Vorzugsweise wird die Erfindung bei Seltenerden-Magneten eingesetzt, um diese gegen Korrosionserscheinungen zu schützen. Die Erfindung kann beispielsweise bei rotatorischen Synchronmotoren und Linearmotoren Verwendung finden.

Description

Elektrische Maschine mit schutzgasgefülltem Hohlraum
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Gehäuse, einem Stator, einem Rotor, elektrischen Wicklungen zur Erzeugung eines veränderlichen Magnetfeldes und Permanentmagneten zur Erzeugung eines Permanentmagnetfeldes .
Aus dem Stand der Technik sind vielfältige Bauformen von elektrische Maschinen bekannt. Unter anderem werden permanenterregte Synchronmaschinen als elektrische Motoren eingesetzt. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass mit mehreren Permanentmagneten eine permanente Erregung erfolgt, welche die Gleichstromerregung des Rotors bzw. des Läufers ersetzt. Um bei derartigen Konstruktionen eine hohe Leistungsdichte zu erzielen, müssen Permanentmagnete eingesetzt werden, die ein starkes permanentes Magnetfeld bereitstellen. Dazu werden spezielle Permanentmagnete verwendet, sogenannte Seltenerden-
Magnete. Die derzeit stärksten Permanentmagnete für derartige Einsatzbereiche sind sogenannte Neodym-Eisen-Bor-Magnete (NdFeB-Magnete) .
Aus der Firmenschrift „Dauermagnete - Werkstoffe und Systeme" der Firma IBS Magnet, Ing. K.H. Schroeter, Berlin sind die Zusammensetzung und mögliche Abmessungen von NdFeB-Magneten bekannt . Diese bekannten Permanentmagneten haben jedoch den Nachteil, dass sie eine hohe Affinität zu Sauerstoff und Wasserstoff besitzen. Bei Umgebungsbedingungen mit hoher
Luftfeuchtigkeit neigen NdFeB-Magnete zu starker Korrosionsbildung. Bei diesen Oxydationsreaktionen wird u.a. Wasserstoff freigesetzt, der seinerseits mit den NdFeB-Metallen reagiert . Die Reaktion der NdFeB-Metalle mit Sauerstoff und/oder Wasserstoff führt bereits bei normalen Umgebungsbedingungen zu einer Zerstörung der Permanentmagnete bzw. zur deutlichen Abschwächung des bereitgestellten Permanentmagnet- feldes.
Aus der Firmenschrift „Magnete" der Firma Thyssen Magnet- und Komponententechnik GmbH, Dortmund ist es für Neodym-Eisen- Bor-Magnete bekannt, die Oberflächen der Permanentmagnete zur Verhinderung der unerwünschten chemischen Reaktionen mit geeigneten Schutzschichten zu versehen. Als Oberflächenschutz werden Metallüberzüge auf Zinn-, Zink- und Nickelbasis eingesetzt. Ebenso können die Permanentmagnete mit einem speziellen Lack oder mit Kunststoffbeschichtungen eingekapselt werden.
Das Beschichten der NdFeB-Magnete bietet allerdings nur für einen begrenzten Zeitraum einen Schutz vor chemischen Reaktionen des Magnetmaterials mit den Gasen der Umgebung. Unter normalen Einsatzbedingungen können die genannten Schutzschichten die Permanentmagneten nur für etwa fünf Jahre vor Korrosionserscheinungen schützen. Bei aggressiven Umgebungsbedingungen verkürzt sich dieser Zeitraum weiter. Es ist daher verständlich, dass die Hersteller von NdFeB-Magneten die magnetischen Eigenschaften nur für einen begrenzten Zeitraum garantieren. Sofern die Betriebssicherheit von elektrischen Motoren, in denen solche Permanentmagnete eingesetzt werden, von entscheidender Bedeutung ist, müssen diese elektrischen Motoren nach Ablauf der garantierten Betriebszeiten der Permanentmagnete ausgetauscht bzw. aufwändig gewartet werden. Gerade bei leistungsstarken Motoren entstehen dadurch hohe Wartungskosten. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen elektrischen Motor bereitzustellen, in welchem NdFeB- Magnete eingesetzt werden können, wobei die Betriebsdauer über einen wesentlich längeren Zeitraum sichergestellt sein soll. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Korrosionsneigung solcher Permanentmagnete durch geeignete Schutzmaßnahmen drastisch zu reduzieren.
Diese und weitere Aufgaben werden durch die erfindungsgemäße elektrische Maschine gelöst, bei welcher die Permanentmagnete in einem schutzgasgefüllten Hohlraum angeordnet sind.
Untersuchungen haben gezeigt, dass das Eindringen von Wasserstoff und/oder Sauerstoff in NdFeB-Permanentmagnete verhin- dert oder zumindest stark verlangsamt werden kann, wenn diese Magnete in einer Schutzgasatmosphäre angeordnet werden. Die dadurch um die Permanentmagnete ausgebildete Schutzgasschicht bewirkt, dass die Wasserstoff- oder Sauerstoffmoleküle erst durch diese Schutzgasschicht diffundieren müssen, bevor sie die Möglichkeit des Eindringens in das NdFeB-Material und der nachfolgenden Reaktion mit diesem haben. Die bislang nicht zu vermeidende Korrosion der Permanentmagnete kann durch diese Maßnahme stark verzögert bzw. weitgehend unterbunden werden.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung betrifft einen rotatorischen Synchronmotor, bei welchem die Permanentmagnete am Rotor angeordnet sind, wobei der gesamte Rotor innerhalb des schutzgasgefüllten Hohlraums positioniert ist. Auf diese Weise muss kein gesonderter Schutzgashohlraum allein um die Permanentmagnete gelegt werden. Der gewöhnliche Aufbau des Synchronmotors kann somit beibehalten werden. Insbesondere ist auf diese Weise sichergestellt, dass keine zusätzlichen Abstände oder Hohlraumwandungen im Luftspalt zwischen den am Rotor befestigten Permanentmagneten und der elektrischen Wicklung des Stators erforderlich sind.
Gemäß besonderen Ausfuhrungsformen kann der Synchronmotor sowohl einen als Innenläufer gestalteten Rotor als auch einen als Außenläufer gestalteten Rotor besitzen. Vorzugsweise wird der schutzgasgefüllte Hohlraum durch Teile des Stators und Teile des Motorgehäuses gebildet . Bei abgewandelten Ausführungsformen ist der als Außenläufer gestaltete Rotor selbst Teil des schutzgasgefüllten Hohlraums. In jedem Fall ist sicherzustellen, dass geeignete Dichtungen am Motorgehäuse und an der Motorwelle bzw. der Drehachse des Motors vorgesehen sind, um eine gasdichte Ausgestaltung des schutzgasgefüllten Hohlraums zu ermöglichen. Diese Gasabdichtung kann unter Verwendung herkömmlicher Konstruktionselemente erfolgen, beispielsweise durch die Anbringung von Wellendichtrin- gen und die Verwendung von gasdichten Schmierstoffen in den Drehlagern.
Bei einer abgewandelten Ausfuhrungsform ist die elektrische
Maschine als Linearmotor ausgebildet, wobei Stator und Rotor durch eine Aktiveinheit und eine Passiveinheit gebildet. Bekannterweise arbeiten Linearmotoren nach vergleichbaren elektromagnetischen Prinzipien wie Rotationsmotoren. Die Besonderheiten, die beim Aufbau und der Ansteuerung eines Linearmotors berücksichtigt werden müssen, spielen für die vorliegende Erfindung keine Rolle, so dass der generelle Aufbau des Linearmotors an dieser Stelle nicht beschrieben wird. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, dass bei Linearmoto- ren sowohl die Aktiveinheit als auch die Passiveinheit als
Läufer ausgebildet sein können, während die jeweils andere Einheit den Stator bildet. Bei sogenannten Reluktanz-Linearmotoren sind die Permanentmagnete und der schutzgasgefüllte Hohlraum in der Aktiveinheit angeordnet sind. Die Implementierung der vorliegenden Erfindung in der Aktiveinheit eines Linearmotors bereitet teilweise sogar geringere Schwierigkeiten als die Realisierung bei einem Rotationsmotor, da die Schwierigkeiten der Abdichtung von rotierenden Teilen entfallen.
Vorzugsweise wird der schutzgasgefüllte Hohlraum bei solchen Linearmotoren durch das Gehäuse der Aktiveinheit gebildet. Ein derartiges Gehäuse lässt sich leicht abdichten. Durch die Schutzgasbefüllung kann beispielsweise das Vergießen der Hohlräume der Aktiveinheit mit Kunstharzen entfallen, so dass die Reparatur und Wartung solcher Aktiveinheiten vereinfacht bzw. erstmals ermöglicht wird. Sofern die elektrischen Spulen und die Permanentmagnete z.B. mit Kunstharz vergossen sind, ist normalerweise eine Reparatur nicht möglich, so dass im Fehlerfall die gesamte Aktiveinheit ersetzt werden muss.
Bei sogenannten Wechselstrom-Synchron-Linearmotoren enthält die Aktiveinheit ebenfalls die elektrische Wicklungen. Die Permanentmagneten, die durch das Schutzgas geschützt werden sollen, sind jedoch in diesem Fall in der Passiveinheit positioniert. Je nach Ausfuhrungsform kann die Passiveinheit ortsfest oder beweglich gestaltet sein. Die auf der Lauffläche der Passiveinheit positionierten Permanentmagnete werden beispielsweise von einem zweiteiligen Faltenbalg eingekapselt, in welchen die Aktiveinheit gasdicht eingesetzt ist. Der Faltenbalg bildet dann den schutzgasgefüllten Hohlraum und ist gasdicht zu gestalten, damit das Schutzgas nicht entweicht. Auf diese Weise ist es möglich, die zum Teil großen Laufflächen der Passiveinheit vollständig in das Schutzgas einzukapseln, so dass es nicht zur Korrosion der Seltenerden-Magnet kommen kann.
Die Erfindung kann gemäß einer abgewandelten Ausfuhrungsform auch bei anderen elektrischen Maschinen, beispielsweise Generatoren eingesetzt werden.
Die Erfindung wird jedoch vorzugsweise bei elektrischen Motoren eingesetzt, in denen Seltenerden-Magnete, insbesondere Nedoym-Eisen-Bor-Magnete (NdFeB-Magnete) verwendet werden. Bei anderen Permanentmagneten ist die Korrosionsneigung wesentlich geringer, so dass die Erfindung zwar keine Nachteile mit sich bringt, jedoch zur Verlängerung der Betriebsfähigkeit anderer Permanentmagnete nur in wenigen Fällen erforderlich sein wird. Die Erfindung kann jedoch auch bei anderen Permanentmagneten sinnvoll sein, wenn die elektrischen Motoren beispielsweise in einer aggressiven Atmosphäre betrieben werden, in welcher auch robustere Permanentmagnete in unerwünschter Weise mit den auftretenden Gasen reagieren würden.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn in den Hohlraum ein Schutzgas mit einem Überdruck von etwa 1,001 bar bis 5 bar über dem angrenzenden Atmosphärendruck eingefüllt ist. Durch diesen relativ geringen Überdruck im schutzgasgefüllten Hohlraum ist sichergestellt, dass keine Gase aus der Atmosphäre in den Hohlraum eindringen. Selbst bei auftretenden geringen Leckstellen könnte die Schutzgasatmosphäre im Hohlraum über einen bestimmten Zeitraum aufrecht erhalten werden. Als Schutzgas werden vorzugsweise Stickstoff, Kohlendioxyd, Edelgase oder entsprechende Gasgemische in den Hohlraum eingefüllt. Bei einer abgewandelten Ausführungsform besitzt der schutzgasgefüllte Hohlraum ein Füll-/Nachfüllventil, über welches das Schutzgas ggf. bei der Herstellung und auch im Rahmen späterer Wartungsarbeiten eingefüllt werden kann.
Außerdem kann es vorteilhaft sein, wenn die erfindungsgemäße elektrische Maschine einen Drucksensor umfasst, der den Druck im schutzgasgefüllten Hohlraum überwacht. Sobald der Druck im Hohlraum unter einen Grenzwert abfällt, kann vom Drucksensor ein Alarmsignal ausgelöst werden, um geeignete Gegenmaßnahmen zu ergreifen. Eine solche Maßnahme kann darin bestehen, dass automatisch aus einem externen Schutzgasvorratsbehälter Schutzgas in den Hohlraum nachgespeist wird.
Sofern die elektrische Maschine unter wechselnden Umgebungsbedingungen eingesetzt wird, oder auch um Druckunterschiede im schutzgasgefüllten Hohlraum auszugleichen, die beispielsweise bei einer betriebsbedingten Erwärmung entstehen können, besitzt eine weitergebildete Ausfuhrungsform einen Druckaus- gleichsbehälter, der mit dem schutzgasgefüllten Hohlraum gekoppelt ist und in einem vorgegebenen Bereich einen Druckausgleich ermöglicht.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 eine vereinfachte Schnit ansieht eines elektrischen Synchronmotors mit einer einseitig gelagerten Motorwelle; Fig. 2 eine vereinfachte Schnittansicht einer abgewandelten Ausfuhrungsform des elektrischen Synchronmotors mit einer beidseitig gelagerten Motorwelle;
Fig. 3 eine vereinfachte Schnittansicht einer abgewandelten Ausfuhrungsform des in Fig. 2 gezeigten Synchronmotors mit einem Druckausgleichsbehälter, einem Drucksensor und einem Schutzgasvorratsbehälter;
Fig. 4 eine vereinfachte Schnittansicht einer abgewandelten Ausführungsform des elektrischen Synchronmotors, bei welchem der Rotor als Außenläufer gestaltet ist.
Fig. 1 zeigt eine vereinfachte Schnittansieht einer ersten Ausfuhrungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine. Bei der dargestellten Ausfuhrungsform handelt es sich um einen rotatorischen elektrischen Synchronmotor 1, der einen Stator 2, ein Motorgehäuse 3 und einen Rotor 4 besitzt. Am Stator 2 sind mehrere elektrische Wicklungen 5 zur Erzeugung eines veränderlichen Magnetfeldes (Drehfeld) angebracht. Für die hier beschriebene Erfindung ist es ohne Bedeutung, ob der Motor als Einphasen-Motor oder Mehrphasen-Motor ausgebildet ist.
Am Rotor 4 sind Permanentmagneten 6 befestigt, die der Erzeugung eines Permanentmagnetfeldes zur Bereitstellung einer permanenten Erregung dienen. Die Permanentmagneten bestehen vorzugsweise aus einem NdFeB-Material, wie es zur Herstellung besonders leistungsstarker Permanentmagneten bekannt ist. Der Rotor 4 ist auf einer zentralen Motorwelle 7 befestigt. Bei der dargestellten Ausfuhrungsform ist die Motorwelle 7 nur auf einer Seite in einem Kugellager 8 gelagert, welches im Motorgehäuse 3 befestigt ist. Die andere Seite der Motorwelle ist frei, d.h. „fliegend" gelagert.
Die einzelnen Teile des Motorgehäuses 3 sind so mit den äußeren Abschnitten des Stators 2 verbunden, dass ein Hohlraum 9 ausgebildet wird, der mit einem Schutzgas 10 gefüllt werden kann. Der schutzgasgefüllte Hohlraum 9 ist gasdicht abge- schlössen, so dass das eingefüllte Schutzgas 10 nicht entweichen kann. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass sich die am Rotor befestigten Permanentmagnete 6 ständig in der Schutzgasatmosphäre befinden (also auch während der Rotation) , wodurch eine Korrosion der Permanentmagnete weitgehend vermieden bzw. stark verzögert wird.
Um den Hohlraum gasdicht zu gestalten, sind verschiedene Dichtungselemente vorgesehen, die in der Fig. 1 nur beispielhaft gekennzeichnet sind. Die Abdichtung hat beispielsweise an den Stoßflächen zwischen dem Stator 2 und dem Motorgehäuse
3 zu erfolgen. Dazu werden beispielsweise Dichtungsflächen 11 ausgebildet, die durch einfache Flächenpressung, eingelegte Dichtungsringe oder andere Flächendichtelemente ausgebildet sind.
Die erforderliche Abdichtung zwischen der Motorwelle 7 und dem Lager 8 erfolgt bei der dargestellten Ausfuhrungsform durch Wellendichtringe 12. Ein ggf. im Lager 8 verbleibender Freiraum kann beispielsweise durch eine schmierfähige Lager- paste (Lagerfett) ausgefüllt werden. Dem Fachmann sind geeignete Maßnahmen zur Abdichtung von Kugellagern oder dergleichen bekannt . Eine weitere Abdichtung hat an einer Kabeldurchführung 13 zu erfolgen, wobei z.B. PG-Verschraubungen und Dichtungsmassen eingesetzt werden können. Generell ist der schutzgasgefüllte Hohlraum 9 an sämtlichen Stellen gasdicht auszulegen, so dass das Schutzgas 10 mit einem geringen Überdruck gegenüber der umgebenden Atmosphäre in den Hohlraum 9 eingefüllt werden kann. Überdruckwerte von etwa 1,001 bar bis 5 bar haben sich als ausreichend erwiesen.
Sobald der Hohlraum 9 abgedichtet wurde, kann das Schutzgas über ein Füllventil 14 eingefüllt werden, welches an einer geeigneten Stelle des Motorgehäuses angebracht ist und ggf. als dauerhaft funktionsfähiges Nachfüllventil ausgelegt ist. Unter Umständen ist aber auch eine einmalige Befüllung und anschließende Versiegelung des Hohlraums ausreichend. Damit befinden sich die Permanentmagnete 6 in einer Schutzgasatmosphäre, durch welche die unerwünschte Korrosion vermieden wird.
Fig. 2 zeigt eine Schnittansieht einer abgewandelten Ausführungsform des Synchronmotors 1. Der konstruktive Unterschied zu der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform besteht hauptsächlich darin, dass die Motorwelle 7 beidseitig in Lagern 8 gelagert ist, die im Motorgehäuse 3 befestigt sind. Auch bei der in Fig. 2 dargestellten Ausfuhrungsform wird der schutzgasgefüllte Hohlraum 9 durch das Motorgehäuse 3 und den Stator 2 gebildet.
Fig. 3 zeigt eine vereinfachte Schnittansicht einer nochmals weitergebildeten Ausfuhrungsform des Synchronmotors 1. Die hier dargestellte Ausfuhrungsform entspricht weitgehend dem in Fig. 2 gezeigten Synchronmotor mit der in zwei Lagern 8 gelagerten Motorwelle 7. Beim Betrieb von leistungsstarken Synchronmotoren entsteht bekanntlich Verlustwärme, die den Stator 2 und den Rotor 4 teilweise erheblich erwärmt. Eine betriebsbedingte Erwärmung oder eine starke Temperaturveränderung in der Umgebung haben jedoch zur Folge, dass sich das im Hohlraum 9 befindliche Schutzgas 10 ausdehnt und somit eine Druckerhöhung im Hohlraum 9 zur Folge hat. Um dieser Druckerhöhung entgegenzuwirken ist bei der in Fig. 3 dargestellten Ausfuhrungsform ein Druckausgleichsbehälter 15 angeordnet, der mit dem Hohlraum 9 kommuniziert. Auf diese Weise kann der Druck im Hohlraum 9 zumindest über einen bestimmten Temperaturbereich relativ konstant gehalten werden.
Weiterhin besitzt die in Fig. 3 dargestellte Ausfuhrungsform einen Schutzgasvorratsbehälter 16, der ebenfalls an den Hohl- räum 9 angeschlossen ist, vorzugsweise über ein manuell oder automatisch zu betätigendes Ventil (nicht dargestellt) . Wenn die gewünschte Schutzgasmenge im Hohlraum 9 ggf. über einen längeren Zeitraum durch Gasverluste reduziert wird, kann aus dem Schutzgasvorratsbehälter 16 eine gewünschte Menge von Schutzgas 10 nachgespeist werden. Zur Überwachung des Drucks im Hohlraum 9 ist außerdem ein Drucksensor 17 angeordnet. Der Drucksensor 17 kann als einfaches Manometer gestaltet sein, um dem Bedien- und Wartungspersonal lediglich den im Hohlraum 9 herrschenden Druck anzuzeigen. Der Drucksensor 17 kann aber auch ein Messsignal an eine Auswerteschaltung (nicht dargestellt) liefern, um beispielsweise bei einem Druckabfall ein Alarmsignal auszulösen oder eine automatische Nachspeisung von Schutzgas aus dem Schutzgasvorratsbehälter 16 zu aktivieren. Eine nochmals abgewandelte Ausführungsform des Synchronmotors 1 ist in einer vereinfachten Schnittansieht in Fig. 4 dargestellt. Der wesentliche Unterschied zu den o.g. Ausführungsformen besteht in der konstruktiven Gestaltung des Rotors 4, der in diesem Fall als sogenannter Außenläufer gestaltet ist. Der Rotor rotiert bei dieser Bauform um die feststehende elektrische Wicklung 5, die innerhalb des Rotors 4 angeordnet ist. Die Permanentmagnete 6 sind daher auf der Innenseite des Rotors befestigt. Der Hohlraum 9 wird durch die außenliegen- den Abschnitte des Stators 2 gebildet. Die Motorwelle ist bei dieser Ausführungsform durch eine Drehachse 18 ersetzt.
Wie bereits in der Beschreibungseinleitung erwähnt wurde, sind weitere Abwandlungen der elektrischen Maschine möglich. Erfindungsgemäß kommt es darauf an, dass die Permanentmagnete in einer Schutzgasatmosphäre angeordnet sind. Dieses erfinderische Grundprinzip kann auch bei beliebigen anderen Motoren, die Permanentmagnete zur Erzeugung des Erregerfeldes nutzen, angewendet werden.
Bezugszeichenliste
1 Synchronmotor
2 Stator 3 Motorgehäuse
4 Rotor
5 elektrische Wicklung
6 Permanentmagnete
7 Motorwelle 8 Lager
9 Hohlraum
10 Schutzgas
11 Dichtungsflächen
12 Wellendichtringe 13 Kabeldurchführung
14 Füll-/Nachfüllventil
15 Druckausgleichbehälter
16 Schutzgasvorratsbehälter
17 Drucksensor 18 Drehachse

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Maschine mit einem Gehäuse (3), einem Stator (2) , einem Rotor (4) , elektrischen Wicklungen (5) zur Erzeugung eines veränderlichen Magnetfeldes und Permanentmagneten (6) zur Erzeugung eines Permanentmagnetfeldes, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (6) in einem schutzgasgefüllten Hohlraum (9) angeordnet sind.
2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen rotatorischen Synchronmotor (1) handelt, dass die Permanentmagnete (6) am Rotor (4) angeordnet sind, und dass der Rotor (4) innerhalb des schutzgasgefüllten Hohlraums (9) angeordnet ist.
3. Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (6) an der Außenfläche des Rotors (4) befestigt sind, und dass der Rotor an eine zentrale Motorwelle (7) gekoppelt und als Innenläufer ausgebildet ist.
4. Elektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der schutzgasgefüllte Hohlraum (9) durch den Stator (2) und Teile des Motorgehäuses (3) gebildet ist.
5. Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (6) an der Innenseite des Rotors (4) befestigt sind, und dass der Rotor (4) an eine Drehachse (18) gekoppelt ist und als Außenläufer ausgebil- det ist.
6. Elektrische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der schutzgasgefüllte Hohlraum (9 durch Teile des Motorgehäuses (3), des Rotors (4) und des Stators (2) gebildet ist.
7. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorwelle (7) bzw. die Drehachse (18) in mindestens einem Lager (8) gelagert ist, welches im Motorgehäuse (3) befestigt und gasdicht ausge- bildet ist.
8. Elektrische Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasabdichtung an Motorwelle (7) bzw. Drehachse (18) durch Wellendichtringe (12) und/oder Schmier- Stoffe im Lager (8) erfolgt.
9. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen Linearmotor handelt, wobei Stator und Rotor durch eine Aktiveinheit und eine Passiv- einheit gebildet sind, wobei die Permanentmagnete und der schutzgasgefüllte Hohlraum in der Aktiveinheit angeordnet sind.
10. Elektrische Maschine nach Anspruch 9, dadurch gekenn- zeichnet, dass der schutzgasgefüllte Hohlraum durch das
Gehäuse der Aktiveinheit gebildet ist.
11. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen Wechselstrom- Synchron-Linearmotor handelt, wobei Stator und Rotor durch eine Aktiveinheit und eine Passiveinheit gebildet sind, wobei die Aktiveinheit die elektrischen Wicklungen zur Erzeugung des veränderlichen Magnetfeldes enthält, wobei die Passiveinheit die Permanentmagneten enthält, und wobei der schutzgasgefüllte Hohlraum durch eine die Passiveinheit überdeckende Abdeckung gebildet ist.
12. Elektrische Maschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung durch einen flexiblen Faltenbalg gebildet ist, in welchen die Aktiveinheit eingesetzt ist.
13. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen permanentmagneterregten Generator handelt .
14. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (6) sogenannte Seltenerden-Magnete sind.
15. Elektrische Maschine nach Anspruch 14, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Permanentmagnete sogenannte Neodym- Eisen-Bor-Magente (NdFeB-Magnete) sind.
16. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in den Hohlraum (9) ein Schutzgas (10) mit einem Überdruck von 1,001 bis 5 bar über dem angrenzenden Atmosphärendruck eingefüllt ist.
17. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass als Schutzgas (10) Stickstoff, Kohlendioxid, ein Edelgas oder ein Gemisch aus diesen in den Hohlraum (9) eingefüllt ist.
18. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass in den schutzgasgefüllten Hohlraum (9) ein Nachfüllventil (14) mündet.
19. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin einen Drucksensor (17) umfasst, der den Druck im schutzgasgefüllten Hohlraum (9) überwacht.
20. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der schutzgasgefüllte Hohlraum (9) mit einem Druckausgleichbehälter (15) gekoppelt ist.
21. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der schutzgasgefüllte Hohlraum (9) mit einem externen Schutzgasvorratsbehälter (16) verbunden ist, aus welchem bei einem Druckabfall im Hohlraum (9) in diesen Schutzgas (10) nachgespeist wird.
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