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antriebstechnikk 3/2016

antriebstechnik 3/2016

PM-Synchronmaschine –

PM-Synchronmaschine – hohe Energieeffizienz auch in Ex-Bereichen? 01 Irreversible Abnahme der magnetischen Flussdichte in Abhängigkeit von der Lagerungstemperatur Christian Lehrmann, Nijan Yogal Der permanentmagneterregte Synchronmotor wird aufgrund der gegenüber der Asynchronmaschine höheren Energieeffizienz und der besseren Regel barkeit zukünftig im Bereich der industriellen Antriebstechnik eine immer weitere Verbreitung finden. Vorteilhaft wirkt sich hier auch der Aspekt aus, dass die PM-Synchronmaschine besonders im Teil lastbereich einen signifikant höheren Wirkungsgrad als eine Asynchronmaschine gleicher Bemessungsleistung aufweist. N eben den Vorteilen durch die höhere Energieeffizienz kommen auch Vorteile durch einen im Vergleich zur Asynchronmaschine geringeren Maschinenstrom bei gleicher abgegebener mechanischer Leistung hinzu. Dieses gestattet oftmals die Auswahl eines „kleineren“ und günstigeren Frequenzumrichters. Häufig kann die Motorbaugröße auch eine Baugrößenstufe „kleiner“ ausgewählt werden als bei Verwendung einer Asynchronmaschine, welches auch eine Platzersparnis bedeutet und bedingt durch das geringere Massenträgheitsmoment des Rotors zu zusätzlichen Effizienzsteigerungen speziell bei hochdynamischen Antrieben führt. Die permanentmagneterregte Synchronmaschine zeichnet sich weiterhin dadurch aus, dass der Rotor der Maschine im Bemessungs- Dr.-Ing. Christian Lehrmann ist Mitarbeiter für Explosionsgeschützte elektrische Antriebssysteme bei der Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig Nijan Yogal ist Mitarbeiter für Explosionsgeschützte elektrische Antriebssysteme bei der Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig betrieb mit statorfrequenzsynchroner Drehzahl keine von Strömen mit Grundschwingungsfequenz durchflossenen Teile enthält und somit auch nicht zu der gesamten Grundschwingungsmaschinenverlustleistung beiträgt. Die Wärme- und Verlustquellen sind bei diesem Maschinentyp überwiegend im Stator lokalisiert, was sich zum einen positiv auf die Kühlungseigenschaften oberflächengekühlter Maschinen auswirkt, zum anderen auch einen sicheren Motorschutz über Temperatursensoren in der Statorwicklung ermöglicht. Der sicheren Begrenzung der Maschinentemperatur kommt bei explosionsgeschützten Antrieben eine essentielle Bedeutung zu, insbesondere in der Zündschutzart „Erhöhte Sicherheit“. Aber auch in der Zündschutzart „Druckfeste Kapselung“ muss die Oberflächen temperatur des Gehäuses sicher auf einen Wert unterhalb der Zündtemperatur möglicherweise in der Umgebung auftretender Gase begrenzt sein. [1] und [2] Zur weiteren Untersuchung dieser Fragestellung wurden daher an PM-Synchronmaschinen verschiedener Bemessungsleistungen im Bemessungsbetrieb und im Überlastfall Erwärmungsmessungen durchgeführt, deren Ergebnisse und Bedeutung für den sicheren Betrieb im Folgenden vorgestellt werden sollen: Betrachtungen zum Explosionsschutz Um bei einem Motor der Zündschutzart „Erhöhte Sicherheit“ die Entstehung wirksamer Zündquellen auszuschließen, müssen, wie bei der Asynchronmaschine auch, die Temperaturen in Stator und Rotor [1] und [2] im Normalbetrieb und im Störungsfall bis zum Abschalten der Motorschutzeinrichtung betrachtet werden. Eine weitere Temperaturgrenze stellen dabei auch die maximalen Einsatztemperaturen der Wicklungsisolation, des Klemmenbrettes und aller am Gehäuse eingesetzten Elastomerdichtungen dar. Bei staubexplosionsgeschützten Maschinen (Kategorien 2-D und 3-D) ist hierbei anstelle der Rotortemperatur die Oberflächentemperatur des Gehäuses ein begrenzender Faktor. [3] Neben der IP-Schutzart des Gehäuses, der Ausführung der Wicklung und den auftretenden Erwärmungen müssen bei der PM- Synchronmaschine im Gegensatz zur Asynchronmaschine auch die Rotormagnete einer Betrachtung unterzogen werden. Insbesondere 80 antriebstechnik 3/2016

ELEKTROMOTOREN kommt hierbei bei an der Oberfläche montierten Magneten der über die gesamte Maschinenlebensdauer sicheren Befestigung eine entscheidende Bedeutung zu. Würde sich ein Magnet während des Betriebes lösen und dann im Luftspalt der Maschine zerrieben werden, wäre eine wirksame Zündquelle durch mechanische Reibund Schlagfunken nicht mehr auszuschließen. Eigenschaften der Rotormagnete Neben der mechanischen Befestigung muss aber auch eine thermische Überlastung des Magnetmaterials auch im Störungsfall verhindert werden. Hierdurch kommt es ab einer materialabhängigen Temperaturgrenze zu einer irreversiblen Entmagnetisierung, d. h. zu einer Abnahme der Koerzitivfeldstärke des Magneten. Bei der Auslegung der Maschine sind hierbei auch die durch den Umrichterbetrieb verursachten Oberschwingungsverluste im Magnetmaterial zu berücksichtigen, wobei diese Thematik ausführlich in den Literaturstellen [4] und [5] beschrieben wird und hier daher nicht mehr im Detail aufgegriffen wird. Nun kann für das maximale Drehmoment (Kippmoment) der PM-Synchronmaschine in erster Näherung allgemein geschrieben werden: M kipp =k ∙ Φ ∙ Î Stator Wobei hier der Wert k eine maschinenspezifische Konstante ist und Φ für den durch die Permanentmagnete hervorgerufenen magnetischen Fluss steht. Aus diesem Zusammenhang lässt sich ableiten, dass bei einer Entmagnetisierung der Rotormagnete, also einer Verringerung des magnetischen Flusses, zum Aufbringen eines konstanten Drehmomentes ein höherer Maschinenstrom notwendig wird. Dieses führt dann über die ohmschen Statorwicklungsverluste wiederum zu einer noch höheren Erwärmung welche die Entmagnetisierung weiter beschleunigen würde. Zwar sollte ein korrekt ausgelegter Maschinenschutz diesen Störungsfall erkennen und die Entstehung einer Zündquelle vermeiden, der Motor wäre aber unbrauchbar geworden und der Rotor müsste ausgetauscht oder, wenn möglich, durch den Hersteller wieder aufmagnetisiert werden, um die ursprünglichen Maschineneigenschaften wieder herzustellen. Zum sicheren Betrieb der Maschine in explosionsgefährdeten Bereichen müssen neben den Zündquellen „heiße Oberfläche“ und „elektrische Entladungen“ auch die Zündquelle „mechanische Reib- und Schlagfunken“ betrachtet werden, so dass für die Prüfung und Zertifizierung derartiger Maschinen gemäß Richtlinie 4/9/EG zusätzlich auch die folgenden Punkte betrachtet werden müssen: n die sichere Befestigung der Magnete auf bzw. im Rotor, n das Korrosionsverhalten der Magnete / nötige Korrosionsschutzmaßnahmen und n die Einsatztemperaturgrenze, bis zu der mit keiner irreversiblen Änderung der magnetischen Eigenschaften zu rechnen ist Diese Fragestellungen wurden im Rahmen des vom Bundeswirtschaftsministerium geförderten Programms namens Innovation mit Normen und Standards (INS) in einem Forschungsprojekt zusammen mit den Herstellern VEM Motors GmbH, Wernigerode und Bauer Gear Motor GmbH, Esslingen sowie dem Institut für elektrische Maschinen, Antriebe und Bahnen der Technischen Universität Braunschweig wissenschaftlich untersucht. Hierbei lag einer der Schwerpunkte auf der Temperaturbeständigkeit und der Korrosionseigenschaften der NdFeB – Magneten lagen, einem sehr häufig in PM-Synchronmaschinen eingesetztem Magnetmaterial. Um die bei atmosphärischen Bedingungen sehr langsam ablaufenden Korrosionsprozesse zu beschleunigen, wurden die Magnetproben in einem Klimaschrank bei einer Temperatur von 90 °C und 90 % relativer Luftfeuchte für insgesamt 21 Tage gelagert. Vor der Lagerung, nach 7 Tagen und am Ende nach 21 Tagen wurden die Magnete aus der Prüfkammer entnommen und der Zustand der Magnete (Oberfläche und magnetische Eigenschaften) mit den Referenzwerten vor der Lagerung verglichen. Die magnetischen Eigenschaften wurden im Rahmen der Messunsicherheit nicht durch die Korrosion in Folge der Klimalagerung beeinflusst, Tabelle 1. Die Temperaturabhängigkeit der magnetischen Eigenschaften wurde ebenfalls in einem Klimaschrank untersucht, hierbei jedoch ohne Luftbefeuchtung. Die Magnetproben wurden hierbei insgesamt für 14 Tage bei 95 °C, 115 °C, 130 °C oder 150 °C gelagert. Zu Beginn der Lagerung, nach 7 Tagen und nach 14 Tagen wurden die magnetischen Eigenschaften der Proben mittels Helmholtz-Spulen gemessen. Bezogen auf die magnetischen Flussdichten der Proben vor der Lagerung ist gemäß Bild 01 ab einer Temperatur von 130 °C eine signifikanten irreversiblen Reduzierung der magnetischen Flussdichte zu beobachten. Zusammenfassend betrachtet scheint bei dem hier untersuchten Magnetmaterial die während der Klimalagerung aufgetretene, deutlich sichtbare Korrosion der Magnete noch keinen sichtbaren Einfluss auf die magnetischen Eigenschaften zu haben. Es konnte jedoch beobachtet werden, dass bereits bei einer Temperatur von 130 °C eine irreversible Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften auftritt. Für die Auslegung und den Betrieb der Maschine folgt daraus, dass diese Grenze für die Temperatur an den Magneten nicht überschritten werden darf. Bewertung der Zündquelle „heiße Oberfläche“ Bei den bisher durchgeführten Messungen bestätigte sich erwartungsgemäß, dass bei der permanentmagneterregten Synchronmaschine der weit überwiegende Anteil der Maschinenverluste in den Stromwärmeverlusten der Statorwicklung begründet ist, der Rest setzt sich aus Ummagnetisierungs- und Wirbelstromverlusten im magnetischen Kreis des Stators zusammen. Die ohmschen Verluste der Statorwicklung lassen sich dabei über den Statorwicklungswiderstand und den Statorstrom einfach berechnen und können zusammen mit den Verlusten des magnetischen Kreises über die Wärmeübergangswiderstände innerhalb 02 Gegenüberstellung der Verlustaufteilung der Asynchronmaschine (links) und der PM-Synchronmaschine (rechts) antriebstechnik 3/2016 81

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