Permanenterregte Elektromotoren sind seit langer Zeit in den verschiedensten Bauformen bekannt. Verschiedene Bauformen für permanenterregte elektrische Motoren beschreibt z. B. der Auf- satz in der Siemens-Zeitschrift 49,1975, Heft 6, Seiten 368 bis 374. Die seinerzeit erreichbaren Leistungen reichten bis 500 kW. Lange Zeit war dies die Leistungsgrenze permanenter- regter elektrischer Maschinen, erst in jüngerer Zeit wurden auch größere Maschinen bis z. B. 30 MW entwickelt. Für derar- tige Maschinen, die eine erhebliche Investition darstellen, wird eine große Lebensdauer bei hoher Verfügbarkeit gefor- dert, damit die Investitionskosten gerechtfertigt sind.

Schiffe haben im allgemeinen eine Lebensdauer von 25 bis 30 Jahren, für ihre Antriebe wird daher die gleiche Lebensdauer gefordert. Eine derartige Lebensdauer konnte bisher für große permanenterregte elektrische Motoren nicht zugesichert wer- den. Es ist Aufgabe der Erfindung, ein System anzugeben, mit dem eine derartig hohe Lebensdauer vom großen permanenterreg- ten elektrischen Motoren sicher erreicht wird.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Elektromotor lang- zeitig zuverlässig arbeitend ausgebildet und insbesondere ge- gen eine gänzliche oder teilweise Entmagnetisierung geschützt ausgebildet ist, wobei dies durch sich ergänzende konstrukti- ve und betriebstechnische, z. B. schaltungs-und regeltechni- sche Maßnahmen, in Bezug auf den Motor und den Stromrichter, erreicht wird. Die Lebensdauer der Permanentmagnete ist für die Lebensdauer eines nach den konstruktiven Regeln für eine lange Lebensdauer ausgelegten das wesentliche Kriterium. Ein mit Permanenterregung arbeitendes Antriebssystem für Schiffe oder für andere elektrische betriebene Großanlagen-auch ein Schiff kann als industrielle Anlage betrachtet werden-wird also in Bezug auf seine Lebensdauer entscheidend durch die Lebensdauer der magnetischen Komponenten bestimmt. Eine Ent- magnetisierung kann z. B. durch Überwärmung oder durch zu gro- ße innere Magnetfelder auftreten. Außerdem kann an den Magne- ten Korrosion auftreten, auch eine Demagnetisierung durch A1- terung ist möglich. Auch eine Wanderung o. a. der Magnete auf dem Läufer des Elektromotors ist möglich, z. B. bei auftreten- den hohen Umfangsbeschleunigungen im Störfall. Das erfin- dungsgemäße Antriebssystem trägt in bisher neuer Weise den vorstehend geschilderten, die Lebensdauer herabsetzenden Fak- toren Rechnung.

Überlegungen zur Demagnetisierung von permanentmagnetisch er- regten elektrischen Motoren finden sich auch in der Diplomar- beit von Ville Nahkuri, Titel"Large Power Permanent Magnet Propulsion Motors", 24.02.1998, Helsinki University of Tech- nology, Fakultry Electric and Communications Engineering. Die Diplomarbeit zeigt, daß die Temperaturen innerhalb des Elekt- romotors unter den kritischen Werten liegen, daß aber das magnetische Feld bei Fehlfunktionen des elektrischen Systems eine Gefahr für die Dauermagnete bilden kann. Eine Lösung für

diese Problematik, die nicht ohne Betrachtung der übrigen Systemkomponenten erreicht werden kann, zeigt die Diplomar- beit nicht auf.

In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das An- triebssystem Permanentmagnete aus einer magnetisch alterungs- beständigen Magnetlegierung, z. B. auf der Basis von gesinter- tem und wärmebehandeltem Neodym-Eisen-Bor aufweist, die ins- besondere formschlüssig an dem Läufer des Elektromotors be- festigt sind. Entsprechende Magnetlegierungen sind aus klei- nen elektrischen Antrieben, z. B. für Stellantriebe, seit ei- niger Zeit bekannt. Ihr Dauerverhalten ist hinreichend prak- tisch und theoretisch untersucht. Aus den Untersuchungen er- gibt sich eine Lebensdauer, die bei bestimmungsgemäßen Gebrauch die geforderte Zeit von 25 bis 30 Jahren deutlich übersteigt. Voraussetzung ist eine konstante Lage der Magne- te. Sie dürfen nicht wandern.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Elektromotor ohne Kühlung durch ein Kühlmittel mit Rück- kühlung ausgebildet ist und insbesondere bei Einsatz als Ru- derpropellermotor in einer Motorgondel eine Außenwandkühlung aufweist. Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung wird die größtmögliche Sicherheit in Bezug auf eine Überwärmung er- reicht. Wenn kein Kühlmittelumlaufssystem vorhanden ist, kann es auch nicht ausfallen. Eine Außenwandkühlung arbeitet unter allen Umständen zufriedenstellend, insbesondere für einen Schiffsgondelantrieb. Wenn das Schiff in Fahrt ist, wird die Kühlung durch die Bewegung des Antriebs durch das Wasser ge- sichert. Die Kühlwirkung steigt mit der Fahrtgeschwindigkeit, d. h. mit der im Antrieb verbrauchten Energie. Dabei ergibt sich automatisch eine Kühlung, die leistungsabhängig rea- giert.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Magnetkreisauslegung des Antriebssystems derart ist, daß im Bemessungspunkt eine selbsttätige Begrenzung eines Kurz- schlußstroms auf unkritische Werte erfolgt. Ein Kurzschluß- strom-z. B. bei einem Klemmenkurzschluß als Ursache-ergibt sich bei einem typischen Anwendungsfall mit dem 1,7-fachen des Nennstroms. Dieser Wert ist unkritisch, da z. B. von dem erfindungsgemäßen Magnetsystem der 2,2-fache Strom ertragen wird, ohne daß das von dem Überstrom erzeugte Magnetfeld die Dauermagnete schädigt. In Zusammenwirken mit einer Strombe- grenzung im Stromrichter, z. B. auf 110 % bis 120 % des Ausle- gungsstroms, dies ist parametrierbar, ergibt sich eine zuver- lässige Begrenzung des durch den Motor fließenden Stroms an allen Stellen auf unkritische Werte. Hierzu ist vorgesehen, daß der Stromrichter für seine einzelnen Zweige ein Höchst- strombegrenzung aufweist, die parametrierbar ist, z. B. auf einen Wert, der zuverlässig eine Entmagnetisierung durch Ü- berstrom verhindert. Dadurch, daß auch die einzelnen Zweige des Stromrichters und nicht nur dieser als Einheit in die Ü- berwachung einbezogen ist, wird auch für unwahrscheinliche Fälle eine Begrenzung des im Motor fließenden Stroms an allen Stellen auf unkritische Werte erreicht.

Von besonderem Vorteil ist dabei die Verwendung von Strom- begrenzern, die aufgrund eines physikalischen Effekts sehr schnell, z. B. in weniger als einer Millisekunde abschalten, z. B. HTSL-Strombegrenzern. HTSL (Hochtemperatursuperleitungs)- Strombegrenzer arbeiten bei ca. 77 K, d. h. mit Kühlung durch flüssigen Stickstoff. Bei überschreiten der kritischen Strom- dichte ergibt sich unmittelbar ein relativ großer endlicher Widerstand, d. h., es erfolgt eine Primärabschaltung. Kurze Zeit später ist dann eine Sekundärabschaltung, z. B. durch ei- nen Leistungsschalter, erforderlich.

Entsprechende Strombegrenzer wurden bereits in der Öffent- lichkeit vorgestellt, z. B. durch die Anmelderin in 1 MVA- Größe. Als Schaltelement wirkt eine YBCO-Schicht eines kera- mischen Plattenleiters.

Die Begrenzung ist in spezifischer Form bei den unterschied- lichen, je nach Ausführung des Stromrichters verwendeten Leistungshalbleitern, so z. B. bei GTOs, bei IGBTs oder Thy- ristoren möglich. Die entsprechenden Leistungshalbleiter wer- den vorteilhaft auch einzeln überwacht, um durchkontaktierte Halbleiter sofort zu detektieren, damit sie ausgewechselt werden können. Auch das nie völlig auszuschließende Durchkon- taktieren der eingesetzten Leistungshalbleiter kann daher dem Magnetsystem nicht schaden.

Zur Überwachung des Antriebssystems ist weiterhin vorgesehen, daß das System Meßeinrichtungen zwischen dem Stromrichter und dem Elektromotor, sowie zwischen dem Stromrichter und dem Transformator sowohl insgesamt als auch für einzelne Leis- tungszweige aufweist. So können Fehler im Stromrichter schnell erkannt und behoben werden. Zur Erkennung sind ent- sprechende, bekannte Meßeinrichtungen vorgesehen.

Von besonderer Bedeutung sind Stromgrenzen in Abhängigkeit von der Motordrehzahl. So wird der Tatsache Rechnung getra- gen, daß das innere Magnetfeld von der Motordrehzahl abhängt.

Als weitere Sicherheitsmaßnahmen weist das System eine Erd- schluß-Anzeige und-Schutzeinrichtung, für Schiffe in Äquiva- lenz, eine Leitungsbruch-Überwachungseinrichtung, eine Pha- sensymmetrie-Überwachungseinrichtung sowie weitere Überwa- chungs-und Schutzschaltungskomponenten auf, insbesondere für Überströme und Überwärme. So kann allen denkbaren Fehlern im

Gesamtsystem, die zu einer Überwärmung des Motors führen könnten, Rechnung getragen werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das erfindungsgemäße System ein Mehrfach-Wicklungssystem im Motor mit zwei jeweils in die Wicklungen speisenden Strom- richtern aufweist, bzw. daß mit zwei elektrischen Antriebsmo- toren mit jeweils einem Stromrichter gearbeitet wird, wobei jeweils drei Stränge des Stromrichters zu einem Drehstromsy- stem zusammengeschaltet werden. So ergeben sich insgesamt kleinere Untereinheiten, die jeweils einzeln überwacht und abgeschaltet werden können. Auch hierdurch wird sicherge- stellt, daß im Antriebsmotor keine schädlichen Überströme auftreten.

Es ist dabei auch eine Ferndiagnoseeinrichtung vorgesehen, die insbesondere das Schiffsbetriebssystem und den Stromrich- ter mit seinen Komponenten erfaßt. Eine derartige Ferndia- gnoseeinrichtung, die z. B. für Schiffe mit einer Satelliten- kommunikation arbeitet, erlaubt es, daß die Fachleute des Herstellers dem Schiffsingenieur mitteilen, welche Komponen- ten er auszutauschen hat bzw. welche Komponenten in Kürze ausfallen könnten. Auch hierdurch wird die Sicherheit gegen Entmagnetisierung und die Betriebssicherheit weiter gestei- gert.

Zur Sicherung der Lebensdauer der Permanentmagnete ist vor- gesehen, daß diese aus einer magnetisch alterungsbeständigen und besonders korrosionsfesten Magnetlegierung, z. B. auf der Basis von gesintertem und wärmebehandeltem Neodym-Cobalt-Kup- fer-Eisen-Bor bestehen, z. B. der Vac-Qualität Vacodynm 677HR.

Darüber hinaus ist vorgesehen, daß die Permanentmagnete dau- erhaltbar beschichtet oder lackiert sind und eine glatte 0-

berfläche aufweisen. Sie besitzen z. B. Quaderform. So ergeben sich nicht nur ein korrosionsfestes Grundmaterial, sondern auch eine korrosionsgeschützte Gesamtausbildung. Ein Materi- al-und damit auch Magnetkraftverlust der Permanentmagnete liegt über die geforderte Lebensdauer bei den im Elektromotor herrschenden Bedingungen nicht vor.

Die Magnetblöcke sind vorteilhaft auf ihrer Unterlage durch Kleben fixiert, insbesondere durch einen vollvernetzten Sili- konkleber in Form eines Einkomponentenklebers. Die Fixierung der Magnetblöcke auf ihrer Unterlage ist zur Montage notwen- dig. Durch die Verwendung eines vollvernetzten Silikonklebers in Form eines Einkomponentenklebers wird dabei vorteilhaft verhindert, daß sich am Übergang Magnet-Polschuh Korrosi- onsnester bilden können.

Zur Überwachung des Elektromotors ist vorgesehen, daß die Ständerwicklungen Temperatursensoren aufweisen, insbesondere Temperatursensoren mit einer Meßauswertung und/oder der Aus- lösung einer Warnfunktion. Es kann dabei auch vorteilhaft vorgesehen werden, daß die Temperatursensoren auf den Rege- lungsteil des Systems aufgeschaltet sind, um eine Überhitzung der Wicklungen und der Magnete mit Sicherheit zu verhindern.

So ergibt sich eine zusätzliche Überwachungsmöglichkeit, die es insbesondere erlaubt, schädlichen Tendenzen in Bezug auf die Erwärmung des Elektromotors entgegenzuwirken.

Die Anziehungskräfte oder einzelnen Magnetblöcke sind sehr hoch. In vorteilhafter Ausgestaltung des Motors ist vorgese- hen, daß der Durchmesser und die betriebliche Höchstdrehzahl des Elektromotors derart bemessen sind, daß auch bei Höchst- drehzahl eine Restkraft zwischen Magnetquader und seiner Auf- lagefläche verbleibt (selbsttätige Magnetdauerhaftung). Zwar

werden die Magnetblöcke auch durch einer Bandage in Verbin- dung mit der geometrischen Ausgestaltung der Polschuhe form- schlüssig und kraftschlüssig auf ihrer Unterlage festgehal- ten, durch eine selbsttätige Magnetdauerhaftung wird diese form-und kraftschlüssige Haftung noch unterstützt. Ohne Be- einträchtigung der Lebensdauer, und auch unter dem Auftreten extremer Kräfte, z. B. im Störungsfall, sind die Magnetquader zuverlässig positioniert. Die Bandage kann sowohl aus faser- verstärktem Kunststoff als auch aus A-magnetischem Material bestehen. Faserverstärkter Kunststoff erlaubt jedoch eine be- sonders dünne Ausführung der Bandage, so daß der Motor mit einem besonders geringen Luftspalt ausgeführt werden kann.

Die Wickelköpfe der Ständerwicklungen sind vorteilhaft ver- gossen ausgeführt und über feste wärmeleitende Brücken mit der Außenwandung verbunden. So wird eine versagenssichere Ausführung erreicht, die einer Zwangsumlaufkühlung mit Rück- kühlung in der Sicherheit weit überlegen ist.

In die gleiche Richtung geht auch die Ausführung des Elektro- motors mit einem öffnungslosen, gekapselten Außengehäuse. So ist sichergestellt, daß keine Fremdkörper von außen in den Elektromotor eindringen oder eingebracht werden können, z. B. bei Reparaturen o. a. Insgesamt ergibt sich eine wartungsfreie Ausführung des Elektromotors in gekapselter Form und höchster Lebensdauer. Auf einen begehbaren Schaft zwischen Schiff und Gondel, wie er für permanenterregte und rückgekühlte Gondel- antriebe bekannt ist, kann daher vorteilhaft verzichtet wer- den. Anläßlich der alle fünf Jahre erfolgenden Eindockung von Schiffen braucht daher keine Motorreparatur zu erfolgen, le- diglich Verschleißteile wie Dichtungen und Lager müssen in- spiziert und ggf. ausgetauscht werden.

Schließlich ist noch vorgesehen, daß zur Erhöhung der Sicher- heit im Motor Magnetfeldsensoren angeordnet sind, die insbe- sondere periodisch oder ereignisgesteuert einschaltbar sind.

Des weiteren ist eine Recheneinheit vorgesehen, die fortlau- fend aus Meßdaten, z. B. von Einzelströmen in dem Elektromo- tor, aus der Motortemperatur, der abgegebenen Leistung und der Drehzahl sowie ggf. weitere kennzeichnende Einflußgrößen, den elektrischen und magnetischen Zustand des Motors ermit- telt und eine Warnung bei Annäherung an kritische Größen ab- gibt, vorzugsweise auch gegensteuernde Maßnahmen einleitet.

So wird vorteilhaft eine dauerhafte erreicht, um, insbesonde- re zur Ferndiagnose, eine laufende Überwachung des Antriebs- motors unter Berücksichtigung der gegenseitigen Beeinflussung der einzelnen Einflußgrößen zu erhalten.

Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert, aus denen ebenso wie aus den Unteransprüchen weitere, auch erfindungswesentliche Einzelheiten entnehmbar sind.

Im einzelnen zeigen : FIG 1,2,3 und 4 die vorgesehenen einzelnen Schaltungen für das System, FIG 5 ein typisches Magnetflußbild für die Perma- nentmagnete, FIG 6 eine Temperaturkurve über die Länge des Läu- fers, FIG 7 den Verlauf der Magnetkraft und FIG 8 den Magnetkraftverlauf eines Neodym-Eisen- Bor-Magnets über die Zeit.

Die Zeichnungen sind in Zusammenhang mit der Lehre der Pa- tentansprüche der in ihnen enthaltenen Detailangaben und der Beschreibung für den Fachmann selbsterklärend.

In den FIG 1 bis 4 sind die üblichen Symbole der Elektrotech- nik für Transformatoren, Stromrichter und elektrische Motoren verwendet. Wie ersichtlich, hat die in FIG 1 gezeigte drei- strängige Maschine mit einem 6-pulsigen Umrichter die kleins- te Zahl von zu überwachenden Phasen und von Halbleistungs- halbleitern. Hier wird daher vorteilhaft eine Einzelüberwa- chung der Phasen-und der Leistungshalbleiter gewählt.

In FIG 2, die das Schaltbild einer 3-strängigen Maschine mit einem 12-pulsigen Stromrichter zeigt, ist die Zahl der Lei- stungszweige im Stromrichter verdoppelt, hier kann die Über- wachung bereits vereinfacht werden, soweit sie den Stromrich- ter betrifft. In FIG 3 kann auch die Überwachung im elektri- schen Motor verringert werden. In der in FIG 4 gezeigten Schaltung einer 6-strängigen Maschine mit zwei 12-pulsigen Stromrichtern ergibt sich die in Bezug auf die Sicherheit op- timierte Ausführung.

Die in FIG 5 gezeigten, idealisiert dargestellten, Magnetver- läufe zeichnen sich besonders durch ihre Symmetrie aus. So können besondere Flußkonzentrationen vermieden werden.

FIG 6 zeigt die Ständertemperatur in Abhängigkeit von der Lange des Elektromotors. Die Läufertemperatur liegt um ca.

10° unter der Ständertemperatur, so daß vorteilhaft auf eine separate Überwachung der Läufertemperatur verzichtet werden kann. Wie sich ergibt, ist die Luftspalttemperatur auf der Erregerseite des Elektromotors am höchsten, hier werden also vorteilhaft die Termoelemente zur Überwachung konzentriert.

Es ist eine einfache und sichere Überwachung der Motortempe- ratur durch dicht konzentrierte Termoelemente auf den Magnet- seite des Elektromotors möglich, wobei die Termoelemente vor- teilhaft fest mit der Ständerwicklung verbunden sind.

FIG 7 zeigt schließlich die Magnetkraft im Leerlauf, bei Nennlast und im Kurzschlußfall. Wie ersichtlich liegt die Magnetkraft in jedem Fall innerhalb des reversiblen Teils des Kennlinienverlaufs, auch für den Kurzschlußfall. Ein Schutz gegen Entmagnetisierung ist also auch am Kurzschlußfall gege- ben.

FIG 8 schließlich zeigt in logarithmischer Darstellung die bei eingehenden Untersuchungen festgestellten irreversiblen Polarisationsverluste bei verschiedenen Koeffizienten B/uOH bei 130 °C. 130 °C liegt erheblich über den aus FIG 6 er- sichtlichen höchsten Temperaturen im erfindungsgemäßen Elekt- romotor, d. h. es besteht in Bezug auf Übertemperatur eine Si- cherheit gegen Entmagnetisierung, die so hoch ist, daß eine Dauerhaltbarkeit der Magnete sogar über die geforderten 25 bis 30 Jahre hinaus angenommen werden kann.

Ausgehend von den verwendeten langjährig erprobten Transfor- matorharzen mit einer dauernden Temperaturbeständigkeit von über 150° (hier liegen bereits ebenfalls über 20-jährige Be- triebserfahrungen vor) über die dauerhafte Magnetkraft bei 130° und der höchstens auftretenden Temperatur von gut 90° in Bereich der Permanentmagnete sowie der sicheren Vermeidung von Überströmen in den Wicklungen des Elektromotors kann die geforderte Lebensdauer von 25 bis 30 Jahren für permanentmag- neterregte Antriebe von Schiffsgondelmotoren gesichert wer- den. Hierzu trägt nicht unerheblich die gekapselte Ausführung mit direkter Außenwandkühlung bei, die ausfallssicher ist.