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Untersuchungen an Magnetmaterialien zum Einsatz in explosionsgeschützten permanentmagneterregten Synchronmaschinen

Kategorien:
  • Metrologie für die Gesellschaft
14.11.2014

Aufgrund des hohen Energieeinsparungspotentials insbesondere im Teillastbereich und der guten Regelbarkeit besteht seitens der Hersteller und auch der Anwender der Wunsch, permanentmagneterregte Synchronmaschinen auch in explosionsgefährdeten Bereichen einzusetzen, wobei für den Einsatz in der Zone 1 wegen der einfacheren mechanischen Ausführbarkeit und aus Kostengründen die Zündschutzart erhöhte Sicherheit [1] bevorzugt wird.

Neben der Betrachtung der Erwärmung im Normalbetrieb und im Störungsfall müssen die im Rotor vorhandenen Magnete einer Betrachtung unterzogen werden, um einen sicheren Betrieb gewährleisten zu können. Hierbei sind die folgenden Punkte zu betrachten:

  • Die sichere Befestigung der Magnete auf bzw. im Rotor
  • Die sichere Befestigung der Magnete auf dem Rotor
  • Das Korrosionsverhalten der Magnete / nötige Korrosionsschutzmaßnahmen

Zurzeit werden diese Fragestellungen im Rahmen eines INS-Projektes Projektes zusammen mit zwei namenhaften Herstellern von PM-Synchronmaschinen wissenschaftlich untersucht, wobei bisher die Schwerpunkte auf der Temperaturbeständigkeit und der Korrosionseigenschaften der NdFeB – Magneten lagen. 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. Das Ergebnis ist in der folgenden Tabelle dargestellt:

 

Foto

F /VS

B / T

%  B

Vor der Lagerung


0,00904

1,16699

100

Nach 7 Tagen


0,00901

1,16312

99,67

Nach 21 Tagen


0,00902

1,16441

99,78

 Tabelle 1: Ergebnis der Korrosionsversuche an NDFeB - Magneten

Die Temperaturabhängigkeit der magnetischen Eigenschaften wurde ebenfalls in einem Klimaschrank untersucht, hierbei jedoch ohne Luftbefeuchtung. Die Magnetproben wurden hierbei insgesamt für 14 Tage bei unterschiedlichen Temperaturen 95 °C, 115 °C, 130 °C und 150 °C gelagert. Zu Beginn der Lagerung, nach 7 Tagen und nach 14 Tagen wurden die magnetischen Eigenschaften der Proben mittels Helmholtz-Spulen [2] gemessen. Bezogen auf     die magnetischen Flussdichten der Proben vor der Lagerung ist gemäß Abbildung 1 ab einer Temperatur von 130 °C eine signifikanten irreversiblen Reduzierung der magnetischen Flussdichte zu beobachten.

 


Abbildung 1: Irreversible Abnahme der magn. Flussdichte in Abh. der
Lagerungstemperatur

 

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. Da mit der abnehmenden Flussdichte der Magnete bei gleichem Drehmoment ein höheren Strombedarf des Motors einhergeht und den Explosionsschutz betreffende höhere Erwärmungen auftreten, wird dieser Punkt Gegenstand zukünftiger, detaillierterer Untersuchungen sein. Bei der Prüfung explosionsgeschützter Maschinen ist daher auch die maximale Magnettemperatur eine wichtige Größe, die erfasst und bewertet werden muss.     

Literatur

[1]   DIN-EN 60079-7, Explosionsfähige Atmosphäre – Teil 7: Geräteschutz durch erhöhte Sicherheit „e“, Ausgabe August 2007

[2]   S.R. Trout, Use of Helmholtz Coils for Magnetic Measurements, IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 24, Nr. 4, Juli 1988, S. 2108-2111.

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