Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
DRIVING DEVICE WITH TWO DRIVING MOTORS OF DIFFERENT CAPACITY FOR A VESSEL
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2001/044046
Kind Code:
A1
Abstract:
The aim of the invention is to optimize the energy balance of a driving device for a marine vessel with two very different working ranges for the propeller. To this end, two driving motors (10, 20) which are configured in the form of multiphase alternative current motors with a converter feed are allocated to the drive shaft. Said driving motors differ in their nominal capacity according to a ratio of at least 20:1. Advantageously, the rotors (12, 22) of the two drive motors (10, 20) are mounted together in two bearing arrangements (16, 26) located either side of the rotors.

Inventors:
WENGLER PETER
MEYER CHRISTIAN
SCHUERING INGO
Application Number:
PCT/DE2000/003794
Publication Date:
June 21, 2001
Filing Date:
October 20, 2000
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
SIEMENS AG (DE)
International Classes:
B63G8/08; B63G8/34; B63H23/24; B63H21/17; H02K16/00; (IPC1-7): B63H21/17
Domestic Patent References:
WO1987004303A11987-07-16
Foreign References:
FR2202807A11974-05-10
DE1638854A11971-08-26
US4417878A1983-11-29
DE4432483A11996-03-14
Other References:
HACKMAN THOMAS: "ELECTRIC PROPULSION SYSTEMS FOR SHIPS. A NEW 'POWER PLANT CONCEPT' GIVES A BOOST TO THE MARINE SECTOR", ABB REVIEW, no. 3, June 1992 (1992-06-01), ABB ASEA BROWN BOVERI, ZURICH., CH, pages 3 - 12, XP000304699, ISSN: 1013-3119
MAGENS K: "PERMASYN - EIN PERMANENTERREGTER SYNCHRONMOTOR FUER DEN SCHIFFSBETRIEB. PERMASYN - A PERMANENT-FIELD, CONVERTER-FED MOTOR FOR PROPULSION SYSTEMS", JAHRBUCH DER SCHIFFBAUTECHNISCHEN GESELLSCHAFT., vol. 81, 1987, BERLIN, DE, pages 221 - 227, XP002043270, ISSN: 0374-1222
"BOOSTER DRIVE 'ADDS ANOTHER CYLINDER'", THE MOTOR SHIP., vol. 80, no. 952, November 1999 (1999-11-01), REED BUSINESS INFORMATION LTD, SURREY, GB, pages 25, XP000877915, ISSN: 0027-2000
JAHRBUCH DER SCHIFFBAUTECHNISCHEN GESELLSCHAFT 81, 1987, pages 221 - 227, XP002043270
Prospekt "Electrical Booster Drives" der SiemensAG, Seiten 1-9
JAHRBUCH DER SCHIFFBAUTECHNISCHEN GESELLSCHAFT 81, 1987, pages 229 - 234, XP002043269
Download PDF:
Claims:
Patentansprüche
1. Antriebseinrichtung für ein Schiff, das im wesentlichen zwei Betriebsbereiche für einen über eine Antriebswelle elektromotorisch direkt angetriebenen Propeller aufweist, nämlich einen ersten Betriebsbereich für Propellerdrehzahlen bis etwa 30 % der Nenndrehzahl und einen zweiten Betriebsbereich für die darüber hinaus gehenden Propellerdrehzahlen bis zur Nenndrehzahl, bei der als Antriebsmotor (10) ein mehrsträngiger Wechselstrommotor mit Stromrichterspeisung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Antriebswelle (13,23) ein zweiter, ebenfalls als mehrsträngiger Wechselstrommotor mit Stromrichterspeisung ausgebildeter Elektromotor (20) angeordnet ist und daß die beiden Elektromotoren (10,20) sich in ihrer Nennleistung derart unterscheiden, daß das Leistungsverhältnis größer/gleich 20 : 1 ist.
2. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor (20) kleinerer Leistung als gleichstromerregte Schenkelpolmaschine ausgebildet ist.
3. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor (20) kleinerer Leistung einen permanentmagneterregten Läufer aufweist.
4. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor (10) größerer Leistung als Asynchronmotor ausgebildet ist.
5. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor (10) größerer Leistung als Synchronmotor mit permanenterregtem Läufer ausgebildet ist.
6. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor (10) größerer Leistung als Synchronmotor mit gleichstromerregtem Vollpolläufer oder Schenkelpolläufer ausgebildet ist.
7. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Leistungsverhältnis der beiden Antriebsmotoren größer als 50 : 1 ist.
8. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellen (13,23) der beiden Antriebsmotoren (10,20) über eine Flanschverbindung (14,24) starr miteinander verbunden sind.
9. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Läufer (12,22) der Antriebsmotoren gemeinsam in zwei beidseits der Läufer angeordneten Lagern (16,26) gelagert sind.
10. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor (20) kleinerer Leistung eine Wasserkühlung (29) enthält, die aus dem Frischwasserkühlkreislauf des Schiffes gespeist wird, und daß dem Antriebsmotor (10) größerer Leistung eine Luftkühlung (18) zugeordnet ist.
11. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der beiden Antriebsmotoren (10,20) eine eigene Leistungselektronikeinheit zugeordnet ist.
12. Antriebseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungselektronikeinheit des Antriebsmotors (20) kleinerer Leistung in dem Gehäuse (1, 28) dieses Antriebsmotors untergebracht ist.
Description:
Beschreibung Antriebseinrichtung mit zwei Antriebsmotoren unterschiedlicher Leistung für ein Schiff Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Antriebe von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen und dient der strukturellen und konstruktiven Ausgestaltung einer Antriebseinrichtung für ein Schiff, das im wesentlichen zwei Betriebsbereiche für einen über eine Antriebswelle elektromotorisch direkt angetriebenen Propeller aufweist, nämlich einen ersten Antriebsbereich für Propellerdrehzahlen bis etwa 30 % der Nenndrehzahl und einen zweiten Betriebsbereich für die darüber hinaus gehenden Propellerdrehzahlen bis zur Nenndrehzahl.

Eine bekannte Antriebseinrichtung dieser Art dient dem Antrieb von Marineschiffen wie Untersee-Booten und kann auch bei Überwasserschiffen eingesetzt werden. Die Antriebseinrichtung weist einen Synchronmotor mit einem durch Permanentmagnete erregten Rotor und mit einer verteilten Vielphasen-Ständerwicklung auf, bei der jeder Strang von einem eigenen Stromrichter gespeist wird. Dieser mehrsträngige Wechselstrommotor mit Stromrichterspeisung ist direkt-gegebenenfalls über eine Kupplung-an die den Propeller tragende Antriebswelle angekoppelt. Die Drehzahl des Motors ist im gesamten Leistungsbereich stufenlos einstellbar, wobei ein U-Boot-Antrieb im wesentlichen in einem unteren Drehzahlbereich bis etwa 30 % der Nenndrehzahl für Schleich- und Marschfahrt sowie in einem oberen Drehzahlbereich von etwa 50 bis 100 % der Nenndrehzahl für Schnellfahrt betrieben wird. Der Betrieb im niedrigen Drehzahlbereich ist die

überwiegende Betriebsart. (Zeitschrift"Jahrbuch der schiffsbautechnischen Gesellschaft 81" (1987, Seiten 221 bis 227 und 229 bis 234). Die Antriebsenergie für den Motor wird dabei einem elektrischen Energievorrat entnommen (Batterie) und/oder von einem elektrischen Energieerzeuger, z.

B. einem Dieselgeneratorsatz oder einer Brennstoffzellenanlage, zugeführt.-Zur Optimierung des Wirkungsgrades einer solchen Antriebseinrichtung können einzelne Wicklungsteile der mehrsträngig ausgebildeten Ständerwicklung in Reihe oder parallel geschaltet werden ; dies hat unter anderem zur Folge, daß der Gesamtwirkungsgrad der Antriebseinrichtung bis hinunter zur niedrigst zugelassenen Dauerdrehzahl höher liegt als bei herkömmlichen Antrieben. Bei kleinen Drehzahlen liegt der Wirkungsgrad nur unwesentlich unter dem Optimalwert bei hoher Drehzahl.

Für Überwasserschiffe in Form von z. B. großen Container- Transportschiffen ist an sich eine Antriebseinrichtung bekannt, bei der einem Dieselmotor großer Leistung ein Elektromotor kleinerer Leistung beigestellt ist. Beide Motoren sind hintereinander an die Antriebswelle des Propellers angekoppelt. Der als"Booster-Antrieb"bezeichnete Elektromotor mit einer Nennleistung von 2 bis 15 MW, wobei diese Nennleistung wenigstens 10 % der Nennleistung des Dieselmotors beträgt, ist dem Dieselmotor zur Unterstützung zugeordnet, um in speziellen Fahrsituationen, z. B. in der Anfahrphase, in der Beschleunigungsphase im mittleren Geschwindigkeitsbereich sowie in der Vollastphase, Nachteile auszugleichen, die in diesen Betriebsphasen für den Dieselmotor charakteristisch sind (Prospekt"Electrical Booster Drives"der Siemens AG Seiten 1 bis 9 ; US 4417878 A, DE 4432483 A1).

Ausgehend von einer Antriebseinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches l liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Antriebseinrichtung so auszugestalten, daß vor allem im niedrigen Drehzahlbereich ein besserer Wirkungsgrad erreichbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß auf der Antriebswelle ein zweiter ebenfalls als mehrsträngiger Wechselstrommotor mit Stromrichterspeisung ausgebildeter Elektromotor angeordnet ist und das die beiden Elektromotoren sich in ihrer Nennleistung derart unterscheiden, daß das Leistungsverhältnis größer/gleich 20 : 1 ist.

Bei einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Antriebseinrichtung ist berücksichtigt, daß für den unteren Drehzahlbereich bis etwa 30 % der Nenndrehzahl nur eine Antriebsleistung von weniger als 1/20 der maximalen Antriebsleistung erforderlich ist. Dementsprechend ist für diesen Drehzahlbereich ein eigener Antriebsmotor kleinerer Leistung vorgesehen, der all die mechanischen, elektrischen und akustischen Randbedingungen erfüllen muß, die für ein Marineschiff der in Rede stehenden Art bei langsamer Fahrt charakteristisch sind. Der Antriebsmotor großer Leistung ist dagegen für Schnellfahrt konzipiert, bei der die extremen Körperschallforderungen, wie sie für Langsamfahrt bestehen, nicht mehr gelten. Es werden somit die erhöhten akustischen und elektrischen Anforderungen nur für einen kleinen Antriebsmotor realisiert, während der größere Antriebsmotor geringeren Anforderungen genügen kann. Durch Optimierung des kleinen Antriebsmotors wird im unteren Leistungsbereich der Gesamtwirkungsgrad verbessert. Dieser Vorteil kommt um so mehr zum tragen, je größer die Leistungsanforderungen

bezüglich der Schnellfahrt sind, wenn also Leistungsverhältnisse der beiden Antriebsmotoren von mehr als 50 : 1 realisiert werden sollen, also beispielsweise 8 MW/ 150kW.

Für den Antriebsmotor kleinerer Leistung kommt insbesondere ein Synchronmotor mit permanentmagneterregtem Läufer in Betracht. Es kann aber auch eine bürstenlose, gleichstromerregte Schenkelpolmaschine eingesetzt werden.- Da der Antriebsmotor größerer Leistung geringeren Anforderungen als der Antriebsmotor kleinerer Leistung genügen muß, kann er auch als Asynchronmotor ausgebildet sein. Gehobenen Anforderungen könnte ein Synchronmotor mit gleichstromerregtem Vollpolläufer oder Schenkelpolläufer genügen, während im Fall höchster Anforderungen auch ein Synchronmotor mit permanentmagneterregtem Läufer in Betracht kommt.

Bei einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Antriebseinrichtung können die beiden Antriebsmotoren eine kompakte, kostengünstig herstellbare und montierbare Baueinheit bilden, wenn die Wellen der beiden Antriebsmotoren über Flanschverbindungen starr miteinander verbunden sind.

Zweckmäßig sind dabei die beiden Läufer der Antriebsmotoren gemeinsam in zwei beidseits der Läufer angeordneten Lagern gelagert.-Weitere Kostenvorteile können erreicht werden, wenn nur für den Antriebsmotor kleinerer Leistung eine Wasserkühlung vorgesehen ist, während dem Antriebsmotor größerer Leistung eine Luftkühlung zugeordnet ist.

Gleichartige Vorteile ergeben sich, wenn jedem der beiden Antriebsmotore eine eigene Leistungselektronikeinheit zugeordnet ist.

Zwei Ausführungsbeispiele der neuen Antriebseinrichtung sind in den Figuren 1 und 2 schematisch dargestellt. Dabei zeigt Figur 1 eine Antriebseinrichtung, bei der der Läufer des Antriebsmotors kleinerer Leistung fliegend an die Läuferwelle des Antriebsmotors größerer Leistung angekoppelt ist, und Figur 2 eine Antriebseinrichtung, bei der die Läufer der beiden Antriebsmotore gemeinsam zwischen zwei Lagern gelagert sind.

Figur 1 zeigt eine Antriebseinrichtung, bei der ein erster elektrischer Antriebsmotor 10 größerer Leistung und ein zweiter elektrischer Antriebsmotor 20 kleinerer Leistung unmittelbar nebeneinander angeordnet sind. Hierzu sind die beiden Statorgehäuse 11 und 21 der Antriebsmotoren miteinander verbunden. Weiterhin ist an die Welle 13 des Antriebsmotors 10, auf der der Läufer 12 aufsitzt, die Welle 23 des Antriebsmotors 20, auf der der Läufer 22 aufsitzt, mittels Kupplungsflanschen 11 und 21 angeflanscht. Dem Antriebsmotor 20 kleinerer Leistung ist ein konzentrisch zum Motor angeordnetes Gehäuse 1 zugeordnet, welches einen Ringraum 2 bildet. In diesem Ringraum können die Leistungselektronik sowie Kühlpumpe und weitere zum Betrieb des Antriebsmotors 20 erforderliche Aggregate angeordnet sein.

Sowohl der Antriebsmotor 10 als auch der Antriebsmotor 20 sind als mehrsträngige Wechselstrommotoren mit Stromrichterspeisung ausgebildet, wobei es sich bei dem Antriebsmotor kleinerer Leistung 20 um einen Synchronmotor mit permanenterregtem Läufer handelt, während der größere

Antriebsmotor 10 als Asynchronmotor ausgebildet ist. Der Antriebsmotor 10 kann beispielsweise eine Nennleistung von 4 MW in einem Drehzahlbereich von etwa 45 bis 150 min-' aufweisen. Der Antriebsmotor 20 dagegen weist beispielsweise in einem Drehzahlbereich von 0 bis 46 min-leine Nennleistung von etwa 150 kW auf.

Die Leistungselektronik für den Antriebsmotor 10, die wesentlich mehr Raum einnimmt als die Antriebselektronik für den Antriebsmotor 20, ist zweckmäßig in eine separate Schaltanlage eingebaut, die neben dem Motor 10 aufgestellt sein kann.

Die Antriebseinrichtung gemäß Figur 2 ist im Prinzip gleichartig aufgebaut wie die Antriebseinrichtung gemäß Figur 1. Ein wesentlicher Unterschied besteht in der Anordnung der beiden Lager 16 und 26. Abweichend von dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1, bei dem mittels der Kupplungsflansche 14 und 24 eine fliegende Lagerung des Rotors 22 des Antriebsmotors 20 vorgesehen ist, sind hier die Wellen 17 und 27 der Läufer der beiden Antriebsmotoren derart aneinander angepaßt, daß sie ein gemeinsames Wellenstück bilden, welches beidseits der beiden Läufer gemeinsam in den beiden Lagern 16 und 26 gelagert ist.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 sind die Leistungselektronik sowie Kühlpumpe und elektronische Einheiten wie Drehzahl und Überwachungsrechner in einem auf den Antriebsmotor aufgesetzten Gehäuse 28 untergebracht, während auf den Antriebsmotor größerer Leistung die Kühleinrichtung 18 aufgesetzt ist, die im wesentlichen aus einem Gebläse und einem Luft/Wasser-Rückkühler besteht.

Für die Kühlung des Starters des Antriebsmotors kleinerer Leistung ist eine Wasserkühlung vorgesehen, wobei die entsprechenden Kühlanschlüsse 29 schematisch angedeutet sind.

Der Rotor des Antriebsmotors kleinerer Leistung ist noch mit Lüfterflügeln 30 versehen, welche die Kühlung der Wickelköpfe des Startors unterstützen.