DE19801448A1 - Elektrische Antriebseinrichtung für Schiffe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebseinrichtung für Schiffe, bestehend aus einem an der Unterseite des Schiffsrumpfes gondelartig angeordneten Gehäuse zur Aufnahme eines Elektromotors mit Läufer und Stator, wobei an der den Läufer tragenden Welle wenigstens ein Propeller angeordnet ist.

Ein Schiffsantrieb der Eingangs beschriebenen Art ist bei­ spielsweise aus der US-PS 2,714,866 bekannt. Bei diesem aus dem Stand der Technik bekannten Schiffsantrieb wird als Motor ein dreiphasiger Wechselstrommotor mit einem Kurzschlußläufer verwendet, wobei der Läufer auf einer Hohlwelle aufsitzt, die ihrerseits über eine Kupplung mit der innerhalb der Hohlwelle verlaufenden Antriebswelle gekoppelt ist. Die Antriebswelle ist dabei direkt mit dem Propeller gekoppelt. Bei diesem Schiffsantrieb ist der Stator des Motors von einem rohrförmi­ gen Gehäuse umgeben, daß seinerseits in ein rohrsattelartiges Gehäuseteil des an der Unterseite des Schiffsrumpfes befe­ stigten, gondelartigen Gehäuses eingefügt ist. Die Kühlung des Motors einschließlich der Lager des Läufers erfolgt mit Frischwasser, das aus einem im Schiffsrumpf angeordneten Tank in das Innere des Motorgehäuses gepumpt und im Kreislauf ge­ führt wird.

Bei einem anderen, aus der US-PS 5,403,216 bekannten Schiffs­ antrieb dieser Art, der für Antriebsleistungen von 10 MW aus­ gelegt werden kann, stützt sich der dynamoelektrische Motor mit seinem Stator über radial angeordnete Stegbleche in dem umgebenden Gehäuse ab. Die hierzu verwendeten Stegbleche die­ nen zugleich zur Ausbildung von Kühlkanälen für ein aus dem Schiffsrumpf herausgeführtes gasförmiges Kühlmittel.

Wie weiterhin aus der EP 0 590 867 A1 bekannt, wird als Motor üblicherweise ein Synchronmotor mit elektrisch erregtem Kurz­ schlußläufer verwendet, wobei der Läufer durch Anordnung auf der hohl ausgebildeten, von Wasser durchströmten Antriebswel­ le zusätzlich gekühlt werden kann. Bei einer derartigen An­ triebseinrichtung ist man im übrigen bemüht, das Verhältnis zwischen dem maximalen Durchmesser des Antriebsgehäuses und dem Propellerdurchmesser kleiner als 0,65 zu wählen, vorzugs­ weise in den Bereich von 0,4 bis 0,5 zu legen. Hierbei ist zu berücksichtigen, daß der Propellerdurchmesser nicht beliebig groß gewählt werden kann. Das genannte Verhältnis der Außen­ durchmesser von Antriebsgehäuse und Propeller beeinflußt den Propulsionswirkungsgrad, wobei dieser um so größer ausfällt, je kleiner das genannte Durchmesserverhältnis ist.

Zur Kühlung eines unter Wasser betriebenen Elektromotors ist es im übrigen aus der US-PS 2,862,122 bekannt, das als Kühl­ mittel verwendete Isolieröl so im Kreislauf zu pumpen, daß es in Kühlkanälen, die axial im Bereich der Gehäusewandung ver­ laufen, Wärme an das umgebende Wasser abgibt.

Weiterhin ist es aus der DE-Publikation "Siemens-Z.", 1975, Heft 49, Seiten 368 bis 374, bekannt, für den Propelleran­ trieb von U-Booten permanenterregte Läufer anstelle von Kurz­ schlußläufern oder von über Schleifringe fremderregten Läu­ fern bei Synchronmotoren zu verwenden. Bei diesen bekannten Einsatzzwecken sind die axial sehr kurz ausgebildeten Motoren innerhalb des Schiffsrumpfes angeordnet, wobei die aus je­ weils mehreren Permanentmagneten aufgebauten Polschuhe des Läufers mit dem Polschaft verklebt sind. Das Ständerblechpa­ ket dieses Motors ist von zwei Kühlringen umgeben, die von Frischwasser durchströmt werden, welches in Wärmetauschern durch Seewasser rückgekühlt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem elektri­ schen Schiffsantrieb der Eingangs genannten Art den Propulsi­ onswirkungsgrad zu verbessern.

Die Lösung dieser Aufgabenstellung ist erfindungsgemäß da­ durch gekennzeichnet, daß der elektrische Motor als Synchron­ motor ausgebildet ist, wobei der Läufer Permanentmagnete zur Erregung des Stators aufweist und daß das Gehäuse als Außen­ wandkühler ausgebildet ist.

Durch die Ausbildung des Antriebsgehäuses als Außenwandkühler ist es erstmalig möglich, die Kühlung des Elektromotors durch das das Gehäuse umgebende bzw. umströmende Wasser zu bewir­ ken. Durch diese Außenwandkühlung kann auf die Ausbildung von Kühlkanälen und dergleichen im Inneren des Gehäuses, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist, verzichtet werden, so daß der radiale Raumbedarf des Synchronmotors und somit der Außendurchmesser des Antriebsgehäuses deutlich verringert werden kann. Dies führt zu einem günstigeren Verhältnis zwi­ schen dem Außendurchmesser der Antriebseinrichtung und dem Außendurchmesser des Propellers, so daß die Antriebseinrich­ tung einen wesentlich besseren Propulsionswirkungsgrad auf­ weist. Insbesondere lassen sich bei Anwendung der erfindungs­ gemäßen Maßnahmen Schiffsantriebe konstruieren, bei denen das Verhältnis von Außendurchmesser des strömungsgünstig gestal­ teten Gehäuseteils zum Außendurchmesser des Propellers klei­ ner oder höchstens gleich 0,4 ist. Die Ausbildung des Gehäu­ ses als Außenwandkühler erfolgt gemäß einer ersten Ausfüh­ rungsform der Erfindung dadurch, daß der Stator des Motors mit dem Gehäuse kraftschlüssig verbunden ist. Diese kraft­ schlüssige Verbindung zwischen Stator einerseits und Ge­ häuseinnenwand andererseits kann beispielsweise durch eine Schrumpfverbindung hergestellt werden.

Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist der Stator des Motors mit dem Gehäuse zur Ausbildung des Außen­ wandkühlers formschlüssig, beispielsweise über Profilverbin­ dungen, verbunden. In beiden Fällen, nämlich im Falle der kraftschlüssigen sowie der formschlüssigen Verbindung zwi­ schen Stator einerseits und Gehäuseinnenwand andererseits, wird ein direkter und guter Wärmeübergang zwischen Motor und dem sich auf der Außenseite des Antriebsgehäuses befindlichen Kühlmediums Wassers bewirkt.

Um auch im Betrieb im oberen Leistungsbereich von mehr als 5 MW eine ausreichende Kühlung des Elektromotors und insbe­ sondere der Wickelköpfe zu gewährleisten, wird mit der Erfin­ dung weiterhin vorgeschlagen, daß im Inneren des Gehäuses zu­ sätzliche Kühleinrichtungen angeordnet sind, die insbesondere auf die im Gehäuse vorhandenen Wickelköpfe wirkend ausgebil­ det sind. In diesem Fall ist es zweckmäßig, jedem Wickelkopf des Stators eine solche zusätzliche Kühleinrichtung zuzuord­ nen. Diese zusätzlichen Kühleinrichtungen lassen sich in dem durch die Motorkonstruktion ohnehin vorhandenen Innenraum oh­ ne besonderen zusätzlichen Aufwand anordnen, indem beispiels­ weise als Kühleinrichtungen Lüfter gewählt werden, die inner­ halb der Wickelköpfe auf der Läuferwelle angeordnet sind.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist jede zusätzliche Kühleinrichtung als jedem Wickelkopf stirnseitig zugeordneter, im Querschnitt rohrförmiger Ring ausgebildet, der mit Sprühlöchern versehen ist und dessen Innenraum mit­ tels einer Pumpe an einen unterhalb der Läuferwelle befindli­ chen Isolieröl-Sumpf angeschlossen ist.

Bei beiden Ausführungsformen zur Ausgestaltung der zusätzli­ chen Kühleinrichtungen wird dem Kühlmittel - sei es Luft oder Isolieröl - in gleicher Weise wie dem Stator über die umge­ bende Gehäusewand des Motors die Wärme entzogen, so daß auch für diese zusätzliche Kühleinrichtung das Antriebsgehäuse als Außenwandkühler dient.

Weiterhin wird mit der Erfindung vorgeschlagen, daß im Inne­ ren des Gehäuses Wärmeleitelemente, zum Beispiel in der Form von Wärmeleitbrücken, aus einem gut wärmeleitenden Material angeordnet sind. Durch diese Ausbildung von Wärmeleitbrücken ist es möglich, die Wärmeableitung an das Antriebsgehäuse und somit an das das Gehäuse umgebende Kühlwasser deutlich zu er­ höhen, wobei die Ausbildung dieser Wärmebrücken insbesondere bei der nur kraftschlüssigen Verbindung zwischen Stator des Motors und Gehäuse anzuwenden ist, um eine quasi formschlüs­ sige Verbindung und somit vollflächige Wärmeableitung zu er­ möglichen.

Zur Versorgung des elektrischen Motors mit elektrischer Ener­ gie wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Energiever­ sorgung über eine Schleifringanordnung erfolgt. Durch die Verwendung einer Schleifringanordnung kann auf biegsame Ka­ bel, die den Drehwinkel begrenzen und störanfällig sind, ver­ zichtet werden. Dabei handelt es sich bei den Schleifringen um kostengünstige Standardbauteile. Gemäß einer praktischen Ausführungsform der Erfindung weist die Schleifringanordnung vorzugsweise einstückige Schleifringe und mehrteilige Pole auf, die in Kontakt mit den Schleifringen stehen.

Um sicherzustellen, daß die Energieversorgung des elektri­ schen Motors störungsfrei erfolgt, wird erfindungsgemäß vor­ geschlagen, daß die Schleifringanordnung eine Kontaktüberwa­ chungsvorrichtung aufweist, die den Kontaktzustand fest­ stellt.

Gemäß einer praktischen Ausführungsform der Erfindung ist der Läufer über ein Läuferstützrohr mit der Propellerwelle ver­ bunden.

Die Flexibilität der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebs­ einrichtung kann erfindungsgemäß dadurch erhöht werden, daß die als außengekühlter elektrischer Synchronmotor ausgebilde­ te elektrische Antriebseinrichtung, insbesondere zum Antrieb von ruderblattlosen Schiffen, einen Zwischenkreisumrichter, insbesondere einen Spannungszwischenkreisumrichter oder Di­ rektumrichter aufweist. Durch diese Umrichter kann der elek­ trische Synchronmotor durch Energieversorgung mit unter­ schiedlichen Frequenzen angetrieben werden, da diese Umrich­ ter die Frequenzen der Energieversorgung in die Frequenz des Synchronmotors umwandeln. Gemäß einer praktischen Ausfüh­ rungsform der Erfindung erfolgt die Energieversorgung über einen von einem Antriebsaggregat angetriebenen Generator und einen Direkt- oder Zwischenkreisumrichter, wobei die elektri­ sche Verbindung zwischen dem Umrichter und dem Antriebsmotor eine Schleifringanordnung oder eine Kabelschleife aufweist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Permanentmagnete des Läufers des Synchronmotors als Luft­ spaltmagnete auf U-förmigen geblechten oder massigen Jochen angeordnet.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Permanentmagnete als Flußkonzentrationsanordnung angeordnet.

Zur Vermeidung von Streufeldern sowie zum Schutz der Perma­ nentmagneten wird weiterhin vorgeschlagen, daß die Permanent­ magnete von einem Blechpaket umschlossen angeordnet sind.

Aus elektrischen, elektrostatischen sowie aus Gewichtsgründen kann es weiterhin vorteilhaft sein, daß das Gehäuse der gon­ delartigen Antriebseinrichtung aus Leichtmetall, vorzugsweise einer Aluminiumlegierung besteht.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der verschiedene Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinrichtung für Schiffe beispielhaft schematisch dargestellt sind. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße An­ triebseinrichtung mit Luftkühlung der Wickelköpfe des Stators;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße An­ triebseinrichtung mit Sprühkühlung der Wickelköpfe des Stators;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße An­ triebseinrichtung, bei der der Stator des Motors mit dem Gehäuse kraftschlüssig durch eine Schrumpfverbin­ dung verbunden ist;

Fig. 4 eine ausschnittweise Darstellung einer ersten Ausfüh­ rungsform zur Anordnung von Permanentmagneten und Joch;

Fig. 5 eine ausschnittweise Darstellung einer zweiten Aus­ führungsform zur Anordnung von Permanentmagneten und Joch und

Fig. 6 eine ausschnittweise Darstellung einer dritten Aus­ führungsform zur Anordnung von Permanentmagneten und Joch.

Die Antriebseinrichtungen gemäß den Abbildungen Fig. 1 bis Fig. 3 bestehen aus einem strömungsgünstig gestalteten, die Form einer Gondel aufweisenden Gehäuse 1 mit einem darin an­ geordneten, aus Stator 2 und Läufer 3 bestehenden Synchronmo­ tor sowie einem Schaft 4, über den die Antriebseinrichtung am Boden eines nicht dargestellten Schiffsrumpfes gondelartig befestigt ist.

Das Gehäuse 1 weist - wie aus Fig. 1 und Fig. 2 ersichtlich - Endkappen 5 und 6 auf, die Lager 7 einer Antriebswelle 8 tra­ gen. Während bei der Ausführungsform gemäß den Abbildungen Fig. 1 und 2 nur an einem Ende der Antriebswelle 8 ein Pro­ peller 9 angeordnet ist, sind bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 an beiden Enden der Antriebswelle 8 Propeller 9 ange­ ordnet.

Wie insbesondere aus Fig. 3 ersichtlich, ist der Stator 2 des Synchronmotors kraftschlüssig in das hohlzylindrische Gehäuse 1 eingepaßt. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt diese kraftschlüssige Verbindung durch Aufschrumpfen des Ge­ häuseteils auf das Blechpaket des Stators 2, wobei aufgrund der Blechpaketlänge der Sitz mehrfach abgestuft ist. Die Wicklungen des Stators 2 sind in den Abbildungen Fig. 1 bis Fig. 3 teilweise anhand der Wickelköpfe 10 dargestellt. Der Läufer 3 des Synchronmotors ist in an sich bekannter Weise als mit Permanentmagneten 11 versehener Läufer 3 ausgebildet und ruht mittels einer Tragkonstruktion 12 auf der Antriebs­ welle 8.

Die Kühlung des Synchronmotors erfolgt durch die kraftschlüs­ sige und/oder formschlüssige Verbindung zwischen Stator 2 und Gehäuse 1 derart, daß das Gehäuse 1 als Außenwandkühler aus­ gebildet ist. Die Kühlung des Synchronmotors erfolgt somit durch das das Gehäuse 1 umgebende bzw. umströmende Wasser, ohne daß zusätzliche Kühlmedien durch im Stator 2 oder zwi­ schen Stator 2 und Gehäuse 1 vorgesehene Kühlkanäle geleitet werden müssen, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist.

Beim Betrieb des Synchronmotors im oberen Leistungsbereich kann es notwendig sein, die Wickelköpfe 10 des Stators 2 ei­ ner zusätzlichen Kühlung zu unterziehen. In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform für eine solche zusätzliche Kühlein­ richtung zur Kühlung der Wickelköpfe 10 des Stators 2 darge­ stellt. Bei dieser ersten Ausführungsform ist innerhalb der Wickelköpfe 10, das heißt in radialer Richtung zwischen den Wickelköpfen 10 einer jeden Stirnseite des Stators 2, auf der Antriebswelle 8 jeweils ein Lüfter 13 angeordnet. Mit Hilfe dieser Lüfter 13 wird die im Innenraum des Synchronmotors be­ findliche Luft konvektiv umgewälzt und umströmt dabei die Wickelköpfe 10. Die von der verwirbelten Luft aufgenommene Wärme wird der Luft über das als Außenwandkühler ausgebildete Gehäuse 1 durch das das Gehäuse 1 umströmende Wasser entzo­ gen.

In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform zur Ausbildung der zusätzlichen Kühleinrichtung dargestellt. Bei diesem Ausfüh­ rungsbeispiel ist zur Kühlung der Wickelköpfe 10 des Stators 2 stirnseitig zu den Wickelköpfen 10 jeweils ein im Quer­ schnitt rohrförmiger Ring 14 angeordnet, der in Richtung auf die Wickelköpfe 10 mit Sprühöffnungen versehen ist. Über die­ se Sprühöffnungen kann Isolieröl versprüht werden, das sich als Öl-Sumpf 15 unterhalb der Antriebswelle 8 befindet und von dort jeweils mittels einer außerhalb des Gehäuses 1 ange­ ordneten Pumpe in den Ring 14 gepumpt wird. Dem in dem Öl- Sumpf 15 befindlichen Isolieröl wird die Wärme ebenfalls über das als Außenwandkühler ausgebildete Gehäuse 1 durch das das Gehäuse 1 umströmende Wasser entzogen. Selbstverständlich ist es auch möglich, beide Kühleinrichtungen zur Kühlung der Wickel­ köpfe 10 des Stators 2 zu kombinieren, so daß die Kühlung der Wickelköpfe 10 sowohl über die Lüfter 13 als auch über den Ring 14 versprühtes Isolieröl erfolgt. Bei der Ausbildung des Öl-Sumpfes 15 im Gehäuse 1 ist darauf zu achten, daß der Isolierölpegel nicht so weit ansteigt, daß Isolieröl in den Luftspalt zwischen Stator 2 und Läufer 3 des Synchronmotors gelangt, da hierdurch der Wirkungsgrad des Motors erheblich beeinträchtigt würde.

Dadurch, daß der Synchronmotor mit seinem Stator 2 form­ schlüssig und/oder kraftschlüssig in das strömungsgünstig ge­ staltete Gehäuse 1 eingefügt ist und der mit den Permanentma­ gneten 11 versehene Läufer 3 in radialer Richtung weniger Platz beansprucht als ein Kurzschlußläufer, kann das Gehäuse 1 einen relativ kleinen Außendurchmesser D_G aufweisen, so daß das Verhältnis zwischen dem Außendurchmesser D_G des Gehäuses 1 und dem Außendurchmesser D_P des Propellers 9 einen relativ kleinen Wert von beispielsweise 0,35 erreicht, selbst dann, wenn der Synchronmotor für eine Antriebsleistung von bis zu 20 MW und mehr ausgelegt ist.

Diese Ausgestaltung des Gehäuses 1 des elektrischen Schiffs­ antriebs als Außenwandkühler ist unabhängig davon, ob das gondelartige Gehäuse 1 am Schiffsrumpf starr oder drehbar an­ geordnet ist. Besonders vorteilhaft zum Manövrieren ist es jedoch, wenn das gondelartige Gehäuse 1 um die Längsachse des Schaftes 4 drehbar ist, so daß dieser Antrieb auch für ruder­ lose Schiffe geeignet ist.

In den Abbildungen Fig. 4, 5 und 6 sind drei Ausführungsfor­ men zur Ausbildung des Läufers 3 dargestellt.

Gemäß Fig. 6 sind die Permanentmagnete 11 als Luftspaltmagne­ te ausgebildet, die auf einem U-förmigen, geblechten oder massiven Joch 16 angeordnet sind.

Gemäß Fig. 4 sind die auf dem Rotorrohr 17 angeordneten Per­ manentmagnete 11 als Flußkonzentrationsanordnung angeordnet, wobei die Permanentmagnete 11 zwischen den Jochen 16 angeord­ net sind.

Die Ausbildung gemäß Fig. 5 zeigt schließlich eine Anordnung, bei der die Permanentmagnete 11 von dem Blechpaket des Joches 16 umschlossen sind, wodurch Streuungen des Magnetfeldes deutlich verringert werden.

Insgesamt ist somit festzustellen, daß aufgrund der Ausbil­ dung des Gehäuses 1 des elektrischen Schiffsantriebs als Au­ ßenwandkühler die Baugröße dieser Antriebseinrichtung deut­ lich verringert werden kann, was zu einer Erhöhung des Pro­ pulsionswirkungsgrades führt.

Für Marine- oder andere Spezialschiffe kann der Antrieb und/oder sein Schaft aus einer Aluminiumlegierung bestehen. Aluminium erlaubt eine besonders leichte Ausführung bei ge­ genüber Stahl verbesserter Wärmeleitung. Derartige Schiffe können daher auch bei höheren Wassertemperaturen als die 32°C, bis zu den rechnerisch der Einsatz in der reinen Au­ ßenkühlerausführung möglich ist, eingesetzt werden.

Claims (6)

1. Elektrische Antriebseinrichtung für Schiffe, bestehend aus einem an der Unterseite des Schiffsrumpfes gondelartig ange­ ordneten Gehäuse (1) zur Aufnahme eines Elektromotors mit Läufer (3) und Stator (2), wobei an der den Läufer (3) tra­ genden Welle (8) wenigstens ein Propeller (9) angeordnet ist und wobei der elektrische Motor als Synchronmotor ausgebildet ist, wobei der Läufer Permanentmagnete zur Erregung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Ge­ häuse (1) als Außenwandkühler ausgebildet ist, wobei im In­ nenraum des Gehäuses (1) zusätzlich Kühleinrichtungen, die als auf im Gehäuse (1) vorhandene Wickelköpfe (10) wirkend ausgebildet sind, und die Form von Wärmebrücken aus gut wär­ meleitendem Material aufweisen, angeordnet sind und wobei die Permanentmagnete (11) als Luftspaltmagnete ausgebildet auf U-för­ migen, geblechten oder massiven Jochen (16) angeordnet sind.

2. Elektrische Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (11) als Flußkonzentrationsanordnung angeordnet sind.

3. Elektrische Antriebseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (11) von einem Blechpaket umschlossen angeordnet sind.

4. Elektrische Antriebseinrichtung nach Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) aus Leichtmetall, vorzugsweise einer Aluminiumlegierung, be­ steht.

5. Elektrische Antriebseinrichtung nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Schaft (4) aus Leichtmetall, vorzugsweise einer Aluminiumlegierung, be­ steht.

6. Elektrische Antriebseinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Antrieb für ein Marineschiff verwendet wird.