CN104284834B - 船舶用混合式驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种船舶用混合式驱动装置，包括初级驱动马达、水上传动装置(1)和具有定子和转子的电力次级驱动马达(2)，所述初级驱动马达设于所述船舶内部并且对驱动轴(11)进行驱动，所述水上传动装置设于所述驱动轴(11)下游，包含传动装置壳体(10)且用于驱动从所述水上传动装置(1)伸出的竖轴(13)，所述电力次级驱动马达可协助或替代所述初级驱动马达驱动所述竖轴(13)，其中所述电力次级驱动马达(2)配设有空心轴(20)，且其定子以抗扭方式与所述水上传动装置(1)的传动装置壳体(10)相连。

Description

船舶用混合式驱动装置
技术领域
本发明涉及一种船舶用混合式驱动装置，包括初级驱动马达、水上传动装置和至少一个电力次级驱动马达，所述初级驱动马达设于所述船舶内部并且对驱动轴进行驱动，所述水上传动装置设于所述驱动轴下游，包含传动装置壳体且用于驱动从所述水上传动装置伸出的竖轴，所述至少一个电力次级驱动马达可协助或替代所述初级驱动马达驱动所述竖轴。
背景技术
例如在WO 2011/021727 A1中公布了一种用于驱动舵桨的同类型混合式驱动装置，舵桨的螺旋桨轴位于船体外，在中间连接水上传动装置的情形下，该螺旋桨轴由设置于船舶内部的初级驱动马达和/或次级驱动马达通过竖轴驱动。借助联轴器可在通常被构造为内燃机的初级驱动马达和连接在第二驱动轴上的电动机与竖轴之间建立动力耦合连接，从而根据使用条件将初级驱动马达或电力次级驱动马达或两个马达一起用于行驶船舶。
DE 10 2009 000 992 A1中公布了一种相似装置，其同样采用两个可通过联轴器进行选择性切换的、分属于初级驱动马达和次级驱动马达的驱动轴进行工作。
这些已知混合式驱动装置的缺点在于，水上传动装置中设置的多个驱动轴及其所属联轴器使得装置构造非常复杂，这不仅会产生高成本，且会产生相当的空间需求，因此此类混合式驱动装置在局促安装条件(例如港口拖船中)下的应用受限，且需要采用特殊的船体设计，而对于只构造有用作初级驱动马达的内燃机的船舶，通常无法为其追加装备此类混合式驱动装置，或只能以非常复杂的方式实现。
另一方面，近来对此类混合式驱动装置的需求愈发提升，特别是在内陆水域和港口，例如在船舶常以部分负荷方式行驶的港口环境保护区内。例如，港口拖船的应用剖面显示其有很大一部分时间处于低功率行驶，因此适合采用配设柴油机以应对系柱拖力条件以及配设电动机以应对较小功率要求的混合式驱动方案，以实现节约能源和资源的工作方式。
发明内容
因此，本发明的目的是提出一种开篇所述类型的混合式驱动装置，其能克服现有技术所存在的缺点，且具有特别节省空间与成本的特点。
本发明用以达成上述目的的解决方案为：提出一种具有权利要求1中所述特征的混合式驱动装置技术方案。
本发明的有益技术方案和进一步方案由从属权利要求给出。
本发明提出，为所述至少一个电力次级驱动马达配设空心轴，其中本发明提出的一项方案是将其构造为具有旋转驱动式空心轴和用作定子的马达壳体的内转子马达。替代方案则是采用构造成外转子马达的力矩马达，其具有用作定子的空心轴和用作转子的壳体。
本发明的技术方案的主要优势在于，次级驱动马达无需附加齿啮合，而是以相同方式利用原本为初级驱动马达所设的齿啮合。
本发明中述及的“齿啮合”指的是通过传动装置的齿啮合在驱动马达和竖轴之间产生的、用于驱动船舶的动力流。
本发明的次级驱动马达利用为初级驱动马达所设的、处于齿啮合状态的传动装置组件，有助于大幅简化构造。
根据本发明，所述次级驱动马达的定子(即马达壳体或空心轴，视具体结构形式而定)在任何情形下均以抗扭方式与水上传动装置的传动装置壳体相连，这样就不必为次级驱动马达额外设置容纳空间和固定措施。因此，本发明的混合式驱动装置能实施得特别节省空间，或以特别节省空间的方式在现有初级驱动装置上进行改装。
本发明特别提出的一项方案是，借助所述次级驱动马达空心轴内可供使用的内腔容纳驱动轴或竖轴的联轴器或制动器，即水上传动装置配备由初级驱动马达驱动的驱动轴这一传统构造中原本就须设有的部件。因此所述电力次级驱动马达可采用的安装位置为动力输入侧(即驱动轴进入水上传动装置的入口处)、与动力输入侧相对的一侧或水上传动装置上竖轴端部所被引导至的竖向位置。
鉴于所述次级驱动马达设有空心轴，且其定子以抗扭方式连接在水上传动装置的传动装置壳体上，本发明的混合式驱动装置无需附加密封件，且不需要在水上传动装置中设置附加的齿啮合或附加的轴。也不需要为次级驱动马达设置自有联轴器。
此外，所述次级驱动马达也不必具有自有轴承，而是整合在由初级驱动马达、驱动轴、水上传动装置和竖轴所构成的系统的现有轴承中。基于本发明将次级驱动马达整合这一方案，动力流以独立于初级和/或次级驱动马达应用的方式只通过水上传动装置的一个轮对实现，因此不再需要次级驱动马达的轮对，也不必再额外对其进行设定。此外，例如在初级或次级驱动马达关断的情况下不会有空转的齿啮合机构，这有助于减少本发明混合式驱动装置的噪音排放和提升其效率。
本发明所使用的电力次级驱动马达可以是永磁同步马达，例如所谓的力矩马达。
力矩马达是已知技术，其能在明确的转速跨度下以较小的空间需求实现较高转矩，因此例如用作机床和挤出机中的无齿轮驱动马达，以及用作塑料加工工业的辊驱动装置。构造成内转子马达时，此类力矩马达通常具有由马达壳体构成的带有线圈的定子以及由空心轴构成的设有永磁体的转子。构造成外转子马达时，此类力矩马达具有用作定子的带线圈空心轴和设有永磁体的用作转子的壳体。
在本发明范围内发现，此类马达也适合在船舶用混合式驱动装置中用作电力次级驱动马达，因为其空间需求低，能够在相关转速范围内提供高转矩，此外带有空心轴的特殊设计使其能非常简便地整合到现有的、经过验证的水上传动装置结构形式中。
只要将通向初级驱动马达的驱动轴的联轴器设置在次级驱动马达的空心轴中，便可在不设自有联轴器的情况下将电力次级驱动马达整合到混合式驱动装置中，这样一来可进一步节省组件并进一步降低空间需求。
替代方案是借助次级驱动马达的空心轴将其设置于驱动轴或竖轴上，从而在安装位置方面实现最大的灵活性。
本发明述及的“竖轴”这一概念不仅限于精确竖直定向的轴，而是亦包含定向偏离竖直方向的轴。
一般而言，本发明的混合式驱动装置主要适用于具有方位调整功能的船只驱动装置的所有结构形式。
在本发明范围中，不仅可采用将电力次级驱动马达同初级驱动马达一起运行这一方案，即将其作为所谓助推器为通过初级驱动马达进行的驱动提供支持，例如用于提供峰值转矩和峰值功率，也可相应解除与初级驱动马达的耦合，从而借助次级驱动马达实现纯电动运行。此外在本发明的实施方式中，也可在另一运行模式下将次级驱动马达作为发电机运行，例如用于向船舶电网提供电能，或者用于为蓄电池充电，以便能后续实现次级驱动马达的电力驱动模式。
可以理解的是，本发明的混合式驱动装置不仅可用作单驱动装置，也可在相应船舶上设置多个该装置。配置多个该装置时，可将一个混合式驱动装置的电力次级驱动装置作为发电机运行，并借助所产生的电能通过第二混合式驱动装置的次级驱动马达实现纯电力驱动。在此运行模式下，尽管是通过两个本发明的混合式驱动装置进行驱动，仍能显著降低能耗和排放。
此外，本发明的次级驱动马达也可用作启动辅助装置，以将解耦轴段加速至与待耦合轴同步的转速，从而可使用较小的联轴器甚或离合联轴器来替代滑动联轴器。
本发明的混合式驱动装置可设置在不同结构形式的水上传动装置上。本发明范围内述及的水上传动装置一般是指具有方位调整功能的驱动装置设于船只或船舶内部的传动装置。
例如舵桨便属于此类具有方位调整功能的驱动装置。其中本发明的混合式驱动装置既可用于所谓的Z型驱动装置，即整个舵桨中具有两个锥齿轮级的驱动装置，也可用于所谓的L型驱动装置，即整个舵桨中只有一个锥齿轮级的驱动装置。
下面参照附图并借助实施例对本发明的混合式驱动装置的其他技术方案及细节进行详细描述。
附图说明
图1为本发明的混合式驱动装置的水上传动装置示意图；
图2为本发明的混合式驱动装置的水上传动装置的另一实施方式示意图；
图3为本发明的力矩马达的正视图。
具体实施方式
图1示出混合式驱动装置的水上传动装置示意图，其中水上传动装置1包括在传动装置壳体10内大体呈水平延伸的驱动轴11，其作为L型驱动装置通过带锥齿轮的角传动装置12驱动竖向延伸的、从水上传动装置1的壳体10伸出的竖轴13。其中该图示出的组件通常设置于此处未示出的船舶内部。
竖轴13以未详细示出的方式通向设置于船舶外部、更准确地说是设置于船体下方的舵桨，该舵桨采用如DE 20 2009 009 031 U1中所示的传统实施方式。
驱动轴11由此处未示出且同样设置于船舶内部的初级驱动马达以未详细示出的方式采用功率和转矩M加以驱动，该初级驱动马达例如是内燃机。
通过联轴器14可建立或解除对驱动轴11的耦合，从而基于联轴器14的操作状态建立或解除初级驱动马达与竖轴13的动力耦合连接。
为了以特别节省空间的方式在设有初级驱动马达的混合式驱动装置中进一步设置电力次级驱动马达，将力矩马达(主要组件在图3中示出)用作电力次级驱动马达2，其具有用作定子的马达壳体21和容纳在该马达壳体中的旋转驱动式空心轴20。由此在旋转驱动式空心轴20内形成内腔22，进而例如可在驱动轴11穿过内腔22的情形下将力矩马达定位至驱动轴11上的合适位置，并与所述驱动轴相连。
可以理解的是，也可以采用其他具有空心轴20的电力次级驱动马达2来替代力矩马达。
构造成内转子马达的电力次级驱动马达2通过其马达壳体21与水上传动装置1的传动装置壳体10优选以抗扭方式相连，例如以螺接方式定位在一位置上，水上传动装置1在该位置上装备有支承和/或运行驱动轴11或竖轴13所需要的附加内装件，如联轴器14或制动器15。
为此，图1中以参考号码2.1示出电力次级驱动马达2的安装位置，旋转驱动式空心轴20在该位置上将前述驱动轴11的联轴器14容纳在内腔22中，即次级驱动马达2在原本为联轴器安排的安装位置上将该联轴器14包围，但与耦合元件(例如其自身的壳体或动力输入轴)以抗扭方式相连。
采用这种方法可通过非常节省空间的方式实现电力次级驱动马达2的安装，例如在对现有的只设有初级驱动马达的传统船舶用驱动装置进行改装时也能实现这一点。此外，在采用将驱动轴11的联轴器14设置于安装空间22内这一方案时，依据本发明设置的电力次级驱动马达2不需要自有联轴器，而是可根据现有联轴器14的运行状态启用对驱动轴11的旋转驱动以协助或替代初级驱动马达，借此可通过电力次级驱动马达提升初级驱动马达的驱动功率，即实现所谓的助推模式，同时也可在调用负载较低时实现非常节能低排的纯电动运行模式。
替代方案是将次级驱动马达2设置于水上传动装置1的传动装置壳体10相对一侧上用附图标记2.2示出的安装位置，该位置上通常设有用于驱动轴11的制动器15。在该位置上，次级驱动马达2同样以其位于空心轴20内的内腔22将设于该处的制动器15或枢轴承包围。
图2示出基于图1所示实施例的水上传动装置1的改进实施方式，其中驱动轴11进入传动装置壳体10后只到达角传动装置12处，而不在传动装置壳体10的相对一侧伸出该传动装置壳体。反之，在图2示出的本实施例中，竖轴13在传动装置壳体10的上部区域伸出该传动装置壳体，并与制动器15或此处未示出的枢轴承一同安置在该处。
除了图1已示出并已描述的、设于驱动轴11的联轴器14区域内的电力次级驱动马达2的安装位置2.1外，图2所示实施例中还可将次级驱动马达2设置在用2.3标示的安装位置，即令其包围设于传动装置壳体20上的制动器15，因此采用此安装位置时空间需求也非常小。
针对前述将次级驱动马达2构造为内转子马达，其中旋转驱动式空心轴20作为转子、马达壳体21作为定子这一技术方案，其替代方案为：将马达壳体21用作转子，将空心轴20作为定子，例如与传动装置壳体10相连。在此情形下次级驱动马达2被构造为外转子马达。
在前述所有实施方式中，均不必在水上传动装置中为次级驱动马达2设置附加齿啮合，而是以相同方式利用初级驱动装置的齿驱动机构，且只使用初级驱动马达运行时同样启用的驱动组件。相应地，次级驱动马达也不必具有任何自有轴承。
前文已述及，前述电力次级驱动马达2的安装位置2.1、2.2、2.3不仅只适用于船舶用混合式驱动装置的水上传动装置创新，通过此方法可以极低的构造难度和极小的额外空间需求将只设有初级驱动马达的现有水上传动装置改装成混合式驱动装置，这样一来，船体中可用于水上传动装置的空间受限的港口拖船也可顺利实现改装。
例如，港口拖船行驶时通常只用到可用总功率的60-70％，因此可相应地将通常构造成内燃机的初级驱动装置设计为较小的尺寸规格，此时可借助附加的电力次级驱动装置提供仅少数情形下调用的最大功率。在特殊的环境区域内可采用纯电动方式行驶。
此外，前述发明还具有进一步优化的潜力。例如可在联轴器啮合时通过设有的电力次级驱动装置在联轴器14啮合前将驱动轴加速至切换转速，从而可采用技术上更易实现、性价比更高的离合联轴器来代替迄今为止使用的滑动联轴器。
此外可为电力次级驱动马达2设计一个附加运行模式，在该模式下将其用作发电机，以向船舶电网供电或为现有蓄电池充电。
在船舶装备有超过一个此种混合式驱动装置(例如设有两个通过此种混合式驱动装置驱动的舵桨)的情况下，可建立电耦合，其中仅运行一个初级驱动马达，其所对应的电力次级驱动马达在发电机模式下产生电流，从而对第二舵桨的电力次级驱动马达进行驱动。
前述混合式驱动装置的水上传动装置只需具有一个驱动轴11，使得这种水上传动装置没有空转的锥齿轮，相应地也不具有无负载位置，因此能够以最简单的方式实现对现有驱动装置的改装。所设置的电力次级驱动马达始终卡在运行初级驱动马达时同样被激活的齿轮体上。借此能大幅简化装置构造，进而显著降低构造难度和构造成本。

Claims (6)

1.一种船舶用混合式驱动装置，包括初级驱动马达、水上传动装置(1)和至少一个具有定子和转子的电力次级驱动马达(2)，所述初级驱动马达设于所述船舶内部并且对驱动轴(11)进行驱动，所述水上传动装置设于所述驱动轴下游，包含传动装置壳体(10)且用于驱动从所述水上传动装置(1)伸出的竖轴(13)，所述至少一个电力次级驱动马达可协助或替代所述初级驱动马达驱动所述竖轴(13)，其特征在于，所述至少一个电力次级驱动马达(2)被构造为内转子马达，其具有旋转驱动式空心轴(20)和用作定子的马达壳体(21)，并且所述定子以抗扭方式与所述水上传动装置(1)的传动装置壳体(10)相连，所述次级驱动马达(2)的空心轴(20)内设有所述驱动轴(11)的联轴器(14)。
2.根据权利要求1所述的混合式驱动装置，其特征在于，所述次级驱动马达(2)被构造为永磁同步马达。
3.根据权利要求1或2所述的混合式驱动装置，其特征在于，所述次级驱动马达(2)由力矩马达构成。
4.根据权利要求1所述的混合式驱动装置，其特征在于，所述次级驱动马达(2)借助其空心轴(20)设置在所述驱动轴(11)上。
5.根据权利要求1所述的混合式驱动装置，其特征在于，所述次级驱动马达(2)可在发电机模式下运行。
6.根据权利要求1所述的混合式驱动装置，其特征在于，所述次级驱动马达(2)不具有自有轴承。
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