CN108069011A - 船用驱动装置和用于运行船用驱动装置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种船用特别是帆船用驱动装置(1)，包括电机(4)、与电机(4)连接的螺旋桨(2)和控制装置，该电机设置用于在第一象限和第四象限中运行，其中，控制装置设置为能够使电机在第四象限中如此运行(4)，以至于该电机将通过螺旋桨传递给电机的流动能量再生为电能并且螺旋桨(2)的坡度和螺旋桨(2)的转速的乘积小于水与驱动装置之间的相对流速。

Description

船用驱动装置和用于运行船用驱动装置的方法

技术领域

本发明涉及一种船用、特别是帆船用驱动装置以及一种用于运行船用驱动装置的方法。

背景技术

已知的是，为了使船运动、例如为了让船进行机动动作，使用具有电机的船用驱动装置。

为了给电驱动装置供能，通常使用随船携带的电池，其例如可以通过设有岸连接端的充电装置充电。如果没有岸连接端可用，例如由于船正在运动，可以在船上设置具有内燃机的发电机，以便给电池充电，或者已知太阳能电池或风力发电机，借助于它们可以给电池充电。

船用驱动装置中的电机通常在第一象限中运行用于提供向前驱动并且由此用于向前行驶，并且在第三象限中运行用于提供向后驱动并且由此用于向后行驶或用于停止。电机或其控制装置在此通常通过远程操控杆从船的操作者获得相应的行驶指令。

发明内容

从已知的现有技术出发，本发明的任务在于，提供一种船用、特别是帆船用驱动装置，其提供用于给电池充电的替换措施。

该任务通过按照独立权利要求的驱动装置以及方法解决。有利的改进由从属权利要求以及本说明书和附图得出。

相应地，提出一种船用、特别是帆船用驱动装置，其包括电机、与电机连接的螺旋桨和控制装置。控制装置设置为能够使电机在第四象限中如此运行，以至于该电机将环绕螺旋桨的水的通过螺旋桨传递给电机的流动能量再生为电能。

电能由流动能量的再生在这里并且在下文中为将水的流动能量至少部分转换为电能。由此，可能的是，船载电池通过船运动通过水进行充电。这特别优选地可以在帆船中实现，因为在此通过帆产生的推力可部分转换为电能。因此，帆船可以在滑翔期间由其行驶通过水转换电能，借助于该电能又可以给船载电池充电。

此外，控制装置设置为能够使电机在第四象限中如此运行，以至于螺旋桨的坡度和螺旋桨的转速的乘积小于水与驱动装置之间的相对流速。通过这种方式可以实现优化的运行并且可以提供电能的过剩，其随后可以用于电池充电。

术语“象限”在这里并且在下文中涉及笛卡尔坐标系统的象限，其中，电机的转速记录在横坐标上，而电机的扭矩记录在横坐标上。电机的转速在同步电机中也伴随比例感应电压出现。扭矩也通过相电流矢量的长度和方向表示，其描述扭矩的高度和方向。

在第一象限中运行时(所谓的向前运行)，扭矩和转动方向两者都是正的并且因此是并行的。在第二象限中运行时(所谓的向后运行制动)，扭矩是正的但是转动方向是负的并且因此是反并行的。在第三象限中运行时(所谓的向后运行)，扭矩和转动方向两者都是负的并且因此也是并行的。在第四象限中运行时(所谓的再生或向前运行制动)，扭矩是负的但是转动方向是正的并且因此是反并行的。也就是说，在第四象限中的再生运行中，螺旋桨的转动方向是正的，而螺旋桨的扭矩是负的。

在此，电机在第四象限中的运行相应地如此实现，以至于转速和螺旋桨坡度的乘积、特别是其量值小于相对流速、特别是其量值。转速和螺旋桨坡度的乘积可以是螺旋桨理论上的推力，其在相同转速和螺旋桨坡度的情况下可以在第一象限中运行时实现。在这里并且在下文中，转速和螺旋桨坡度的乘积与相对流速的比例也称为放大系数。特别是，该放大系数可以是不变的并且小于1。螺旋桨坡度在这里并且在下文中相应于螺旋桨的几何坡度。特别是，螺旋桨坡度可以相应于如下路程，螺旋桨在转动一圈期间在固体材料中经过该路程。螺旋桨坡度可以是螺旋桨的恒定的或者平均累加的坡度。

通过驱动装置作为再生器在第四象限中运行，可以将水的流动能量和/或船的动能转换为用于运行驱动装置的电能。

替换或附加地，船可以包括另一驱动装置，该另一驱动装置例如借助于汽油或柴油运行。所述驱动装置和所述另一驱动装置的组合可以是混合式驱动装置。电驱动装置可以具有蓄能器、例如电池。蓄能器可以用于存储由流动能量再生的电能。

控制装置还可以设置为能够使电机如此运行，以至于放大系数恒定。由此，可以实现最大的再生功率。最佳的放大、亦即螺旋桨坡度和转速与相对速度的最佳比例例如由螺旋桨的几何结构、特别是螺旋桨形状和螺旋桨直径得出。在给定的几何结构的情况下，可以理论上计算出最佳的放大。接着，理论上计算出的最佳放大值可以例如经受驱动装置的运行中的实践证实和优化，例如在使用调节器的情况下。

按照一个优选实施形式，螺旋桨构成为折叠式螺旋桨。折叠式螺旋桨特别优选地用于帆船中，以便在滑翔时通过驱动装置提供尽可能小的阻力，但是在使用驱动装置时实现高的推力。特别是，螺旋桨可以是双叶片折叠式螺旋桨。

控制装置设置为能够使电机在第四象限中运行之前首先在第一象限中运行、即向前转动，以便展开螺旋桨。也就是说，借助于电机首先将螺旋桨加速到预定转速，以便能实现展开。折叠式螺旋桨的展开基于螺旋桨叶片的离心力进行，从确定的转速起，螺旋桨叶片相应地展开。在第一象限中的运行可以支持螺旋桨的打开，因为在电机式运行中产生力作用，该力作用推动船并且由此也挤压折叠式螺旋桨。然后，展开的螺旋桨的运行如上所述在第四象限中实施。

特别优选地，在此电机恒定地保持在如下转速，该转速一方面能实现电机在第三象限中尽可能高效的运行，但同时也阻止螺旋桨的再折叠。

折叠式螺旋桨的特征在于，螺旋桨、特别是其叶片或翼可以折叠。在帆船用驱动装置的情况下这是有利的，因为螺旋桨的流动阻力可以在帆式(或滑翔式)运行中减小。对于需使用驱动装置的情况，可以展开螺旋桨。在此产生如下挑战，即螺旋桨基于出现的离心力通常仅仅在第一象限中运行时并且必要时在第三象限中运行时才展开，亦即在电机的向前或向后推进运行激活时才展开。在正常运行中，既不可能也不期望折叠后的螺旋桨通过流来的水而转动；相反，该螺旋桨如此构成，使得螺旋桨在电机不驱动的情况下可靠地折叠，以便实现在滑翔时并且由此在电机关停的情况下尽可能小的阻力。但是可能绝对必要的是，螺旋桨的合上通过螺旋桨轴的固定或通过在非常小的转速下的运行支持。换言之，通过电机的相应驱控不仅可以实现折叠式螺旋桨的展开而且可以实现折叠式螺旋桨的合上。

现在，为了能实现利用折叠式螺旋桨在行驶通过水期间在第四象限中的运行，电机特别是可以短时地在第一象限中运行。由此使得螺旋桨展开。如果相对流速足够高，特别是正的，那么可以切换到在第四象限中的运行，并且螺旋桨的转动通过流来的水维持，其中，螺旋桨的转速通过控制单元控制和监控。螺旋桨的转动方向不会由于从第一象限到第四象限的运行转换而改变。随后，螺旋桨仍保持展开，其中，现在将流动能量转换为电能。

此外可能的是，螺旋桨设置为能够对于在第二象限中的运行首先在第三象限中运行。

特别优选地，控制装置设置为能够在第四象限中运行时提供折叠式螺旋桨的至少一个最小转速，以便在第四象限中运行时禁止折叠式螺旋桨的折叠。

按照驱动装置的至少一个实施形式，相对流速包括船速和/或水的绝对流速。相对流速可以是船速与绝对流速的差。优选地，相对流速是水关于螺旋桨的迎流速度。船速可以是船相对于地面的速度。水的绝对流速可以是水在船的区域中相对于地面的迎流速度。特别是在强流动的情况下，船相对于地面的速度可以不同于船通过水的速度。例如可能的是，如果船位于锚之前，则进行在第四象限中的运行。在该情况下船速是可忽略的小并且相对流速可以是绝对流速。此外可能的是，船在第四象限中的运行期间运动通过水。于是，在水接近不流动的情况下、例如在海面静止的情况下，相对流速可以是船关于地面的速度。

按照至少一个实施形式，驱动装置包括至少一个传感器。该至少一个传感器设置用于确定相对流速。该至少一个传感器可以是例如测压管、流动传感器和/或其他速度传感器。优选地，驱动装置包括多个传感器。可能的是，传感器中的至少之一是船的传感器，其与控制装置连接。

按照一个优选实施形式，传感器包含GPS传感器和/或流动传感器。例如在此可以使用船的GPS传感器和/或流动传感器。借助于GPS传感器可以特别是准确确定船速，亦即关于地面的速度。因此，在水的绝对流速小的情况下，可以非常准确地确定相对流速。

按照驱动装置的至少一个实施形式，控制装置设置为能够根据确定的相对流速调节螺旋桨转速。在此，控制装置可以与传感器特别是形成开环的调节回路(英语为：openloop)。例如，在相对流速提高时可以提高螺旋桨转速，或者反过来。替换或附加地，可以如此进行调节，以至于螺旋桨转速特别是在相对流速恒定的情况下保持恒定。

按照至少一个实施形式，驱动装置包括调节装置和用于确定由电机输出的功率的功率传感器。调节装置与功率传感器形成用于调节螺旋桨转速的闭环调节回路。闭环调节回路(英语为：closed loop)优选是反馈回路(英语：feedback loop)。于是，借助于该调节回路可以根据求得的电机功率调整螺旋桨转速。也就是说，功率调节可以被用来进行转速预定。

优选地，调节装置设置为能够借助于最大功率点跟踪(英语为：Maximum PowerPoint Tracker,MPPT)调节螺旋桨转速。在这样的方法中，输出的功率优选连续地借助于功率传感器监控。于是，根据求得的电机功率可以借助于调节装置调整电机的转速。电机的转速优选借助于最大功率点跟踪如此调整，使得输出的功率并且从而使得再生最大。

为了设定驱动装置的电机的最佳工作点，优选地可以将开环调节回路与闭环调节回路相组合。由此，首先可以借助于开环调节回路实现预调节以进行工作点的粗设定。然后，可以借助于闭环调节回路实现细优化。优化的工作点优选是再生最大时电机或螺旋桨的转速。例如，上述基于相对流速的调节适合于作为开环调节回路。特别是，可以将上述的功率调整对于闭环调节回路。

通过开环调节回路和闭环调节回路的组合尤其是可以将这两个方法的优点相组合。使用基于相对流速的测量的开环调节回路带来的优点例如在于船经过水以及关于地面的速度的相对恒定，从而螺旋桨和/或电机的扭矩的由于流体动力引起的波动(特别是由于水的绝对流速)可以良好地得到补偿。利用闭环调节回路可以借助于输出功率的优化实现转速的精确优化。通过开环调节回路和闭环调节回路的组合可以降低闭环调节回路的放大，从而系统获得更高的稳定性。

按照至少一个实施形式，螺旋桨坡度是相对流速的函数。在具有可调节的坡度的螺旋桨中(其也作为自动螺旋桨已知)就是这种情况。换言之，螺旋桨坡度随着相对流速的上升和/或下降而变化。控制装置设置为能够根据相对流速和该函数调节螺旋桨转速。

优选地，借助于开环调节回路、特别是上述的开环调节回路进行调节。驱动装置可以优选对于开环调节回路的情况包含存储单元，在该存储单元中存储有所述函数。例如，螺旋桨坡度的函数作为查阅表(英语为：look-up table)存储在该存储单元中。替换或附加地，在这种取决于速度的螺旋桨坡度的情况下也可以借助于最大功率点跟踪进行转速调节。在该情况下，所述放大自适应地匹配于作为转速函数的、随转速变化的螺旋桨坡度。也可以利用最大功率点跟踪进行所述放大的跟踪。

除了自动螺旋桨之外，具有可从外部改变的斜坡的螺旋桨也是已知的。

在具有可从外部改变的螺旋桨斜坡的螺旋桨中，可以由控制装置如此调整螺旋桨坡度，使得结合同样经过调整的螺旋桨速度可以实施关于在第四象限中运行方面的优化并且由此可以在各相对流速下实现最大再生功率。

通过考虑借助于控制装置的功能可能的是，补偿螺旋桨几何结构随相对流速的变化。这可以特别是对于如下情况是有利的，在该情况中螺旋桨是折叠式螺旋桨。在折叠式螺旋桨的情况下，该折叠式螺旋桨可以随着船在水中的速度的提高并且由此随着相对流速的上升而逐渐闭合。这可以导致螺旋桨几何结构并且由此导致放大系数的改变。对于该情况，考虑取决于速度的放大系数、特别是在使用查阅表的情况下、可以是有利的。

通过所建议的调节也可能的是，在再生功率上升和/或流速上升的情况下对变化的螺旋桨几何结构做出反应。通过再生功率的提高和/或流速的提高，折叠式螺旋桨在转速相同并且由此作用于螺旋桨叶片的打开离心力相同的情况下略微折叠，直至又出现力平衡。由此，有效的螺旋桨几何结构改变，这由所建议的调节在运行中考虑。

在此，也可以设置用于在展开位置中锁止螺旋桨叶片的装置，该装置在所述再生运行中并且特别是在再生功率上升或流速上升时以机械方式防止螺旋桨叶片折叠。这个用于在展开位置中锁止螺旋桨叶片的装置优选也由控制装置驱控或者可以基于电机的预定的运行模式移交给用于锁止螺旋桨叶片的装置。

此外，还提出一种用于运行船用、特别是帆船用驱动装置的方法。优选地，该方法适用于运行这里描述的船用驱动装置。也就是说，对于驱动装置公开的全部特征也对于该方法公开，反之亦然。

根据上面提出的任务，在改方法的一个方法步骤中提供驱动装置，其中，该驱动装置包括电机、与电机连接的螺旋桨和控制装置。在另一方法步骤中，将螺旋桨放入水中。水具有关于驱动装置的相对流速。在另一方法步骤中，利用控制装置使电机在第四象限中如此运行，以至于将水的通过螺旋桨传递给电机的流动能量再生为电能并且螺旋桨的坡度和螺旋桨的转速的乘积小于相对流速。

按照该方法的至少一个实施形式，电机在第四象限中运行，而在船运动通过水。这样的运行特别适用于帆船的情况下。在此，帆船可以使用帆运动。

替换或附加地可能的是，船具有另一驱动装置，例如内燃机，船借助于该内燃机运动通过水。由于船的运动，水以相对于船的驱动装置的相对流速运动。于是，由此产生的流动能量可以通过在第四象限中的运行而部分地转换为电能。在此，替换或附加地可能的是，电机在第四象限中运行，而船位于关于地面固定的位置上，也就是例如位于锚之前。在该情况下，流动能量主要由水环绕船的流动产生。这在具有高的潮汐流的地域或在河流中是特别有利的。

按照该方法的至少一个实施形式，螺旋桨是折叠式螺旋桨。在电机在第四象限中运行之前，电机在第一象限中运行，以便展开螺旋桨。在第一象限中的特别是短时的运行支持电机的展开并且由此提供了对于作为用于流动能量的再生的再生器的运行的前提。

优选地，电机在第一象限中以略高的转速而在第四象限中以略低的转速运行，所述转速是相对于如下转速而言，在该转速下转速和坡度的乘积等于相对流速。

按照该方法的至少一个实施形式，驱动装置包含调节装置和用于确定由电机输出的功率的功率传感器。该调节装置与功率传感器形成用于调节螺旋桨转速的闭环调节回路。然后，借助于最大功率点跟踪在使用闭环调节回路的情况下设定螺旋桨的转速。

此外，还提出一种船用、特别是帆船用驱动装置，其包括电机、与电机连接的螺旋桨和控制装置，该螺旋桨的转动轴线关于与之垂直布置的竖轴是可偏转的。按照本发明，控制装置设置为能够使螺旋桨绕的转动轴线相对于向前推进运行关于竖轴偏转180°并且使电机在第二象限中如此运行，以至于该电机将通过螺旋桨传递给电机的流动能量再生为电能。

螺旋桨(其转动轴线关于竖轴是可偏转的)的布置例如可以通过将电机和螺旋桨容纳在船下的、绕竖轴可偏转的吊架中或者通过可偏转的帆驱动器或Z驱动器实现。

通过螺旋桨的转动轴线的颠倒，该螺旋桨几乎沿相反于船的行驶方向定向。由此，螺旋桨可以通过流来的水而转动，其中，螺旋桨于是向后转动，亦即沿相应于向后推动的转动方向转动。于是，通过电机在第二象限中的运行可以将流动能量再生为电能。

如果在此应用折叠式螺旋桨，那么流来的水在螺旋桨的展开方向上作用，从而可以省去在第三象限中的短时运行。

另外的涉及电机的控制和调节的实施方案——其在上面关于在第四象限中的运行描述——类似地适用于在第二象限中的运行。

附图说明

通过下面的附图说明更详细地阐述本发明的优选实施方式。附图示出：

图1：在此描述的驱动装置的第一实施例的示意图；以及

图2：在此描述的驱动装置的第二实施例的示意图。

具体实施方式

在下文中根据附图描述优选实施例。在此，相同、相似、同样或相同作用的元件在不同附图中设有相同附图标记。这些元件的重复描述被部分地省去，以便避免冗余。附图和在附图中示出的元件相互的大小比例不应视为按照比例的。相反，为了更好的可显示性和/或为了更好的理解，各个元件可以过度大地示出。

借助于图1的示意图详细阐述这里描述的驱动装置1的第一实施例。驱动装置1包括电机4和螺旋桨2，螺旋桨2借助于驱动轴41与电机4连接。借助于驱动轴41可以将电机4的转动运动、特别是其转速传递给螺旋桨2。驱动装置1还包括第一壳体31、第二壳体32以及第三壳体33。第一壳体31例如用于将驱动装置1固定在船的船体上。第三壳体33包含电机4。壳体31、32、33可以构成为防水的。也就是说，位于壳体31、32、33中的装置、例如电机4可以通过相应的壳体31、32、33保护免受环绕船的水。

驱动装置1还包括控制装置(在附图中没有示出)，其与电机4连接。该控制装置设置用于控制所述电机4并且由此也控制螺旋桨2的转速。控制装置可以装入到所述壳体31、32、33之一中。替换地，该控制装置可以安装在船的甲板上。

图1中所示的实施例涉及具有折叠式螺旋桨2的舱式驱动装置1。螺旋桨2可以设置为能够折叠。在折叠的位置2‘、2“中，螺旋桨2具有相比于在展开状态下较小的流动阻力。

驱动装置1还可以具有传感器(在附图中没有示出)。借助于传感器例如可以确定驱动装置1并且特别是螺旋桨2关于围绕该驱动装置1的水的相对流速。替换或附加地，功率传感器可以与驱动装置1的电机4连接并且确定由电机4输出的功率。于是，可以在使用最大功率点跟踪的情况下来确定电机4并由此螺旋桨2的转速。

借助于图2的示意图详细阐述这里描述的驱动装置1的第二实施例。驱动装置1也包括电机4和螺旋桨2。驱动装置1的第二壳体32可以被设置用于固定在船的船体上。

与附图中的显示相反地，螺旋桨2也可以包含两个以上的螺旋桨叶片。例如，螺旋桨2可以包含三个或更多螺旋桨叶片。

本发明并不局限于描述的这些实施例。相反，本发明包括任何新的特征以及任何特征组合，特别是包括权利要求中的特征的任何组合，即使该特征或该组合自身没有明确地在权利要求或实施例中给出。

附图标记列表：

1 驱动装置

2 螺旋桨

2',2” 折叠的螺旋桨

31 第一壳体

32 第二壳体

33 第三壳体

4 电机

41 驱动轴

Claims (13)

1.一种船用、特别是帆船用驱动装置(1)，其包括电机(4)、与电机(4)连接的螺旋桨(2)和控制装置，其特征在于，所述控制装置设置为能够使所述电机(4)在第四象限中如此运行，以至于该电机将通过螺旋桨(2)传递给电机(4)的流动能量再生为电能。

2.根据权利要求1所述的驱动装置(1)，其特征在于，所述控制装置设置为使所述电机(4)如此运行，以至于所述螺旋桨(2)的螺旋桨坡度和所述螺旋桨(2)的转速的乘积小于水与驱动装置之间的相对流速。

3.根据权利要求1或2所述的驱动装置，其特征在于，所述螺旋桨(2)构成为折叠式螺旋桨，并且所述控制装置设置为能够使电机(4)在第四象限中运行之前在第一象限中运行，以便使所述螺旋桨(2)展开，并且特别优选地维持所述螺旋桨(2)的预定的最小转速。

4.根据上述权利要求之一所述的驱动装置，其特征在于，用于确定驱动装置与水之间的相对流速的传感器与所述控制装置连接。

5.根据上述权利要求之一所述的驱动装置，其特征在于，用于确定驱动装置关于地面的速度的GPS传感器与所述控制装置连接。

6.根据上述两个权利要求之一所述的驱动装置，其特征在于，所述控制装置设置为能够根据所确定的相对流速和/或关于地面的速度调节所述螺旋桨(2)的转速。

7.根据上述权利要求之一所述的驱动装置，其特征在于，设有用于确定由电机(4)输出的功率的功率传感器，并且一调节装置与该功率传感器形成用于调节所述螺旋桨(2)的转速的闭环调节回路。

8.一种船用、特别是帆船用驱动装置(1)，其包括电机(4)、与电机(4)连接的螺旋桨(2)和控制装置，该螺旋桨的转动轴线关于与之垂直布置的竖轴是可偏转的，其特征在于，所述控制装置设置为能够使螺旋桨(2)的转动轴线绕所述竖轴相对于向前推进运行偏转180°并且使电机(4)在第二象限中如此运行，以至于该电机将通过螺旋桨(2)传递给电机(4)的流动能量再生为电能。

9.一种用于运行船用、特别是帆船用驱动装置(1)的方法，具有以下步骤：

-提供驱动装置(1)，其包括电机(4)、与电机连接的螺旋桨(2)和控制装置；

-将螺旋桨(2)放入水中，其中，水具有关于所述驱动装置(1)的相对流速；

-利用所述控制装置使所述电机(4)在第四象限中如此运行，以至于将水的通过螺旋桨(2)传递给电机的流动能量再生为电能。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述控制装置如此控制或调节所述螺旋桨(2)的转速，以至于所述螺旋桨(2)的坡度和螺旋桨(2)的转速的乘积小于所述相对流速。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其中，所述螺旋桨(2)是折叠式螺旋桨，并且所述电机(4)在第四象限中运行之前在第一象限中运行，以便使所述螺旋桨(2)展开，并且特别优选地维持所述螺旋桨(2)的预定的最小转速。

12.根据权利要求9至11之一所述的方法，其中，所述驱动装置具有用于确定由电机(4)输出的功率的功率传感器，并且一调节装置与该功率传感器形成用于调节螺旋桨(2)的转速的闭环调节回路，其中，所述螺旋桨(2)的转速借助于最大功率点跟踪法在使用该闭环调节回路的情况下设定。

13.一种用于运行船用、特别是帆船用驱动装置(1)的方法，具有以下步骤：

-提供驱动装置(1)，其包括电机(4)、与电机连接的螺旋桨(2)和控制装置，该螺旋桨的转动轴线能够关于与之垂直布置的竖轴偏转；

-将所述螺旋桨(2)放入水中，其中，水具有关于所述驱动装置(1)的相对流速；

-将螺旋桨的转动轴线绕所述竖轴相对于向前推进运行中的定向偏转180°；

-利用所述控制装置使所述电机(4)在第二象限中如此运行，以至于将水的通过螺旋桨(2)传递给电机的流动能量再生为电能。