DE102010015665A1

DE102010015665A1 - Linearantrieb für eine Schiffsrudermaschine

Info

Publication number: DE102010015665A1
Application number: DE102010015665A
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen Lahrz; Georg Schulz
Original assignee: ESW GmbH
Current assignee: Vincorion Advanced Systems GmbH
Priority date: 2010-04-16
Filing date: 2010-04-16
Publication date: 2011-10-20

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Linearantrieb für eine Schiffsrudermaschine, insbesondere für Rudermaschinen von U-Booten. Die Aufgabe, eine neue Möglichkeit zum Antrieb der Ruderanlage eines Schiffes, insbesondere eines U-Bootes, zu finden, die bei Erfüllung aller vorgeschriebenen Leistungsdaten, einschließlich eines hohen Wirkungsgrades, die Einhaltung einer sehr niedrigen Körperschallemission gewährleistet, wird bei einem aus Gewindespindel und Spindelmutter bestehenden Gewindetrieb, der mit einem als Hohlwelle ausgebildeten Rotor eines Torquemotors in Verbindung steht, erfindungsgemäß gelöst, indem der Torquemotor ein rippelkraftfreier Synchron-Torquemotor ist, der Gewindetrieb ein losefreier Planetenrollengewindetrieb ist und der Torquemotor mit dem rotierenden Teil des Gewindetriebs einen einheitlichen Rotor bildet, der in lediglich zwei Rotorlagerungen gelagert ist, wobei wenigstens eine der Rotorlagerungen mindestens axial vorgespannt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Linearantrieb für eine Schiffsrudermaschine, bei dem ein Gewindetrieb mit Gewindespindel und Spindelmutter von mindestens einem elektrischen Torquemotor angetrieben wird, wobei ein als Hohlwelle ausgebildeter Rotor des Torquemotors mit dem Gewindetrieb in Verbindung steht, insbesondere für Rudermaschinen von U-Booten.
Im Stand der Technik sind zur Rudersteuerung von U-Booten vor allem hydraulische Linearantriebe bekannt geworden, mit denen bei hoher Genauigkeit größere Stellkräfte auf die Ruderanlage übertragen werden können. Wegen der hohen Bereitstellungsaufwände und des hohen Gefahrenpotenzials im Havariefall der Hydraulikantriebe wird zunehmend zu elektrischen Linearantrieben übergegangen. Solche bekannten elektromechanischen Linearantriebe, wie z. B. der aus der DE 101 58 870 A1 und der aus der DE 20 2005 005 848 U1 bekannt, realisieren jeweils die Antriebe mit herkömmlichen Wälzlagerungen und zusätzlichem Untersetzungsgetriebe. Diese Lösungen erfüllen jedoch nicht die hohen Anforderungen an die Körperschallemissionen beim Einsatz in U-Booten und sind daher dort nicht einsetzbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zum Antrieb der Ruderanlage eines Schiffes, insbesondere eines U-Bootes, zu finden, die bei Erfüllung aller vorgeschriebenen Leistungsdaten, einschließlich eines hohen Wirkungsgrades, die Einhaltung einer sehr niedrigen Körperschallemission gewährleistet.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem Linearantrieb für eine Rudermaschine, bei dem ein aus Gewindespindel und Spindelmutter bestehender Gewindetrieb mittels mindestens eines elektrischen Torquemotors angetrieben wird, wobei ein als Hohlwelle ausgebildeter Rotor des Torquemotors mit dem Gewindetrieb in Verbindung steht, dadurch gelöst, dass der Torquemotor ein rippelkraftfreier Synchron-Torquemotor ist, dass der Gewindetrieb ein losefreier Planetenrollengewindetrieb ist und dass der Torquemotor mit dem rotierenden Teil des Gewindetriebs einen einheitlichen Rotor bildet, der in lediglich zwei Rotorlagerungen gelagert ist, wobei wenigstens eine der Rotorlagerungen mindestens axial vorgespannt ist.
Vorteilhaft ist der Torquemotor als ein Mehrphasen-Synchron-High-Torque-Motor und der Gewindetrieb ist als ein Wälzgewindetrieb ausgebildet.
Zur Erreichung einer geräuscharmen und losefreien Arbeitsweise der Rudermaschine weist der Rotor zweckmäßig eine Rotorlagerung mit einem Festlager und einem Loslager auf.
Dabei besteht das Festlager vorzugsweise aus zwei Axialrollenlagern und einem Radialnadellager und das Loslager ist vorteilhaft als Gleitlager ausgebildet. Das Festlager kann zweckmäßig mit Hilfe einer Präzisionssicherungsmutter in axialer Richtung vorgespannt werden.
Der Torquemotor ist vorteilhaft mit einer digitalen Leistungselektronik verbunden, die eine Versorgungsspannung in ein erforderliches Mehrphasen-Drehstromsystem zur Speisung des Torquemotors umwandelt. Dazu weist die Leistungselektronik zweckmäßig einen mit einem Stellungsgeber verbundenen Motorregler und eine Leistungsendstufe auf, mit denen der Torquemotor sinusförmig geregelt wird.
Der Stellungsgeber ist vorzugsweise als Rotationsgeber an einem fastfreien Ende des Rotors des Torquemotors angekoppelt, sodass eine von der Gewindespindel ausgeführte Linearbewegung in Inkrementen der Drehung des Rotors gemessen und zur Steuerung des Torquemotors verwendet wird.
Der Motorregler enthält aufeinanderfolgend vorteilhaft einen Positionsregler, einen Drehzahlregler und einen Stromregler, wobei dem Positionsregler ein externer Positionssollwert sowie ein Positions-Istwert vom Stellungsgeber zugeführt ist und im Motorregler vorzugsweise auf Basis von Soll-/Istwert-Vergleichen und Filterung der jeweiligen Eingangsignale innerhalb der Regelungskette aus Positionsregler, Drehzahlregler und Stromregler ein Sollwert für die Leistungsendstufe zur Erzeugung des Mehrphasen-Drehstromsystems vorgesehen ist.
Zur Minimierung der Körperschallemissionen des Linearantriebs der Rudermaschine ist die Regelungskette aus Positionsregler, Drehzahlregler und Stromregler vorteilhaft bei laufender Schallemissionsmessungen mittels Anpassung der digitalen Filterung der Soll-/Istwert-Vergleichssignale bezüglich der Schallemission optimierbar. Dadurch werden insbesondere die Schallemissionen im Frequenzbereich zwischen 0 und 2,4 kHz deutlich reduziert.
Die erfindungsgemäße Lösung basiert auf dem Grundgedanken, dass zur Minimierung der Körperschallemissionen ein rippelkraftfreier Torquemotor ohne Untersetzungsgetriebe in einen Linearantrieb mit Gewindetrieb kombiniert wird. Zur Umsetzung der drehenden Bewegung des Torquemotors in eine Linearbewegung ist ein Gewindetrieb mit Planetenrollenspindel vorgesehen, bei dem entweder die Spindelmutter rotatorisch angetrieben und dadurch die Spindel in axialer Richtung bewegt wird oder die Spindel rotatorisch angetrieben und die Spindelmutter mit einem Schubrohr in axialer Richtung linear bewegt wird.
Der elektromotorische Linearantrieb enthält einen rippelkraftfreien Direktantrieb mit spielfreiem Gewindetrieb und ermöglicht wegen der speziellen Konstruktion des Gewindetriebes und dessen kombinierter Lagerung gemeinsam mit dem Rotor des Torquemotors einen auf die unbedingt erforderliche Komponentenanzahl und minimale Anzahl von Lagerstellen reduzierten und dennoch leistungsfähigen Ruderantrieb mit niedriger Drehzahl und minimaler Körperschallabstrahlung.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich, einen Antrieb der Ruderanlage eines U-Bootes zu realisieren, der bei Erfüllung der vorgeschriebenen Leistungsdaten die Einhaltung von extrem niedrigen Körperschallemissionen auch bei niedrigen Motordrehzahlen gewährleistet.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:
1: eine Prinzipansicht der Erfindung als Axialschnitt eines Linearantriebs, bei dem der Direktantrieb (Torquemotor) mit der Spindelmutter in Verbindung steht;
2: eine Prinzipansicht der Erfindung als Axialschnitt eines Linearantriebs, bei dem der Direktantrieb (Torquemotor) mit der Spindel in Verbindung steht;
3: ein Blockschaltbild einer elektrischen U-Boot-Rudermaschine unter Verwendung eines erfindungsgemäß mit rippelkraftfreiem Direktantieb betriebenen spielfreien Spindeltriebes;
4: eine Ausführungsform des Linearantriebs als komplette Funktionseinheit für den Ruderantrieb eines U-Bootes.
Der Linearantrieb enthält – wie in 1 in einem Axialschnitt dargestellt – einen Direktantrieb in Form eines Torquemotors 1, einen Gewindetrieb, bestehend aus Gewindespindel 2 und Spindelmutter 3, eine zweiteilige Rotorlagerung 4 in einem Antriebsgehäuse 5 sowie eine Schubstange 6, die am linear bewegten Teil des Gewindetriebes befestigt ist und einen Druckkörper 10 der Ruderanlage bewegt. Ein Stellungsgeber 9, der am lastfreien Ende des Rotors 8 angebracht ist, erfasst die Stellung der Schubstange 6 in Inkrementen der Drehungen des Rotors 8.
Bei dem Torquemotor 1 wird ein Mehrphasen-Synchron-High-Torque-Motor in nutenloser Ausführung verwendet, wie er beispielsweise von der Fa. IDAM, Typ KA 1320 am Markt verfügbar ist. Ein solcher Motor erzeugt eine gleichförmige Bewegung, weil es innerhalb der Magneteinheit keine Rippelkräfte gibt.
Zur Steuerung des Torquemotors 1 dient – wie in einem Übersichtsblockschema der Rudermaschine gemäß 3 dargestellt – eine digitale Leistungselektronik, bestehend aus Motorregler 11 und Leistungsendstufe 12, die eine Versorgungsspannung in das erforderliche Mehrphasen-Drehstromsystem zur Speisung des Torquemotors 1 umwandelt. Die Phasenströme werden in der Leistungsendstufe 12 sinusförmig geregelt. Die Frequenz des erzeugten Drehfeldes ist abhängig von der Motorpolzahl und der Drehgeschwindigkeit des Torquemotors 1. Sie liegt üblicherweise zwischen 0 Hz und 50 Hz.
Der Torquemotor 1 wird durch Magnetfelder angetrieben, wobei sich im Rotor 8 ein von Permanentmagneten erzeugtes stationäres Magnetfeld befindet und in den Statorwicklungen ein elektromagnetisches Drehfeld erzeugt wird. Der Torquemotor 1 arbeitet nach dem Prinzip eines Synchronmotors.
Der als digitale Leistungselektronik ausgeführte Motorregler 11 ist vorteilhaft als Mikrocontrollersystem aufgebaut und wird mit einer dreiphasigen Leistungsendstufe 12 an den Torquemotor 1 gekoppelt. In dem Motorregler 11 sind verschiedene, vollständig digital aufgebaute Regelkreise vorhanden, die einen Positionsregler 111, einen Drehzahlregler 112 und einen Stromregler 113 beinhalten. Die Rotorposition des Torquemotors 1 wird vom Stellungsgeber 9 vorteilhaft mittels eines rotatorischen digitalen Encoders (nicht separat gezeichnet) erfasst. Die vom Stellungsgeber 9 ermittelte Position wird im Wesentlichen zur Kommutierung des Torquemotors 1 und zur Lagebestimmung des Aktuators (Gewindespindel 2 bzw. Schubstange 6) benutzt. Des Weiteren wird die Ist-Drehzahl des Torquemotors 1 durch Differenzierung des vom Stellungsgeber 9 bereitgestellten Positionssignals berechnet.
Wird extern, z. B. vom Ruderlenkstand, ein neuer Sollwert für die Ruderlage (d. h. eine neue Position der Gewindespindel 2) vorgegeben, so wird im Motorregler 11 am Eingang des Positionsreglers 111 dieser Wert mit dem anliegenden Positions-Istwert der Gewindespindel 2, geliefert vom Stellungsgeber 9, verglichen. Weisen die Positionswerte bei diesem Soll-/Istwert-Vergleich eine Differenz auf, so dient der Differenzwert als Eingangssollwert für den nachgeordneten Drehzahlregler 112. Der Drehzahlregler 112 wiederum führt an seinem Eingang einen Soll-/Istwert-Vergleich der Drehzahlen durch. Entsteht hier ein Differenzwert, so wird dieser entsprechend der dynamischen Auslegung eines Bandpass- und eines Tiefpassfilters als Sollwert für den nachfolgenden Stromregler 113 verarbeitet.
Der Stromregler 113 führt ebenfalls einen Soll-/Istwert-Vergleich zwischen diesem Stromsollwert und einem gemessenen Motorstrom-Istwert durch. Eine Differenz wird entsprechend der im Stromregler 113 vorhandenen Filterung verarbeitet und als Sollwert an die Leistungsendstufe 12 gegeben. Die Leistungsendstufe 12 bildet aus dieser Vorgabe ein dreiphasiges Signal für die Statorwicklung des Torquemotors 1, wodurch hier ein Drehfeld entsteht und der Torquemotor 1 somit die Spindelmutter 3 in die gewünschte neue Position (Anzahl von Winkelinkrementen) dreht, so dass die Gewindespindel 2 die gewünschte Spindelposition (zur Auslenkung der Ruder) anfährt.
Um die Körperschallemission insbesondere im Frequenzbereich von 0 ...2,4 kHz zu minimieren, kann die digitale Leistungselektronik des Motorreglers 11 und der Leistungsendstufe 12 dadurch besonders fein angepasst werden, dass die im Stromregler 113 vorhandenen Filter bei laufenden Körperschallmessungen einem „Feintuning” unterzogen werden. Eine weitere Optimierung lässt sich durch digitale Filter im Drehzahlregler 112 sowie durch geeignete Anpassung der Zeitkonstanten der Drehzahlregelung erreichen.
Zur Umsetzung der drehenden Bewegung des Torquemotors 1 in eine Linearbewegung ist ein Gewindetrieb mit Planetenrollenspindel vorgesehen, bei dem entweder die Spindelmutter 3 rotatorisch angetrieben und dadurch die Gewindespindel 2 in axialer Richtung bewegt wird, wie das im Axialschnitt von 1 schematisch gezeigt ist, oder die Gewindespindel 2 rotatorisch angetrieben und die Spindelmutter 3 mit einem Schubrohr gemäß der Darstellung in 2 in axialer Richtung linear bewegt wird. Im Weiteren wird – ohne Beschränkung auf diese Ausführungsform – die erfindungsgemäße Lösung mit einer vom Torquemotor 1 angetriebenen Spindelmutter 3 beschrieben.
Die Lagerung von Spindelmutter 3 und Rotor 8, der rotierend im Antriebsgehäuse 5 gelagert ist und die Spindelmutter 3 in den beweglichen Teil des Torquemotors 1 starr integriert, ist in nur zwei gemeinsamen Rotorlagerungen 4 zusammengefasst. Gemäß der Erfindung sind die Spindelmutter 3 und die beiden Rotorlagerungen 4 speziell ausgeführt, wie nachfolgend mit Bezug auf 4 näher beschrieben wird.
In 4 ist ein für die Rudermaschine eines U-Bootes speziell ausgebildeter Linearantrieb mit allen bereits zu 1 beschriebenen Komponenten dargestellt. Insbesondere sind besondere Flansche und Montageverschraubungen des Antriebsgehäuses 5 gezeigt.
Für die Lagerung des Rotors 8 mit der Spindelmutter 3 sind ein dreiteiliges Festlager 41, bestehend aus zwei Axialrollen- und einem Radialnadellager, dessen beide Axialrollenlager mit einem Kunststoffkäfig zur Vermeidung von Anlaufgeräuschen der Rollen in der Käfigführung ausgestattet sind, vorhanden sowie ein Loslager 42 an der lastfreien Seite des Gewindetriebes vorgesehen, das als Gleitlager ausgeführt ist, so dass es von seinem Funktionsprinzip her eine sehr geringe Geräuschemission hat.
Das Festlager 41 ist derart konstruiert, dass die Axialrollen- und einem Radialnadellager mit Hilfe einer Präzisionssicherungsmutter 43 in axialer Richtung vorgespannt werden, so dass es auch unter Einfluss von reversierenden Axialkräften zu keiner Lose und damit zu keinem Aneinanderschlagen von Rollen und Druckringen kommen kann.
Der Gewindetrieb ist als Planetenrollengewindetrieb, vorzugsweise als Wälzgewindetrieb ausgebildet, bei dem zwischen dem Innengewinde der Spindelmutter 3 und dem Außengewinde der Gewindespindel 2 in einem Ringraum mehrere Gewinderollen wie Planeten umlaufen und dabei in einem ständigen Kontakt axiale Kräfte von der Spindelmutter 3 auf die Spindel 2 und umgekehrt übertragen können. Zur Vermeidung von Geräuschen beim Umlaufen der Planetenrollen ist das Rollensystem verspannt, sodass es auch unter Belastung zu keiner Lose kommen und somit zu keinem Aneinanderschlagen von Teilen, wie Rollen, Druckringen etc., kommen kann.
Eine Drehmomentabstützung 7 ist zur Sicherung der ausschließlich axialen Bewegung der Gewindespindel 2 erforderlich und kann innerhalb des Antriebsgehäuses 5 der Rudermaschine – wie in 1 und 2 im vorderen Flanschteil des Antriebsgehäuses 5 stilisiert dargestellt – über eine formschlüssige Schubverbindung wie z. B. eine Vielkeil-, Vielkant-, Polygon- bzw. Passfederverbindung oder aber auch extern an der Verbindung zwischen Rudermaschine und Ruder (nicht gezeichnet) erfolgen.
Der für eine U-Boot-Rudermaschine konzipierte elektromotorische Linearantrieb mit in einen Gewindetrieb integriertem Torquemotor 1 ist eine in sich geschlossene Funktionseinheit, die prinzipiell – wie bei U-Booten mit Hydraulikantrieben üblich – innerhalb oder außerhalb des Schiffsrumpfes montiert werden kann, wobei die Außenschiffsvariante entsprechend druckdicht ausgelegt sein muss.
Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich gegenüber den bisherigen Lösungen dadurch aus, dass der elektrisch angetriebene Linearantrieb einen rippelkraftfreien Direktantrieb mit einem spielfreien Gewindetrieb kombiniert und durch eine spezielle Konstruktion der Lagerung und kombinierten Abstützung von direktangetriebenem Rotor und Gewindetrieb in nur zwei Lagerstellen aus Fest- und Loselager einen kompakten und leistungsfähigen Ruderantrieb mit niedriger Drehzahl und minimaler Körperschallemission ermöglicht.
Bezugszeichenliste

1: Torquemotor
2: Gewindespindel
3: Spindelmutter
4: Rotorlagerung
41: Festlager
42: Loslager
43: Präzisionssicherungsmutter
5: Antriebsgehäuse
6: Schubstange
7: Drehmomentstütze
8: Rotor
9: Stellungsgeber
10: Druckkörper
11: Motorregler
111: Positionsregler
112: Drehzahlregler
113: Stromregler
12: Leistungsendstufe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10158870 A1 [0002]
DE 202005005848 U1 [0002]

Claims

Linearantrieb für eine Schiffsrudermaschine, bei dem ein Gewindetrieb mit Gewindespindel (2) und Spindelmutter (3) von mindestens einem elektrischen Torquemotor (1) rotatorisch angetrieben wird, wobei ein als Hohlwelle ausgebildeter Rotor (8) des Torquemotors (1) mit dem Gewindetrieb in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass – der Torquemotor (1) ein rippelkraftfreier Synchron-Torquemotor ist, – der Gewindetrieb ein losefreier Planetenrollengewindetrieb ist und – der Torquemotor (1) mit dem rotierenden Teil des Gewindetriebs einen einheitlichen Rotor (8) bildet, der in lediglich zwei Rotorlagerungen (4) gelagert ist, wobei wenigstens eine der Rotorlagerungen (4) mindestens axial vorgespannt ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Torquemotor (1) ein Mehrphasen-Synchron-High-Torque-Motor ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewindetrieb ein Wälzgewindetrieb ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Rotorlagerungen (4) ein Festlager (41) und eine weitere ein Loslager (42) ist.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Festlager (41) aus zwei Axialrollenlagern und einem Radialnadellager besteht.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Festlager (41) mit Hilfe einer Präzisionssicherungsmutter (43) in axialer Richtung vorgespannt ist.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Loslager (42) ein Gleitlager ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Torquemotor (1) mit einer Leistungselektronik (11, 12) verbunden ist, die eine Versorgungsspannung in ein erforderliches Mehrphasen-Drehstromsystem zur Speisung des Torquemotors (1) umwandelt.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronik (11, 12) einen mit einem Stellungsgeber (9) verbundenen Motorregler (11) und eine Leistungsendstufe (12) aufweist, mit denen der Torquemotor (1) sinusförmig geregelt wird.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellungsgeber (9) als Rotationsgeber an einem fastfreien Ende des Rotors (8) des Torquemotors (1) angekoppelt ist, so dass eine von der Gewindespindel (2) ausgeführte Linearbewegung in Inkrementen der Drehung des Rotors (8) gemessen und zur Steuerung des Torquemotors (1) verwendet wird.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Motorregler (11) aufeinanderfolgend einen Positionsregler (111), einen Drehzahlregler (112) und einen Stromregler (113) aufweist, wobei dem Positionsregler (111) ein externer Positionssollwert sowie ein Positions-Istwert vom Stellungsgeber (9) zugeführt ist und im Motorregler (11) auf Basis von Soll-/Istwert-Vergleichen und Filterung der jeweiligen Eingangsignale innerhalb der Regelungskette aus Positionsregler (111), Drehzahlregler (112) und Stromregler (113) ein Sollwert für die Leistungsendstufe (12) zur Erzeugung des Mehrphasen-Drehstromsystems durch vorgesehen ist.
Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungskette aus Positionsregler (111), Drehzahlregler (112) und Stromregler (113) bei laufender Schallemissionsmessungen mittels Anpassung der digitalen Filterung der Soll-/Istwert-Vergleichssignale bezüglich der Schallemission optimierbar ist.