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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Unterseebootes gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. ein Unterseebootes gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 8.
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Ein in der
WO 2004/068694 A1 beschriebenes Propulsionsantriebssystem für ein Unterseeboot umfasst eine als eine Synchronmaschine ausgebildete elektrische Maschine mit einem permanentmagnetisch erregten Läufer und mit einem Ständer, in dem eine Ständerwicklung angeordnet ist, die eine Vielzahl von Wicklungssträngen, beispielsweise 24 Wicklungsstränge, aufweist. Für jeden der Wicklungsstränge ist dabei jeweils ein separater einphasiger Pulsumrichter zur Speisung des Wicklungsstranges mit elektrischem Strom vorhanden. Die Umrichter zur Speisung der Wicklungsstränge befinden sich hierbei in Form von Umrichtermodulen im Inneren der Synchronmaschine und sind in axialer Richtung zwischen einem A-seitigen Lagerschild und einem B-seitigen Lagerschild in einem Umrichterhaltegerüst angeordnet. Die Umrichter ragen dabei in einen Zwischenraum, der durch eine Welle der Synchronmaschine und eine den Läufer tragenden, drehfest auf der Welle befestigte Läufernabe ausgebildet ist.
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Derartige Unterseeboot-Propulsionsantriebssysteme erfreuen sich aufgrund ihrer hohen Kompaktheit, des damit einhergehenden geringen Platzbedarfs und aufgrund der geringen im Betrieb erzeugten Geräusche hoher Beliebtheit und werden beispielsweise von der Anmelderin unter dem Produktnamen „SINAVY Permasyn” vertrieben.
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Der jedem Wicklungsstrang zugeordnete einphasige Pulsumrichter wird aus einer DC-Spannungsversorgungseinrichtung mit elektrischer Energie gespeist. Jeder Pulsumrichter weist dabei üblicherweise zwei Halbbrücken mit jeweils zwei Halbleiterschaltern auf. Mittels einer geeigneten Ansteuervorrichtung werden die Schalter so angesteuert, dass sich an den Ausgangsklemmen des Pulsumrichters und damit am dort angeschlossenen Wicklungsstrang eine gewünschte Spannung einstellt. Die Pulsumrichter-Ausgangsspannung entsteht dabei als Differenzspannung der Ausgangspotentiale der beiden Halbbrücken.
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Der Motor weist dabei zwei Betriebsarten bzw. Betriebsbereiche auf:
- a) Einen ersten Betriebsbereich für einen wirkungsradoptimierten und akustisch geräuschoptimierten Betrieb des Motors im unteren Drehzahlbereich des Motors, bei dem jeweils zwei der Wicklungsstränge über eine Zusatzdrossel in Reihe geschaltet sind und von jeweils einer Halbbrücke der den beiden Wicklungssträngen zugeordneten Pulsumrichtern gespeist werden. Alle sich hieraus ergebenden und aus einer gemeinsamen DC-Spannungsversorgungsvorrichtung gespeisten Reihenschaltungen von Wicklungssträngen sind dann wiederum parallel zueinander geschaltet.
- b) Einen zweiten Betriebsbereich für einen vergleichsweise höheren Drehzahlbereich und für höhere Antriebsleistungen, bei dem alle Wicklungsstränge von dem ihnen jeweils zugeordneten Pulsumrichter gespeist werden und dabei alle aus einer gemeinsamen DC-Spannungsversorgungseinrichtung gespeisten Wicklungsstränge parallel zueinander geschaltet sind.
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Es kann dabei ein Betriebspunkt definiert werden, bei dessen Erreichen von dem ersten Betriebsbereich in den zweiten Betriebsbereich umgeschaltet wird bzw. umgekehrt. Der Betriebspunkt kann beispielsweise durch einen Schwellwert für eine Drehzahl des Antriebsmotors definiert sein, wobei dieser Schwellwert wiederum durch einen maximal zulässigen Nennstrom über die Reihenschaltung der Wicklungsstränge bestimmt ist.
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Da im Falle eines Schiffes oder Bootes die Antriebsleistung und somit der Laststrom über die Propellerkurve mit der Drehzahl des Antriebsmotors verknüpft sind, lässt sich eine Drehzahl ableiten, ab der der zulässige Nennstrom überschritten wird.
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Befindet sich der Motor im ersten Betriebsbereich und wird der Schwellwert für die Drehzahl überschritten, wird der Antriebsmotor von einer Steuerungseinrichtung in den zweiten Betriebsbereich umgeschaltet. Befindet sich der Motor umgekehrt in dem zweiten Betriebsbereich und wird der Schwellwert für die Drehzahl unterschritten, wird der Antriebsmotor von der Steuerungseinrichtung von dem zweiten Betriebsbereich in den ersten Betriebsbereich umgeschaltet.
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Ausgehend hiervon ist es Aufgabe vorliegender Erfindung, bei einem Verfahren gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. einem Unterseeboot gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 8 einen möglichst langen Betrieb des Motors im ersten Betriebsbereich, d. h. zum Beispiel in Bezug auf Wirkungsgrad und akustische Geräusche optimiert, zu ermöglichen.
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Die Lösung der auf das Verfahren gerichteten Aufgabe gelingt gemäß kennzeichnendem Teil des Anspruchs 1 dadurch, dass bei einer Überwasserfahrt des Unterseebootes ein anderer Betriebspunkt für die Umschaltung gewählt wird als bei einer Unterwasserfahrt des Unterseebootes.
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Hierbei liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bislang ohne Berücksichtigung des Fahrtzustandes der Betriebspunkt für die Umschaltung aus der Propellerkurve für die Überwasserfahrt abgeleitet werden musste, da diese einen steileren Verlauf als die Propellerkurve für Unterwasserfahrt hat und somit „kritischer” ist, d. h. mit steigenden Drehzahlen zu höheren Strömen durch die Wicklungsstränge führt als bei Unterwasserfahrt. bei einer Berücksichtigung des Fahrtzustandes des Unterseebootes können jedoch auch die jeweils damit verknüpften unterschiedlichen Propellerkurven für Überwasserfahrt und Unterwasserfahrt berücksichtigt werden und es kann somit sowohl ein Betriebspunkt für die Umschaltung bei Überwasserfahrt und ein davon unterschiedlicher Betriebspunkt für die Umschaltung bei Unterwasserfahrt abgeleitet werden. Da der Verlauf der Propellerkurve für Unterwasserfahrt flacher ist als der Verlauf der Propellerkurve bei Überwasserfahrt, existiert ein Drehzahlbereich, bei dem sich der Motor im Fall einer Unterwasserfahrt noch im ersten Betriebsbereich, im Fall einer Überwasserfahrt jedoch bereits im zweiten Betriebsbereich befindet. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann somit für den Fall von Unterwasserfahrt der Betrieb im ersten Betriebsbereich, d. h. z. B. in Bezug auf Wirkungsgrad und akustische Geräusche optimiert, verlängert werden. Ein besonderer Vorteil ist hierbei, dass dies möglich ist, ohne dass größere konstruktive Änderungen am Motor notwendig sind.
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Vorzugsweise ist der erste Betriebsbereich ein Bereich, in dem der Antriebsmotor in Bezug auf seinen Wirkungsgrad und seine akustische Geräusche optimiert ist.
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Der Betriebspunkt für die Umschaltung kann besonders einfach durch einen Schwellwert für eine Drehzahl des Antriebsmotors definiert sein. Es sind jedoch auch Schwellwerte für andere Betriebsparameter möglich.
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Der Schwellwert für die Drehzahl kann aus einem Schwellwert für einen maximal zulässigen Nennstrom durch die jeweilige Anzahl in Reihe geschalteter Wicklungsstränge, d. h. durch die Reihenschaltung der Wicklungsstränge, und einer Propellerkurve abgeleitet sein.
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Der Fahrtzustand kann besonders einfach durch eine Erfassung der Tauchtiefe des Unterseebootes ermittelt werden. Hierzu stehen verschiedene dem Fachmann geläufige Möglichkeiten zur Verfügung. Bevorzugt erfolgt die Erfassung der Tauchtiefe durch ein übergeordnetes Automatisierungssystem.
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In einer konstruktiv besonders einfachen Ausgestaltung sind die Wicklungsstränge über jeweils zwei Halbbrücken an eine DC-Spannungsversorgungseinrichtung angeschlossen.
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Zur einfachen Herstellung der Reihenschaltung der jeweiligen Anzahl von Wicklungssträngen können jeweils zwei Halbbrücken dieser Wicklungsstränge durch jeweils ein Schaltelement miteinander verbunden werden.
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Die Lösung der auf das Unterseeboot gerichteten Aufgabe gelingt gemäß kennzeichnendem Teil des Anspruchs 8 dadurch, dass die Steuerungseinrichtung derart ausgebildet ist, dass sie bei einer Überwasserfahrt des Unterseebootes einen anderen Betriebspunkt für die Umschaltung wählt als bei einer Unterwasserfahrt des Unterseebootes.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Unterseebootes ist der erste Betriebsbereich ein Bereich, in dem der Antriebsmotor in Bezug auf seinen Wirkungsgrad und seine akustische Geräusche optimiert ist.
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Bevorzugt ist der Betriebspunkt durch einen Schwellwert für eine Drehzahl des Antriebsmotors definiert ist.
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Von Vorteil wird der Schwellwert für die Drehzahl aus einem Schwellwert für einen maximal zulässigen Nennstrom durch die jeweilige Anzahl in Reihe geschalteter Wicklungsstränge und einer Propellerkurve abgeleitet.
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Die Wicklungsstränge sind von Vorteil über jeweils zwei Halbbrücken an eine DC-Spannungsversorgungseinrichtung angeschlossen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind zur Reihenschaltung der jeweiligen Anzahl von Wicklungssträngen jeweils zwei Halbbrücken dieser Wicklungsstränge durch jeweils ein Schaltelement miteinander verbindbar.
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Die für das erfindungsgemäße Verfahren und seine vorteilhaften Ausgestaltungen genannten Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Unterseeboot und seine jeweils korrespondierenden vorteilhaften Ausgestaltungen.
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Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren näher erläutert; darin zeigen:
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1 einen Teilschnitt einer prinzipiellen Ausführungsform eines Propulsionsantriebssystems für ein Unterseeboot mit einer permanentmagnetisch erregten Synchronmaschine und innerhalb des Maschinengehäuses angeordneten Pulsumrichtern,
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2 ein Unterseeboot mit einem Propulsionsantriebssystem von 1,
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3 eine Prinzipdarstellung einer Anordnung von Wicklungssträngen und Pulsumrichtern des Antriebsmotors von 1,
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4 eine Prinzipdarstellung der Speisung zweier Wicklungsstränge in Parallelschaltung und in Reihenschaltung und
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5 ein Diagramm mit Propellerkurven für Überwasserfahrt und für Unterwasserfahrt.
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Die 1 zeigt in prinzipieller Form im Teilschnitt ein Unterseeboot-Propulsionsantriebssystem 1, das – wie in 2 gezeigt ist – üblicherweise im Heck 102 eines Unterseebootes 100 angeordnet ist und einen Propeller 101 zum Antrieb des Unterseebootes 100 antreibt. Bei dem Unterseeboot 100 handelt es sich beispielsweise um ein bemanntes konventionelles Unterseeboot mit einer Besatzung von 20 bis 50 Mann. Das Propulsionsantriebssystem 1 hat beispielsweise eine Leistung von 0.5 bis 2 MW.
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Das Unterseeboot-Propulsionsantriebssystem 1 umfasst einen als eine Synchronmaschine ausgebildeten Antriebsmotor 2 mit einem permanentmagnetisch erregten Läufer 3 und einem Ständer 4 mit einer Ständerwicklung 5. Die Ständerwicklung 5 ist dabei, wie sich insbesondere aus der prinzipiellen Darstellung in 3 ergibt, in eine Vielzahl von Wicklungssträngen 6, 6' unterteilt, von denen im Falle der in 3 prinzipiell gezeigten Ständerwicklung 5, 24 Wicklungsstränge 6, 6' vorgesehen sind.
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Der Antriebsmotor 2 umfasst ein Maschinengehäuse 10, das einen Innenraum 19 umschließt, in dem der Läufer 3 und der Ständer 4 angeordnet sind. Das Maschinengehäuse 10 wird in axialer Richtung, d. h. in Richtung der Drehachse der Maschinenwelle 9, durch ein A-seitiges Lagerschild 11 und ein B-seitiges Lagerschild 12 gebildet.
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Für jeden der Wicklungsstränge 6, 6' ist dabei jeweils ein separater einphasiger Pulsumrichter 7 zur Speisung des jeweiligen Wicklungsstranges 6, 6' mit elektrischem Strom vorhanden (siehe 3). Der Anschluss jedes einzelnen Wicklungsstranges 6, 6' an den ihm zugeordneten Umrichter 7 erfolgt dabei mittels Verbindungsleitungen 8.
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Die Umrichter 7, die die Ständerwicklung 5 speisen, sind im Inneren des Motors 2 zwischen dem A-seitigen Lagerschild 11 und dem B-seitigen Lagerschild 12 in einem Umrichterhaltegerüst 13 angeordnet und befinden sich in Umrichtermodulen 14. Die Umrichtermodule 14 ragen dabei in einen Zwischenraum 20, der zwischen der Welle 9 des Motors 2 und einer daran drehfest befestigten glockenförmig ausgebildeten und den Läufer 3 tragenden Läufernabe 21 ausgebildet ist. Statt einer glockenförmigen Läufernabe 21 kann auch eine T-förmige Läufernabe zum Einsatz kommen, durch die zu beiden Seiten zu der Läuferwelle 9 jeweils ein Zwischenraum 20 ausgebildet ist, in den Umrichtermodule 14 ragen.
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Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel sind jeweils zwei der als Wechselrichter ausgebildeten Umrichter 7, nämlich die Umrichter WR101 und WR102, die Umrichter WR103 und WR104, die Umrichter WR105 und WR106, die Umrichter WR107 und WR108, die Umrichter WR109 und WR110, die Umrichter WR111 und WR112, die Umrichter WR201 und WR202, die Umrichter WR203 und WR204, die Umrichter WR205 und WR206, die Umrichter WR207 und WR208, die Umrichter WR209 und WR210 und die Umrichter WR211 und WR121 zu einem Umrichtermodul 14 zusammengefasst.
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Die sechs Umrichtermodule 14 zur Speisung der Wicklungsstränge 6 sind über eine für sie vorgesehene Anschlussleitung 15 an ein Teilnetz 17 einer DC-Spannungsversorgungseinrichtung des Unterseebootes, hier eines DC-Bordnetzes des Unterseebootes, angeschlossen. Die sechs Umrichtermodule 14 zur Speisung der Wicklungsstränge 6' sind über eine für sie vorgesehene Anschlussleitung 16 an ein Teilnetz 18 der DC-Spannungsversorgungseinrichtung angeschlossen.
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Anstelle von zwei Umrichtern 7 je Umrichtermodul 14 können auch mehr als zwei Umrichter 7 zu einem Umrichtermodul zusammengefasst sein.
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Der Motor weist dabei einen ersten Betriebsbereich, bei dem jeweils zwei der Wicklungsstränge 6 bzw. 6' in Reihe geschaltet sind, und einen zweiten Betriebsbereich, bei dem alle Wicklungsstränge 6 bzw. 6' zueinander parallel geschaltet sind, auf.
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Die Prinzipskizze von 4 zeigt beispielhaft für die Umrichter WR101 und WR102 die Speisung der jeweils zugeordneten Wicklungsstränge 6. Eine entsprechende Funktionalität besteht auch für die anderen Umrichter bzw. Umrichterpaare des Antriebssystems 1.
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Die Umrichter WR101 und WR102 sind über strom- und spannungsführenden Leiter 15, 15' mit positivem Potential +UDC bzw. mit negativem Potential –UDC an die DC-Spannungsversorgungseinrichtung 17 angeschlossen.
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Die einphasigen Pulsumrichter WR101 und WR102 weisen jeweils zwei Halbbrücken W1, W1' bzw. W2, W2' auf. Jede der Halbbrücken W1, W1', W2, W2' weist jeweils einen in einem Eingangszweig angeordneten Halbleiterschalter und einen in einem Ausgangszweig angeordneten Halbleiterschalter (z. B. in Form eines IGBT) auf. Im Fall der Halbbrücken W1 und W1' sind dies die Schalter SE1 und SA1 bzw. SE1' und SA1'. Im Fall der Halbbrücken W2 und W2' sind dies die Schalter SE2 und SA2 bzw. SE2' und SA2'. Dabei steht der Index „E” jeweils für einen in einem Eingangszweig angeordneten Schalter und der Index „A” steht jeweils für einen in einem Ausgangszweig angeordneten Schalter.
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Mittels jeweils einer geeigneten Ansteuervorrichtung 30 für jeden der Umrichter WR101, WR102 werden die Schalter SE1, SA1, SE1', SA1' bzw. SE2, SA2, SE2', SA2' so angesteuert, dass sich an den Ausgangsklemmen der Umrichter WR101 und WR102 und damit an den jeweils dort angeschlossenen Wicklungssträngen 6 eine gewünschte Spannung einstellt.
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Der dem Umrichter WR101 zugeordnete Wicklungsstrang 6 ist dabei mittels eines Schalters S1 von der zweiten Halbbrücke W1' des Umrichters WR101 trennbar und der an sich dem Umrichter WR102 zugeordnete Wicklungsstrang 6 ist mittels eines Schalters S2 von der ersten Halbbrücke W2 des Umrichters WR102 trennbar. Außerdem ist mittels eines Schalters S3 der dem Umrichter WR101 zugeordnete Wicklungsstrang 6 über einen Leitungspfad 31, in den eine Zusatzdrossel 32 geschaltet ist, mit dem Wicklungsstrang 6, der dem Umrichter WR102 zugeordnet ist, in Reihe schaltbar. Die beiden Wicklungsstränge 6 können somit in einer Reihenschaltung über die erste Halbbrücke W1 des ersten Umrichters WR101 und die zweite Halbbrücke W2' des zweiten Umrichters WR102 mit elektrischer Energie gespeist werden. Die Zusatzdrossel 32 dient zur Glättung des Stromes, um Oberschwingungen und dadurch verursachte Pendelmomente des Motors zu vermeiden.
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Mittels der Ansteuervorrichtungen 30 werden die Schalter SE1, SA1 bzw. SE2', SA2' so angesteuert, dass sich an der Reihenschaltung der Wicklungsstränge 6 eine gewünschte Spannung einstellt.
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Wenn die beiden Wicklungsstränge 6 in der Reihenschaltung betrieben werden, befindet sich der Antriebsmotor in einem ersten Betriebsbereich für einen wirkungsradoptimierten und akustisch geräuschoptimierten Betrieb des Motors.
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Wenn der Schalter 3 geöffnet und die Schalter S1, und S2 geschlossen sind, wird jeder Wicklungsstrang 6 durch den ihm zugeordneten Umrichter WR101 bzw. WR102 gespeist. Es sind dann alle Wicklungsstränge zueinander parallel geschaltet und der Antriebsmotor 2 befindet sich in einem zweiten Betriebsbereich.
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Eine Steuerungseinrichtung 40 dient zur Umschaltung des Antriebsmotors 2 von dem ersten Betriebsbereich in den zweiten Betriebsbereich bzw. umgekehrt, wenn der Antriebsmotor 2 einen definierten Betriebspunkt erreicht. Die Steuerungseinrichtung 40 erfasst hierzu von einem Automationssystem des Unterseebootes 100 eine Information über den Fahrtzustand des Unterseebootes 100 (z. B. in Form einer Information über die Tauchtiefe T des Unterseebootes) und die Drehzahl n des Antriebsmotors 2 und gibt in Abhängigkeit von dieser Information Steuerbefehle an die Ansteuervorrichtungen 30 der Umrichter WR101 und WR102 sowie an die Schalter S1, S2, S3.
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Die Steuerungseinrichtung 40 ist dabei derart ausgebildet, dass sie bei einer Überwasserfahrt des Unterseebootes einen anderen Betriebspunkt für die Umschaltung als bei einer Unterwasserfahrt des Unterseebootes.
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Der Betriebspunkt für die Umschaltung wird im Ausführungsbeispiel durch einen Schwellwert für eine Drehzahl des Antriebsmotors 2 definiert. Dieser Schwellwert wird wiederum durch den zulässigen Nennstrom bestimmt, der über die in Reihe geschalteten Wicklungsstränge 6 fließt. Der zulässige Nennstrom wird wiederum maßgeblich durch die Strombelastbarkeit der Drossel 32 bestimmt.
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Wie in 5 gezeigt, ist für ein Schiff oder ein Boot die Antriebsleistung P und somit der Laststrom über eine Propellerkurve mit der Drehzahl n des Antriebsmotors verknüpft. Dabei ist mit Ps eine Propellerkurve für Überwasserfahrt und mit Pt eine Propellerkurve für Unterwasserfahrt bezeichnet. Es lässt sich somit eine Drehzahl ableiten, ab der der maximal zulässige Nennstrom überschritten wird. Dabei wird jedoch berücksichtigt, ob sich das Unterseeboot auf Unterwasserfahrt oder Überwasserfahrt befindet. Für Überwasserfahrt ist aus der Propellerkurve Ps für Überwasserfahrt für eine dem maximalen Strom zugeordnete maximale Antriebsleistung Pmax eine maximale Drehzahl ns,max für einen Betrieb des Motors 2 im ersten Betriebsbereich ableitbar. Entsprechend ist für Unterwasserfahrt aus der Propellerkurve Pt für Unterwasserfahrt für eine dem maximalen Strom zugeordnete maximale Antriebsleistung Pmax eine maximale Drehzahl nt,max für einen Betrieb des Motors im ersten Betriebsbereich ableitbar. Die Schwellwerte ns,max und nt,max sind in der Steuerungseinrichtung 40 abgespeichert. Für Drehzahlen n < ns,max bzw. nt,max befindet sich der Motor 2 dann im ersten Betriebsbereich und für Drehzahlen n > ns,max bzw. nt,max befindet sich der Motor 2 dann im zweiten Betriebsbereich.
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Befindet sich der Motor 2 im ersten Betriebsbereich, veranlasst die Steuerungsvorrichtung 40 im Fall von Überwasserfahrt bei größer werdenden Drehzahlen bei Erreichen der Drehzahl ns,max und im Fall von Unterwasserfahrt bei Erreichen der Drehzahl nt,max eine Umschaltung in den zweiten Betriebsbereich.
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Befindet sich umgekehrt der Motor im zweiten Betriebsbereich, veranlasst die Steuerungsvorrichtung 40 bei kleiner werdenden Drehzahlen im Fall von Überwasserfahrt bei einem Erreichen der Drehzahl ns,max und im Fall von Unterwasserfahrt bei Erreichen der Drehzahl nt,max eine Umschaltung in den ersten Betriebsbereich.
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Da die Propellerkurve Ps für Überwasserfahrt steiler verläuft als die Propellerkurve Pt für Unterwasserfahrt, ist nt,max > ns,max. Durch die Berücksichtigung des Fahrtzustandes des Unterseebootes 100 kann somit bei Unterwasserfahrt für Drehzahlen im Bereich von ns,max bis nt,max noch ein Betrieb im ersten Betriebsbereich ermöglicht werden, wohingegen er bei Überwasserfahrt nicht mehr möglich ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2004/068694 A1 [0002]
- EP 0334112 B1 [0006]
- DE 3345271 A [0006]
