DE102018208617A1 - Antriebsmaschine für ein U-Boot und ein Betriebsverfahren - Google Patents

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Abstract

Eine Antriebsmaschine (1) für ein U-Boot, weist einen Drehstrommotor (2), insbesondere einen permanenterregten Synchronmotor auf. Ferner weist die Antriebsmaschine einen Stromrichter mit einer Zwischenkreiskapazität auf. Auch ist eine Energiequelle (3,4) vorhanden, wobei die Energiequelle Teilenergiequellen aufweist, wobei eine Verschaltung (5) vorgesehen ist, um die Zwischenkreiskapazität unterschiedlich mit den Teilenergiequellen zu verschalten. In einem ersten Drehzahlbereich können Teilenergiequellen in einem Parallelbetrieb betrieben werden und in einem zweiten Drehzahlbereich, welcher größer ist als der erste Drehzahlberiech, können die Teilenergiequellen in einem seriellen Betrieb betrieben werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Antriebsmaschine für ein U-Boot und ein Betriebsverfahren.
  • Die Antriebsmaschine eines U-Bootes weist beispielsweise einen Drehstrommotor und/oder einen Gleichstrommotor zum Antrieb des U-Bootes auf. Ein Wechsel von einem Gleichstrommotor zu einem Drehstrommotor, insbesondere einem Synchronmotor, ist nur mit erheblichen Anpassungen der Antriebsmaschine möglich. Die Antriebsmaschine des U-Bootes weist insbesondere auch eine Schaltanlage und eine Energiequelle (z.B. Brennstoffzellen und/oder Batterien) auf.
  • Ein Gleichstrommotor wird auf einem U-Boot mit seinem Anker direkt von der Batteriespannung versorgt. Um unterschiedliche Ankerspannungen zu erhalten, gibt es insbesondere zwei oder vier Teilbatterien. Der Gleichstrommotor weist insbesondere zwei oder mehr sogenannten Teilmotoren auf. Durch unterschiedliches Gruppieren der Batterien und der, insbesondere beiden (zwei), Teilmotoren in Parallel- bzw. Reihenschaltungen, bekommt man bis zu vier unterschiedliche Ankerspannungen. Innerhalb einer dieser sogenannten Fahrtstufen wird eine Drehzahlveränderung durch den Feldschwächbetrieb realisiert.
  • Ein U-Boot mit einem Drehstrommotor, insbesondere einem permanenterregten Synchronmotor, ist insbesondere so konzipiert, dass dieser Motor fest an einer Batteriespannung angeschlossen ist. Da er wegen seiner eingebauten Stromrichter seine Ausgangsspannung kontinuierlich verstellen kann, benötigt er eingangsseitig keine Spannungsumschaltung. Die Batteriespannung ist so auszulegen, dass bei entladener Batterie die Spannung immer noch höher als die EMK ist.
  • Wenn für ein vorhandenes U-Boots-Konzept oder als Ersatz für einen Gleichstrommotor ein Drehstrommotor, insbesondere ein permanenterregter Synchronmotor eingesetzt werden sollte, müsste das gesamte Bordnetz neu konzipiert werden. Dies wären einerseits die Batterien, die Hauptschalttafel wie auch die Bordnetzumformer für die Erzeugung der Unternetze (z.B. 3AC 115V, DC 220V usw.). Damit hätte man quasi ein neues Boot, welches hohe Einmalkosten und Umbaukosten verursacht.
  • Eine andere Möglichkeit wäre es, die Batterien immer in der Reihenschaltung zu belassen, um die benötigte hohe Spannung zu bekommen. Damit gäbe es aber keine Redundanz der Batterie mehr. Eine Redundanz der Batterie ist allerdings notwendig. Ein einfacher Ersatz für einen Gleichstrommotor in U-Booten ist demnach derzeit nicht möglich.
  • Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Antriebsmaschine aufzuzeigen, bei welcher der Einsatz einer Drehstrommaschine in einfacher Weise möglich ist.
  • Eine Lösung der Aufgabe gelingt bei einer Antriebsmaschine nach Anspruch 1. Weitere Ausgestaltungen dieser ergeben sich insbesondere nach einem der Ansprüche 2 bis 5. Eine Lösung der Aufgabe gelingt ferner bei einem Verfahren zum Betrieb einer Antriebsmaschine nach Anspruch 6. Weitere Ausgestaltungen dieses Verfahrens ergeben sich insbesondere nach einem der Ansprüche 7 bis 8. Eine Lösung der Aufgabe ergibt sich entsprechend auch für ein derart ausgeführtes U-Boot.
  • Eine Antriebsmaschine für ein U-Boot, weist einen Drehstrommotor, insbesondere einen permanenterregten Synchronmotor auf. Die Antriebsmaschine weist ferner einen Stromrichter mit einer Zwischenkreiskapazität auf. Die Antriebsmaschine weist ferner eine Energiequelle auf, wobei die Energiequelle Teilenergiequellen aufweist. Die Antriebsmaschine weist eine Verschaltung auf, um die Zwischenkreiskapazität unterschiedlich mit den Teilenergiequellen zu verschalten. Damit ist es möglich die Zwischenkreiskapazität an unterschiedliche Spannungen zu legen, wobei sich die Unterschiedlichen Spannungen durch die unterschiedliche Verschaltung der Teilenergiequellen ergeben.
  • In einer Ausgestaltung der Antriebsmaschine weist der Drehstrommotor einen ersten Teilmotor und einen zweiten Teilmotor aufweist.
  • In einer Ausgestaltung der Antriebsmaschine weist der Zwischenkreiskapazität eine Vielzahl von Kondensatoren aufweist.
  • In einer Ausgestaltung der Antriebsmaschine weist der perma-nenterregten Synchronmotor eine relativ hohe Zwischenkreiskapazität auf (z.B. in einer Größenordnung von 70 mF bis 140 mF pro Teilmotor, wenn der permanenterregten Synchronmotor aufweist). Die Zwischenkreiskapazität ist deshalb zum Zuschalten vorgeladen werden. Dies geschieht beispielsweise durch Vorladewiderstände. Die Vorladezeit kann ca. 20 bis 30 Sekunden betragen, was insbesondere dann der Fall ist, wenn das U-Boot und damit auch die elektrischen Einrichtungen von Anfang an für einen permanenterregten Synchronmotor geplant wurde. Da der Motor in diesem Fall nur vor einer Seefahrt zugeschaltet und am Ende der Seefahrt wieder entladen und abgeschaltet wird, spielt die Vorlade-/Entladezeit keine große Rolle. Dies ist aber anders, wenn beispielsweise im Rahmen eines Umbaus oder in Rahmen eines Nachbaus statt eines Gleichstrommotors ein permanenterregter Synchronmotor eingebaut werden soll und die elektrische Einrichtung möglichst wenig abgeändert werden soll.
  • In einer Ausgestaltung der Antriebsmaschine wird, wenn eine permanenterregte Synchronmotor in ein vorhandenes Konzept (also ein Konzept mit einem ursprünglich geplanten Gleichstrommotor) integriert werden soll, wird die Antriebsmaschine abweichend zu einer festen Spannung auch mit Fahrtstufenwechsel (Batterieumschaltung) betrieben. Dazu sind die Vor- und Entladewiderstände so ausgelegt, dass die Vor- und Entladung sich auf wenige Sekunden beläuft.
  • In einer Ausgestaltung der Antriebsmaschine sind Widerstände zum Vorladen und/oder Entladen der Zwischenkreiskapazität vorgesehen sind, wobei die Widerstände für ein Vorladen und/oder Entladen von wenigen Sekunden ausgelegt sind, insbesondere von weniger wie 5 Sekunden oder weniger wie 2 Sekunden.
  • In einer Ausgestaltung der Antriebsmaschine weist die Energiequelle eine Batterie und/oder eine Brennstoffzelle auf.
  • Gemäß eines Verfahrens zum Betrieb einer Antriebsmaschine eines U-Bootes, werden in einem ersten Drehzahlbereich Teilenergiequellen in einem Parallelbetrieb betrieben wobei in einem zweiten Drehzahlbereich, welcher größer ist als der erste Drehzahlberiech, die Teilenergiequellen in einem seriellen Betrieb betrieben werden.
  • Im unteren Drehzahlbereich kann man z.B. Batterien als Teilenergiequellen im Parallelbetrieb betreiben. Dies würde z.B. je nach EMK des Motors und der niedrigsten Batteriespannung bis ca. 60 bis 70% nN geschehen können. Das ist auch der Fahrbereich, in dem ein U-Boot sich im größten Teil seiner Betriebsstunden aufhält. Aufgrund der niedrigeren Spannung erhöht sich der Wirkungsgrad des Motors im Teillastbereich merklich. Dies wirkt sich positiv auf die Reichweite des U-Bootes aus.
  • In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird zum Wechsel der Drehzahlbereiche ein Stromrichter für den Drehstrommotor, insbesondere einen permanenterregten Synchronmotor, welcher als Antriebsmotor dient, gesperrt. Durch die Sperrung kann die Umschaltung (Seriellschaltung/Parallelschaltung) der Teilenergiequellen gefahrlos erfolgen.
  • Wenn beispielsweise eine höhere Drehzahl gefordert ist, wird der Motor seinen Stromrichter, insbesondere seine Teilstromrichter, kurz sperren, damit das Abschalten des Motors und die Umschaltung der Teilenergiequellen (z.B. Batterien) in den Reihenbetrieb stromlos stattfindet. Dann wird der Motor (bzw. dessen Zwischenkreis) auf die neue Spannungslage vorgeladen, wieder zugeschaltet werden und dann weiter betrieben. Beim Runterfahren wird/werden der Stromrichter, insbesondere seine Teilstromrichter, wieder gesperrt, die Motorschalter abgeschaltet und die Teilstromquellen, insbesondere die Batterie, in den Parallelbetrieb geschaltet. Nach einer Entladung auf die niedrigere Spannungslage wird der Motor wieder zugeschaltet und dann weiter betrieben. Die Energie wird regenerativ in die Batterie zurückgespeist.
  • Bei einem U-Boot mit z.B. vier Teilbatterien gibt es insbesondere zwei Möglichkeiten. Entweder mit drei Fahrtstufen indem im Parallelbetrieb alle vier Batterien parallel liegen. Im kombinierten Parallel/Reihenbetrieb sind jeweils zwei Batterien in Reihe und die anderen beiden in Reihe parallel dazu. In der höchsten Fahrtstufe sind dann alle vier in Reihe. Hier sind die Drehzahlen in der niedrigsten Fahrtstufe bei 30 bis 35% nN (Nenndrehzahl) und in der mittleren Fahrtstufe bei ca. 60 bis 70% nN. Bei zwei Fahrtstufen ist der Grundzustand des kombinierten Parallel/Reihenbetrieb mit jeweils zwei Batterien in Reihe und die anderen beiden in Reihe parallel dazu. Damit ist die Umschaltdrehzahl wieder im Bereich von ca. 60 bis 70% nN und es ist nur ein Fahrtstufenwechsel notwendig.
  • In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird dabei eine der beschriebenen Antriebsmaschinen verwendet.
  • Da Gleichstrommotoren immer schwieriger zu beschaffen sind und auch immer teurer werden, ist eine hier beschrieben alternative Verwendung von Drehstrommaschinen von Vorteil, um insbesondere wie oben beschrieben, die alten Bootsentwürfe und -konzepte beibehalten zu können. Dies hilft insbesondere den Werften, diese Art von U-Booten, welche für Gleichstrommaschinen als Antriebsmaschine ausgelegt sind weiter zu vermarkten.
  • Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung erläutert.
  • Die Darstellung zeigt eine Antriebsmaschine 1 für ein U-Boot, welche einen Drehstrommotor 2 und eine Energiequelle aufweist. Der Drehstrommotor 2 ist ein permanenterregter Synchronmotor, welcher einen ersten Teilmotor 6 und einen zweiten Teilmotor 7 aufweist, Die Energiequelle weist eine erste Teilenergiequelle 3 (Batterie 1) und eine zweite Teilenergiequelle 4 (Batterie 2) auf. Für ein Verschalten der Motoren 6 und 7 mit den Teilenergiequellen 3 und 4 ist eine Verschaltung 5 vorgesehen. Für eine serielle Verschaltung der Teilenergiequellen 3 und 4 ist ein Schalter 21 (Qserial ) vorgesehen. Für eine parallele Verschaltung der Teilenergiequellen 3 und 4 sind ein Schalter 22 (Qparallel ) und ein Schalter 23 (Qparallel ) vorgesehen. Zum Zuschalten und Trennen der Teilenergiequellen 3 und 4 sind ein Schalter 24 (QBattery ) ein Schalter 25 (QBatterie ) vorgesehen. Zum Verschalten der sich ausbildenden Teilnetze ist ein Schalter 26 (Qcoupling ) vorgesehen. Die Darstellung zeigt ferner einen Vorladewiderstand 11 (RPrecharging ) und einen Vorladewiderstand 12 (RPrecharging ), welche über die jeweiligen Schalter 27 und 28 (KPrecharging ) zuschaltbar bzw. wegschaltbar (trennbar) sind. Die Darstellung zeigt ferner auch einen Entladewiderstand 13 (RDischarging ) und einen Entladewiderstand 14 (RDischarging ), welche über die jeweiligen Schalter 29 und 30 (KPrecharging ) zuschaltbar bzw. wegschaltbar sind. Zum Zuschalten und Trennen der Teilmotoren 6 und 7 sind Trennschalter 31 (QMotor1 ) und 32 (QMotor2 ) vorgesehen.

Claims (8)

  1. Antriebsmaschine (1) für ein U-Boot, welche einen Drehstrommotor (2), insbesondere einen permanenterregten Synchronmotor aufweist, welche einen Stromrichter mit einer Zwischenkreiskapazität aufweist, welche eine Energiequelle (3,4) aufweist, wobei die Energiequelle Teilenergiequellen aufweist, wobei eine Verschaltung (5) vorgesehen ist, um die Zwischenkreiskapazität unterschiedlich mit den Teilenergiequellen zu verschalten.
  2. Antriebsmaschine (1) nach Anspruch 1, wobei der Drehstrommotor (2) einen ersten Teilmotor (6) und einen zweiten Teilmotor (7) aufweist.
  3. Antriebsmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Zwischenkreiskapazität eine Vielzahl von Kondensatoren aufweist.
  4. Antriebsmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei Widerstände (11,12,13,14) zum Vorladen und/oder Entladen der Zwischenkreiskapazität vorgesehen sind, wobei die Widerstände für ein Vorladen und/oder Entladen von wenigen Sekunden ausgelegt sind, insbesondere von weniger wie fünf Sekunden oder weniger wie zwei Sekunden.
  5. Antriebsmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Energiequelle (3,4) eine Batterie und/oder eine Brennstoffzelle aufweist.
  6. Verfahren zum Betrieb einer Antriebsmaschine (1) eines U-Bootes, wobei in einem ersten Drehzahlbereich Teilenergiequellen in einem Parallelbetrieb betrieben werden und in einem zweiten Drehzahlbereich, welcher größer ist als der erste Drehzahlberiech, die Teilenergiequellen in einem seriellen Betrieb betrieben werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei zum Wechsel der Drehzahlbereiche ein Stromrichter für einen Drehstrommotor (2), welcher als Antriebsmotor dient, gesperrt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 7, wobei eine Antriebsmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 verwendet wird.
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