DE19801448C2 - Elektrische Antriebseinrichtung für Schiffe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebseinrichtung für Schiffe, bestehend aus einem an der Unterseite des Schiffsrumpfes gondelartig angeordneten Gehäuse zur Aufnahme eines Elektromotors mit Läufer und Stator, wobei an der den Läufer tragenden Welle wenigstens ein Propeller angeordnet ist und wobei der elektrische Motor als Synchronmotor ausge­ bildet ist und Permanentmagnete zur Erregung aufweist.

Aus der DE-Publikation "Siemens-Z.", 1975, Heft 49, Seiten 368 bis 374, ist es bekannt, für den Propellerantrieb von U-Booten permanenterregte Läufer anstelle von Kurzschlußläu­ fern oder von über Schleifringe fremderregten Läufern bei Synchronmotoren zu verwenden. Bei diesen bekannten Einsatz­ zwecken sind die axial sehr kurz ausgebildeten Motoren inner­ halb des Schiffsrumpfes angeordnet, wobei die aus jeweils mehreren Permanentmagneten aufgebauten Polschuhe des Läufers mit dem Polschaft verklebt sind. Das Ständerblechpaket dieses Motors ist von zwei Kühlringen umgeben, die von Frischwasser durchströmt werden, welches in Wärmetauschern durch Seewasser rückgekühlt wird.

Weiterhin ist es aus der DE 196 27 323 A1 bekannt, den Motor eines elektrischen Ruderpropellers als permanenterregten Syn­ chronmotor auszubilden, wobei der Stator des Synchronmotors in das Ruderpropellergehäuse eingepassst ist und wobei jedem Wickelkopf des Stators eine zusätzliche Kühleinrichtung zuge­ ordnet ist.

Aus der Zeitschrift Schiff & Hafen 10/97 schließlich ist es bekannt, den permanenterregten Synchronmotor eines elektri­ schen Ruderpropellers derart auszubilden, daß die Wickelköpfe der Ständerwicklung nicht bandagiert, sondern mit einer wär­ meleitenden Masse vergossen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem elektri­ schen Schiffsantrieb der Eingangs genannten Art die thermi­ schen Eigenschaften zu verbessern und die Funktionssicherheit zu erhöhen.

Die Lösung dieser Aufgabenstellung ist erfindungsgemäß da­ durch gekennzeichnet, daß das Gehäuse als Außenwandkühler ausgebildet ist, wobei im Innenraum des Gehäuses (1) zusätz­ lich Kühleinrichtungen, die als auf im Gehäuse (1) vorhandene Wickelköpfe (10) wirkend ausgebildet sind, und die Form von Wärmebrücken aus gut wärmeleitendem Material aufweisen, ange­ ordnet sind und wobei die Permanentmagnete (11) als Luft­ spaltmagnete ausgebildet auf U-förmigen, geblechten oder mas­ siven Jochen (16) angeordnet sind.

Durch die Ausbildung des Antriebsgehäuses als Außenwandkühler ist es erstmalig möglich, die vollständige Kühlung des Elekt­ romotors durch das das Gehäuse umgebende bzw. umströmende Wasser zu bewirken. Durch diese Außenwandkühlung kann auf die Ausbildung von Kühlkanälen und dergleichen im Inneren des Ge­ häuses, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist, ver­ zichtet werden, so daß der radiale Raumbedarf des Synchronmo­ tors und somit der Außendurchmesser des Antriebsgehäuses deutlich verringert werden kann. Dies führt zu einem günsti­ geren Verhältnis zwischen dem Außendurchmesser der An­ triebseinrichtung und dem Außendurchmesser des Propellers, so daß die Antriebseinrichtung einen wesentlich besseren Propul­ sionswirkungsgrad aufweist. Insbesondere lassen sich bei An­ wendung der erfindungsgemäßen Maßnahmen Schiffsantriebe kon­ struieren, bei denen das Verhältnis von Außendurchmesser des strömungsgünstig gestalteten Gehäuseteils zum Außendurchmes­ ser des Propellers kleiner oder höchstens gleich 0,4 ist.

Um auch im Betrieb im oberen Leistungsbereich von mehr als 5 MW eine ausreichende Kühlung des Elektromotors und insbe­ sondere der Wickelköpfe zu gewährleisten, wird mit der Erfin­ dung weiterhin vorgeschlagen, daß im Inneren des Gehäuses zusätzliche Kühleinrichtungen angeordnet sind, die insbesondere auf die im Gehäuse vorhandenen Wickelköpfe wirkend ausgebil­ det sind. In diesem Fall ist es zweckmäßig, jedem Wickelkopf des Stators eine solche zusätzliche Kühleinrichtung zuzuord­ nen. Diese zusätzlichen Kühleinrichtungen lassen sich in dem durch die Motorkonstruktion ohnehin vorhandenen Innenraum oh­ ne besonderen zusätzlichen Aufwand anordnen.

Weiterhin wird mit der Erfindung vorgeschlagen, daß im Inne­ ren des Gehäuses Wärmeleitelemente, zum Beispiel in der Form von Wärmeleitbrücken, aus einem gut wärmeleitenden Material angeordnet sind. Durch diese Ausbildung von Wärmeleitbrücken ist es möglich, die Wärmeableitung an das Antriebsgehäuse und somit an das das Gehäuse umgebende Kühlwasser deutlich zu er­ höhen, wobei die Ausbildung dieser Wärmebrücken insbesondere bei der nur kraftschlüssigen Verbindung zwischen Stator des Motors und Gehäuse anzuwenden ist, um eine quasi formschlüs­ sige Verbindung und somit vollflächige Wärmeableitung zu er­ möglichen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Permanentmagnete des Läufers des Synchronmotors als Luft­ spaltmagnete auf U-förmigen geblechten oder massigen Jochen angeordnet.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Permanentmagnete als Flußkonzentrationsanordnung angeordnet.

Zur Vermeidung von Streufeldern sowie zum Schutz der Perma­ nentmagneten wird weiterhin vorgeschlagen, daß die Permanent­ magnete von einem Blechpaket umschlossen angeordnet sind.

Aus elektrischen, elektrostatischen sowie aus Gewichtsgründen kann es weiterhin vorteilhaft sein, daß das Gehäuse der gon­ delartigen Antriebseinrichtung aus Leichtmetall, vorzugsweise einer Aluminiumlegierung besteht.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der verschiedene Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinrichtung für Schiffe beispielhaft schematisch dargestellt sind. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße An­ triebseinrichtung mit Luftkühlung der Wickelköpfe des Stators;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße An­ triebseinrichtung mit Sprühkühlung der Wickelköpfe des Stators;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße An­ triebseinrichtung, bei der der Stator des Motors mit dem Gehäuse kraftschlüssig durch eine Schrumpfverbin­ dung verbunden ist;

Fig. 4 eine ausschnittweise Darstellung einer ersten Ausfüh­ rungsform zur Anordnung von Permanentmagneten und Joch;

Fig. 5 eine ausschnittweise Darstellung einer zweiten Aus­ führungsform zur Anordnung von Permanentmagneten und Joch und

Fig. 6 eine ausschnittweise Darstellung einer dritten Aus­ führungsform zur Anordnung von Permanentmagneten und Joch.

Die Antriebseinrichtungen gemäß den Abbildungen Fig. 1 bis Fig. 3 bestehen aus einem strömungsgünstig gestalteten, die Form einer Gondel aufweisenden Gehäuse 1 mit einem darin an­ geordneten, aus Stator 2 und Läufer 3 bestehenden Synchronmo­ tor sowie einem Schaft 4, über den die Antriebseinrichtung am Boden eines nicht dargestellten Schiffsrumpfes gondelartig befestigt ist.

Das Gehäuse 1 weist - wie aus Fig. 1 und Fig. 2 ersichtlich - Endkappen 5 und 6 auf, die Lager 7 einer Antriebswelle 8 tra­ gen. Während bei der Ausführungsform gemäß den Abbildungen Fig. 1 und 2 nur an einem Ende der Antriebswelle 8 ein Pro­ peller 9 angeordnet ist, sind bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 an beiden Enden der Antriebswelle 8 Propeller 9 ange­ ordnet.

Wie insbesondere aus Fig. 3 ersichtlich, ist der Stator 2 des Synchronmotors kraftschlüssig in das hohlzylindrische Gehäuse 1 eingepaßt. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt diese kraftschlüssige Verbindung durch Aufschrumpfen des Ge­ häuseteils auf das Blechpaket des Stators 2, wobei aufgrund der Blechpaketlänge der Sitz mehrfach abgestuft ist. Die Wicklungen des Stators 2 sind in den Abbildungen Fig. 1 bis Fig. 3 teilweise anhand der Wickelköpfe 10 dargestellt. Der Läufer 3 des Synchronmotors ist in an sich bekannter Weise als mit Permanentmagneten 11 versehener Läufer 3 ausgebildet und ruht mittels einer Tragkonstruktion 12 auf der Antriebs­ welle 8.

Die Kühlung des Synchronmotors erfolgt durch die kraftschlüs­ sige und/oder formschlüssige Verbindung zwischen Stator 2 und Gehäuse 1 derart, daß das Gehäuse 1 als Außenwandkühler aus­ gebildet ist. Die Kühlung des Synchronmotors erfolgt somit durch das das Gehäuse 1 umgebende bzw. umströmende Wasser, ohne daß zusätzliche Kühlmedien durch im Stator 2 oder zwi­ schen Stator 2 und Gehäuse 1 vorgesehene Kühlkanäle geleitet werden müssen, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist.

Beim Betrieb des Synchronmotors im oberen Leistungsbereich kann es notwendig sein, die Wickelköpfe 10 des Stators 2 ei­ ner zusätzlichen Kühlung zu unterziehen. In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform für eine solche zusätzliche Kühlein­ richtung zur Kühlung der Wickelköpfe 10 des Stators 2 darge­ stellt. Bei dieser ersten Ausführungsform ist innerhalb der Wickelköpfe 10, das heißt in radialer Richtung zwischen den Wickelköpfen 10 einer jeden Stirnseite des Stators 2, auf der Antriebswelle 8 jeweils ein Lüfter 13 angeordnet. Hit Hilfe dieser Lüfter 13 wird die im Innenraum des Synchronmotors be­ findliche Luft konvektiv umgewälzt und umströmt dabei die Wi­ ckelköpfe 10. Die von der verwirbelten Luft aufgenommene Wär­ me wird der Luft über das als Außenwandkühler ausgebildete Gehäuse 1 durch das das Gehäuse 1 umströmende Wasser entzo­ gen.

In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform zur Ausbildung der zusätzlichen Kühleinrichtung dargestellt. Bei diesem Ausfüh­ rungsbeispiel ist zur Kühlung der Wickelköpfe 10 des Stators 2 stirnseitig zu den Wickelköpfen 10 jeweils ein im Quer­ schnitt rohrförmiger Ring 14 angeordnet, der in Richtung auf die Wickelköpfe 10 mit Sprühöffnungen versehen ist. Über die­ se Sprühöffnungen kann Isolieröl versprüht werden, das sich als Öl-Sumpf 15 unterhalb der Antriebswelle 8 befindet und von dort jeweils mittels einer außerhalb des Gehäuses 1 ange­ ordneten Pumpe in den Ring 14 gepumpt wird. Dem in dem Öl- Sumpf 15 befindlichen Isolieröl wird die Wärme ebenfalls über das als Außenwandkühler ausgebildete Gehäuse 1 durch das das Gehäuse 1 umströmende Wasser entzogen. Selbstverständlich ist es auch möglich, beide Kühleinrichtungen zur Kühlung der Wi­ ckelköpfe 10 des Stators 2 zu kombinieren, so daß die Kühlung der Wickelköpfe 10 sowohl über die Lüfter 13 als auch über den Ring 14 versprühtes Isolieröl erfolgt. Bei der Ausbildung des Öl-Sumpfes 15 im Gehäuse 1 ist darauf zu achten, daß der Isolierölpegel nicht so weit ansteigt, daß Isolieröl in den Luftspalt zwischen Stator 2 und Läufer 3 des Synchronmotors gelangt, da hierdurch der Wirkungsgrad des Motors erheblich beeinträchtigt würde.

Dadurch, daß der Synchronmotor mit seinem Stator 2 form­ schlüssig und/oder kraftschlüssig in das strömungsgünstig gestaltete Gehäuse 1 eingefügt ist und der mit den Permanent­ magneten 11 versehene Läufer 3 in radialer Richtung weniger Platz beansprucht als ein Kurzschlußläufer, kann das Gehäuse 1 einen relativ kleinen Außendurchmesser D_G aufweisen, so daß das Verhältnis zwischen dem Außendurchmesser D_G des Gehäuses 1 und dem Außendurchmesser D_P des Propellers 9 einen relativ kleinen Wert von beispielsweise 0,35 erreicht, selbst dann, wenn der Synchronmotor für eine Antriebsleistung von bis zu 20 MW und mehr ausgelegt ist.

Diese Ausgestaltung des Gehäuses 1 des elektrischen Schiffs­ antriebs als Außenwandkühler ist unabhängig davon, ob das gondelartige Gehäuse 1 am Schiffsrumpf starr oder drehbar an­ geordnet ist. Besonders vorteilhaft zum Manövrieren ist es jedoch, wenn das gondelartige Gehäuse 1 um die Längsachse des Schaftes 4 drehbar ist, so daß dieser Antrieb auch für ruder­ lose Schiffe geeignet ist.

In den Abbildungen Fig. 4, 5 und 6 sind drei Ausführungsfor­ men zur Ausbildung des Läufers 3 dargestellt.

Gemäß Fig. 6 sind die Permanentmagnete 11 als Luftspaltmagne­ te ausgebildet, die auf einem U-förmigen, geblechten oder massiven Joch 16 angeordnet sind.

Gemäß Fig. 4 sind die auf dem Rotorrohr 17 angeordneten Per­ manentmagnete 11 als Flußkonzentrationsanordnung angeordnet, wobei die Permanentmagnete 11 zwischen den Jochen 16 angeord­ net sind.

Die Ausbildung gemäß Fig. 5 zeigt schließlich eine Anordnung, bei der die Permanentmagnete 11 von dem Blechpaket des Joches 16 umschlossen sind, wodurch Streuungen des Magnetfeldes deutlich verringert werden.

Insgesamt ist somit festzustellen, daß aufgrund der Ausbil­ dung des Gehäuses 1 des elektrischen Schiffsantriebs als Au­ ßenwandkühler die Baugröße dieser Antriebseinrichtung deut­ lich verringert werden kann, was zu einer Erhöhung des Pro­ pulsionswirkungsgrades führt.

Für Marine- oder andere Spezialschiffe kann der Antrieb und/oder sein Schaft aus einer Aluminiumlegierung bestehen. Aluminium erlaubt eine besonders leichte Ausführung bei ge­ genüber Stahl verbesserter Wärmeleitung. Derartige Schiffe können daher auch bei höheren Wassertemperaturen als die 32°C, bis zu der rechnerisch der Einsatz in der reinen Au­ ßenkühlerausführung möglich ist, eingesetzt werden.

Claims (7)

1. Elektrische Antriebseinrichtung für Schiffe, bestehend aus einem an der Unterseite des Schiffsrumpfes gondelartig ange­ ordneten Gehäuse (1) zur Aufnahme eines Elektromotors mit Läufer (3) und Stator (2), wobei an der den Läufer (3) tra­ genden Welle (8) wenigstens ein Propeller (9) angeordnet ist und wobei der elektrische Motor als Synchronmotor ausgebildet ist, wobei der Läufer Permanentmagnete zur Erregung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Ge­ häuse (1) als Außenwandkühler ausgebildet ist, wobei im In­ nenraum des Gehäuses (1) zusätzlich Kühleinrichtungen, die als auf im Gehäuse (1) vorhandene Wickelköpfe (10) wirkend ausgebildet sind, und die Form von Wärmebrücken aus gut wär­ meleitendem Material aufweisen, angeordnet sind und wobei die Permanentmagnete (11) als Luftspaltmagnete ausgebildet auf U- förmigen, geblechten oder massiven Jochen (16) angeordnet sind.

2. Elektrische Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (11) als Flußkonzentrationsanordnung angeordnet sind.

3. Elektrische Antriebseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (11) von einem Blechpaket umschlossen angeordnet sind.

4. Elektrische Antriebseinrichtung nach Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) aus Leichtmetall besteht.

5. Elektrische Antriebseinrichtung nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Schaft (4) aus Leichtmetall besteht.

6. Elektrische Antriebseinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Außenwandung aus einer Aluminiumlegierung besteht.

7. Elektrische Antriebseinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Antrieb für ein Marineschiff verwendet wird.