DE310693C

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Publication number: DE310693C
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Es ist zum elektrischen Antrieb von Unterseebooten bei Unterwasserfahrt vorgeschlagen worden für langsame Fahrt, wie sie gerade zur Erhaltung der Schwimmlage und Stpuerfähigkeit ausreicht, einen besonderen Elektromotor zu verwenden. Die Ausführung dieses Vorschlages ist jedoch mit einer Reihe von Schwierigkeiten verknüpft. Zunächst könnte man daran denken, die HauptschraubenwelleIt is proposed for the electric propulsion of submarines during underwater travel been used for slow travel, as they are used to maintain the swimming position and steering ability enough to use a special electric motor. The implementation of this proposal is, however, with a number of Difficulties linked. First you might think of the main propeller shaft

ίο mit diesem Motor anzutreiben, und zwar entweder, indem der Motor unmittelbar auf die Welle gesetzt wird oder durch ein besonderes Getriebe die Schraube antreibt. Man hat jedoch von diesen Antrieben abgesehen, weil die Berechnungen zeigten, daß ein Antrieb auf diese Weise sich ökonomisch erheblich ungünstiger stellte als ein Antrieb vom Hauptmotor aus. In dem einen Falle, in dem man den Sondermotor auf der Hauptwelle anordnete, ergab es sich, wenn man die üblichen Berechnungsmethoden für elektrische Maschinen zugrunde legte, infolge der durch den Wellendurchmesser vorgeschriebenen Abmessungen sehr ungünstige Verhältnisse, im anderen Falle, in dem man den Elektromotor für die geringe, in Frage kommende Leistung und für hohe Drehzahl ausführte, mußte man mit dem schlechten Wirkungsgrad der Übersetzung rechnen, die zum Antrieb der Schraube erforderlich war.ίο to be driven with this motor, either, by placing the motor directly on the shaft or by a special one Gear drives the screw. However, one has refrained from these drives because the calculations showed that a drive in this way would be economically considerably less favorable exhibited as a drive from the main engine. In the one case where you Arranged the special motor on the main shaft, it turned out if one used the usual Calculation methods for electrical machines were based on, as a result of the Shaft diameter prescribed dimensions very unfavorable conditions, in the other Case in which you can use the electric motor for the low power in question and Executed for high speed, one had to deal with the poor efficiency of the translation that was necessary to drive the screw.

Die Erfindung hat nun einen derartigen Sondermotor zum Antrieb von Unterseebooten bei kleiner Fahrt zum Gegenstand, der auf der Hauptschraubenwelle angeordnet ist und trotzdem günstige elektrische Eigenschaften, insbesondere gute Kommutierung und hohen Wirkungsgrad, aufweist. Dies wird dadurch erreicht, daß bei diesem Motor die üblichen Verhältnisse verlassen weiden. Während man bei Maschinen anderer Größen und Ausführurigsformen (langsam oder schnelllaufend, offen oder geschlossen, für aussetzende oder dauernde Leistung usw.) den Wirkungsgrad dadurch hoch zu halten sucht, daß man das wirksame, d. h. das von elektrisehen und magnetischen Kraftlinien durchsetzte Material möglichst hoch ausnutzt, wird hier der umgekehrte Weg eingeschlagen. Während man also sonst die für die Materialausnutzung maßgebende Größe, die »Ausriutzungsziffer« C₀ = AB io-^s (worin A den Strombelag des Ankers in Ampere pro Zentimeter Ankerumfang und B die mittlere Luftinduktion in Kraftlinien pro cm² bedeutet) für kleinere und mittlere Maschinen etwa zu 15, für größere entsprechend höher bis zu 30 und darüber annimmt, soll diese Ausnutzungsziffer C₀ nun der Erfindung gemäß für die in Frage kommenden Motoren erheblich kleiner gewählt werden, und zwar sollen den Motoren Werte der Größe C₀ zugrunde gelegt werden, die kleiner als die Hälfte dieser Werte sind. Diese Größe C₀ ist nun nicht unveränderlich, sondern sie hängt noch von der Leistung ab,The subject matter of the invention is such a special motor for driving submarines during short journeys, which is arranged on the main propeller shaft and nevertheless has favorable electrical properties, in particular good commutation and high efficiency. This is achieved by leaving the usual conditions in this engine. While with machines of other sizes and designs (slow or fast running, open or closed, for intermittent or continuous power, etc.) one tries to keep the efficiency high by utilizing the effective material, i.e. the material interspersed with electrical and magnetic lines of force, as much as possible , here the opposite route is taken. While (where A is the average air induction in lines of force per cm ² the current density of the anchor in amperes per centimeter anchor scope and B) so otherwise the law applicable to the use of material size, "Ausriutzungsziffer" C ₀ = AB io ^s average for small and Assuming machines about 15, for larger ones correspondingly higher up to 30 and above, according to the invention, this utilization number C _{0 should} now be chosen to be considerably smaller for the motors in question, and the motors should be based on _{values of the size C 0,} that are less than half of these values. This quantity C ₀ is now not unchangeable, but it still depends on the power,

die der Motor pro Umdrehung zu liefern hat. Die günstigsten Verhältnisse ergeben sich, wenn man für die Größe C₀ unterhalb der folgenden Beziehung bleibt:which the motor has to deliver per revolution. The most favorable ratios result if one stays below the following relation for the quantity C _0:

C₀ = 2,25 + 0,045 τ C ₀ = 2.25 + 0.045 τ

WattminutenWatt minutes

Umdrehungen.Revolutions.

Man gelangt auf diese Weise zu einem Motor, bei dem das aktive Material das inaktive an Gewicht erreicht oder überwiegt. Besonders günstig gestalten sich die elektrischen Verhältnisse, wenn man nun noch für diese Motoren eine besonders hohe Polzahl wählt, und zwar hat sich als vorteilhaft herausgestellt, mit der Leistung in Watt pro Pol (W_v) unterhalb der durch die folgende Beziehung gegebenen Größen zu bleiben:In this way one arrives at a motor in which the active material equals or outweighs the inactive in weight. The electrical conditions are particularly favorable if a particularly high number of poles is selected for these motors, and it has been found to be advantageous to keep the output in watts per pole (W _v ) below the values given by the following relationship :

W₁, = 50 + 2,25 W ₁ , = 50 + 2.25

WattminutenWatt minutes

Umdrehungen.Revolutions.

Ein Zahlenbeispiel möge die Verhältnisse erläutern. Es seien beispielsweise zum Antrieb des Unterseebootes bei voller Fahrt 125 kW bei etwa 380 Umdrehungen der Schraube erforderlich. Wird nun die geringe Geschwindigkeit, die zur Erhaltung der Schwimmlag'e und Steuerfähigkeit bei Unterwasserfahrt ausreicht, mit etwa JJ Umdrehungen der Schraube angenommen, so ergibt sich als erforderliche Antriebsleistung die '■■ Größenordnung von τ kW. Die GrößeLet a numerical example explain the relationships. For example, to drive the submarine at full speed, 125 kW at around 380 revolutions of the screw are required. If the low speed, which is sufficient to maintain the swimming position and controllability during underwater travel, is assumed to be about JJ turns of the screw, the required drive power is the order of τ kW. The size

WattminutenWatt minutes

ergibt sich zu 13. Aus der obenresults in 13. From the above

UmdrehungenRevolutions

genannten Beziehung 1 ergibt sich somit als obere Grenze für die Größe C₀ etwa 2,84, ferner als obere Grenze für W_p J9,2. Legt man für den Motor als Größe für C₀ etwa 2,2 und eine Polzahlvon etwa 12 bis 14 zugrunde, so läßt sich ohne weiteres für diesen Motor ein Wirkungsgrad von über 75 Prozent erzielen, während man beim Antrieb durch den für 125 kW bemessenen Hauptmotor im günstigsten Falle nur einen Wirkungsgrad von etwa 25 Prozent erreichen kann.The above-mentioned relationship 1 thus results as the upper limit for size C ₀ about 2.84, and furthermore as the upper limit for W _p J9.2. If the motor is based on about 2.2 as the size for C ₀ and a number of poles of about 12 to 14, an efficiency of over 75 percent can easily be achieved for this motor, while the main motor, which is rated for 125 kW, can be used as a basis in the best case can only achieve an efficiency of about 25 percent.

Gegenüber diesem beträchtlichen Energiegewinn kommt die Vermehrung des Gewichtes durch die reichliche Verwendung von aktivem Material nicht in Betracht, da das Gewicht des Sondermotors gegenüber dem der Häuptmaschine mit Welle verschwindet.In contrast to this considerable gain in energy, there is an increase in weight due to the copious use of active material out of consideration, as the weight of the special motor compared to that of the main machine with shaft disappears.

Diese an sich unbeträchtliche Gewichtsvermehruhg ist auch auf die Gesamtreibungsverluste ohne Einfluß, da der Motor nunmehr auf der Hauptwelle angeordnet werden kann und kein besonderes Lager braucht. Auf die Reibung der Kammlager, die an sich schon groß ist, übt die Gewichtsvermehrung überhaupt keine Wirkung aus. Auch die Luftreibung fällt nicht ins Gewicht.This increase in weight, which in itself is insignificant, is also due to the overall friction losses without influence, since the motor can now be arranged on the main shaft and does not need a special warehouse. On the friction of the comb bearings, which in itself is great the weight gain has no effect at all. Also the air friction does not matter.

Der Energiegewinn, der somit voll für die Vermehrung des Aktionsradius ausgenutzt werden kann — eine Vermehrung des Wirkungsgrades, z. B. von 0,25 auf 0,75, bedeutet eine Vergrößerung des Aktionsradius um 300 Prozent —, geht zusammen mit einer großen Reihe von Vorteilen in elektrischer Hinsicht, die das Verhalten des Motors sehr günstig beeinflussen. Zunächst fallen durch die große Polzahl die Stirnverbindungen kurz aus, die hierdurch verminderten Kupferverluste fallen kleiner aus, als die Eisenverluste mit der Polzahl wachsen. Andererseits sind aber auch die Eisenverluste durch das schwache Feld sehr gering, und gerade mit Rücksicht auf das schwache Feld stehen auch große Wickelräume für die Ankerwicklung zur Verfügung, da ohne weiteres schmale Zahne und tiefe Nuten ausgeführt werden können.The energy gain, which can thus be fully used to increase the radius of action - an increase in efficiency, e.g. B. from 0.25 to 0.75, means an increase in the range of action by 300 percent - goes together with a large number of advantages in electrical terms, which have a very favorable effect on the behavior of the motor. First of all, the end connections are short due to the large number of poles; the copper losses that are reduced as a result are smaller than the iron losses increase with the number of poles. On the other hand, the iron losses due to the weak field are also very low, and especially with regard to the weak field, large winding spaces are also available for the armature winding, since narrow teeth and deep grooves can easily be made.

Infolge des geringen Strombelages auf dem Anker wird die Reaktanzspannung nur klein, die Kommutierungsverhältnisse werden verbessert, die Stromübergangsverluste am Kommutator ketonen durch Verwendung von Kupferbürsten, die mit Rücksicht auf die kleine Reaktanzspannung nunmehr möglich sind, weiter vermindert werden. Andererseits kann die Bürstenpolzahl gegenüber der Polzahl auch wieder mit Rücksicht auf die kleine Reaktanzspannung vermindert werden, so daß auch die Bürstenreibungsverhältnisse sehr günstig ausfallen. Die ReaktaMSpannung ihrerseits kann auch mit Rücksicht darauf sehr klein gewählt werden, daß der nunmehr zur Verfügung stehende große Ankerdurchmesser es ermöglicht, viele Lamellen anzuordnen. Außerdem ist es möglich, Stabwicklungen zu verwenden, die sich fabrikatorisch billig ausführen lassen.Due to the low current load on the armature, the reactance voltage is only small, the commutation ratios are improved, the current transfer losses at the commutator ketones by using copper brushes with consideration for the small Reactance voltage are now possible to be further reduced. On the other hand, can the number of brush poles compared to the number of poles, also taking into account the small reactance voltage are reduced, so that the brush friction conditions are very high turn out cheap. The reaction voltage, for its part, can also be very high with this in mind be chosen small that the now available large anchor diameter it allows many slats to be arranged. It is also possible to use rod windings use that can be manufactured cheaply in terms of manufacturing.

Ein weiterer Vorteil, der naturgemäß mit der Verbesserung des Wirkungsgrades einhergeht und gerade bei den beschränkten Raumverhältnissen des Unterseebootes angenehm empfunden wird, ist die Verringerung der Verlustwärme, die sich bei langen Unterwasserfahrten sonst sehr störend bemerkbar macht.Another advantage that naturally goes hand in hand with the improvement in efficiency and especially with the limited space available in the submarine, the reduction is felt to be pleasant the heat loss, which is otherwise very annoying during long underwater journeys power.

Die Anordnung des Hauptmptors auf der Schraubenwelle wird nun am zweckmäßigsten so getroffen, daß der Sondermotor in unmittelbarer Nähe der Schraube angeordnet wird, wie dies die Zeichnung in der einen Maschinenanlage für einen solchen Antrieb veranschaulicht. Hierin bedeutet α die Wärmekraftmaschine für Überwasserfahrt, beispielsweise ein Dieselmotor. b_1} b₂ ist der elektrisch betriebene Doppelmotor für Unterwasserfahrt, c der auf der Welle angeordnete Sondermotor und d die Unterseeboots schraube.The arrangement of the main motor on the screw shaft is now most expediently made so that the special motor is arranged in the immediate vicinity of the screw, as illustrated in the drawing in the one machine system for such a drive. Here, α means the heat engine for overwater travel, for example a diesel engine. b _1} b ₂ is the electrically operated double motor for underwater travel, c the special motor arranged on the shaft and d the submarine screw.

Zwischen der Wärmekraftmaschine und den Hauptmotoren ist in der üblichen Weise eine Kupplung k₁ angeordnet, um während der Unterwasserfahrt die Wärmekraftmaschine völlig abschalten zu können. Eine zweite Kupplung k₂ dient dazu, die Schraube abkuppeln zu können, wenn es sich darum handelt, die elektrische Maschine zur Ladung der Batterie zu betreiben. Der Sondermotor wirdBetween the heat engine and the main engines, a clutch k _{1 is} arranged in the usual way in order to be able to switch off the heat engine completely during the underwater journey. A second clutch k ₂ is used to be able to uncouple the screw when it comes to operating the electric machine to charge the battery. The special engine will

ίο zweckmäßig zwischen dieser Kupplung k₂ und. der Schraube d angeordnet, um so sämtliche Hauptmotoren bei dem Betrieb für kleine Fahrt abschalten zu können.ίο appropriate between this clutch k ₂ and. the screw d arranged so as to be able to turn off all the main motors during operation for small trips.

Claims

Patent Claims:

i. Special electric motor for driving submarines during short journeys, characterized in that for. For the motor arranged on the main screw shaft, the product C ₀ of the mean air induction B in lines of force per cm ² and the current coating A of the armature in amperes per centimeter of armature circumference io- · ⁵ depending on the line

Watt minutes

power per revolution in ντ -; -;

Revolutions

approximated upwards by the relationship

y ,, watt minutes

C ₀ = 2.25 + 0.045

Revolutions

is limited.

2. Motor according to claim 1, characterized in that the size W _p , ie the power in watts per pole, depending on the power per revolution in

Watt minutes,

~ —-—: approximated towards the top hm

Revolutions

through the relationship

₁ , = 50 + 2.25

Watt-minute revolutions

is limited.

For this purpose ι sheet of drawings.