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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Triebwerksanlage mit einem Propeller,
einem mechanischen Antriebsstrang, einem elektrischen Motor und eine
elektronische Steuerung für
den Motor, wofür
ein Beispiel beschrieben ist in einem Dokument
US 3618719 des Standes der Technik,
das alle Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Anspruchs 1 offenbart.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Schutz des
Propellers und des Antriebsstrangs vor der vollen Wirkung von mechanischen Schlägen, die
sich aus einem plötzlichen
Stopp der Propellerbewegung ergeben, wie es verursacht wird durch
Abwürgen
des Propellers durch ein Hindernis unter Wasser.
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Hintergrund
der Erfindung
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Ältere Typen
von mechanisch angetriebenen (Turbinen oder Brennkraftmaschinen)
Eisbrechern haben einen Antriebsstrang verwendet mit einem Propeller
auf einer Welle, der direkt angetrieben wurde von dem mechanischen
Triebwerk. Bei solchen Eisbrechern kann die Integrität des Propellers
und Antriebsstrangs gefährdet
sein, wenn der Propeller auf einen großen Eisblock trifft, da er
gezwungen sein kann sehr schnell zu stoppen (zum Beispiel in 0,5
sek.) gegen das Drehmoment, das vom Triebwerk geliefert wird, so
dass eine unakzeptabel große mechanische
Schlaglast auf den Propeller und den Antriebsstrang trifft.
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1 zeigt,
dass zur Lösung
dieses so genannten Eis-Abwürge Problems
eine Flüssigkeitskupplung
verwendet wurde zwischen den Enden von zwei Wellen 12A, 12B in
dem Antriebsstrang, um die plötzliche
Geschwindigkeitsänderung
zu absorbieren zwischen dem mechanischen Triebwerk 14 und
dem Propeller 16 und so die Überlastung des Systems vermieden
wird.
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Bei
anderen, neueren Typen von Eisbrechern, bei denen ein elektrischer
Motor direkt verbunden ist mit einem Propeller über eine Welle, bestand weniger
Bedarf Flüssigkeitskupplungen
in den Antriebsstrang einzufügen,
weil der elektrische Motor die Fähigkeit
hat, sehr schnell das Drehen zu stoppen, anders als eine Turbine
oder ein Dieselmotor. Trotzdem muß die Propellerwelle nach den
Kräften bemessen
werden, die durch das Stoppen aus der Drehträgheit des elektrischen Motors
verursacht werden. Dies trifft zu unabhängig davon, ob der Motor und
Antriebsstrang in der Hülle
des Schiffs oder in einer Vortriebskapsel ausserhalb der Haupthülle angebracht
ist.
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Es
wurde jedoch vor kurzem vorgeschlagen so genannte „Ruderpropeller" für Eisbrecher
zu verwenden, siehe 2. Wie dargestellt treibt bei
einer typischen Ruderpropeller-Anordnung
ein Hochgeschwindigkeitsmotor 20 den Propeller 21 über drei Wellen 22, 23, 24 und
zwei Zahnradsätze 25, 26.
Der Motor 20 ist in der Hülle 27 des Schiffs
untergebracht, wohingegen der Propeller 21 auf einer horizontalen Achse
an dem unteren Ende einer Schwenkeinheit 28 angebracht
ist, die sich nach unten erstreckt von der Hülle. Die Einheit ist mit der
Hülle verbunden
in der horizontalen Ebene einer Kupplung 29, die es der Einheit
erlaubt sich um eine senkrechte Achse zu drehen, die zentriert ist
auf einer vertikalen Welle 23 und dadurch die Richtung
des Schubs des Propellers zu ändern.
Das Getriebe 25, 26 ist natürlich erforderlich durch die
Notwendigkeit, den Antrieb von der an der Hülle angebrachten horizontalen
Welle 22 über die
vertikale Welle 23 auf die horizontale Propellerwelle 24 am
Boden der Einheit zu übertragen.
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Es
ist wünschenswert,
die Größe des Motors zu
reduzieren durch Verwendung eine Reduziergetriebes, so dass es dem
Motor möglich
ist bei einer höheren
RPM zu laufen als der Propeller. Ünglücklicherweise kann dies den
Propeller au sserordentlicher Schlaglast in Drehrichtung aussetzen
auf Grund der Übersetzungswirkung
des Getriebes, denn wenn ein besonderer Anteil der Trägheit des
Wellensystems dem Propeller zugeordnet wird über Reduziergetriebe mit dem Übersetzungsverhältnis N,
wird die vom Propeller aufgenommene Trägheit effektiv multipliziert
mit N2. So vervielfacht der Antriebsstrang
mit seinem Getriebe die Drehträgheit
des Motors, wie an dem Propeller zu ersehen, und vergrößert die
Kräfte auf
die Welle und Getriebe bei einem Eishalt oder einem anderen Ereignis
des Propeller-Abwürgens.
Um Schaden an dem Propeller und Antriebsstrang zu vermeiden, kann
eine Flüssigkeitskupplung
eingesetzt werden zwischen elektrischem Motor und den Getrieben.
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Unglücklicherweise
bringen solche Flüssigkeitskupplungen
erhebliche Leistungsübertragungsverluste
mit sich, wodurch Treibstoff und Energie verschwendet wird.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung schafft eine Steuerung gegen Schläge in Ruderpropellern
oder anderen Vortriebssystemen mit elektrischem Motor, die verwendet
werden für
Eisbrecher und andere Wasserfahrzeuge, so dass sie besser angepasst
sind, um Schlägen
auf den Antriebsstrang zu widerstehen, die verursacht werden durch
Abwürgen
des Propellers.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung, wie offenbart in den unabhängigen Ansprüchen 1 und
7, umfasst eine Triebwerksanlage einen Propeller, einen mechanischen
Antriebsstrang, einem elektrischen Motor und Einrichtungen zum Steuern
des Ausgangsdrehmoments vom Motor zum Antriebsstrang und eine Notfall-Steuereinrichtung
für das Drehmoment
des Motors, wobei die Notfall-Steuereinrichtung für das Drehmoment
des Motors Einrichtungen umfasst zum Erfassen ausserordentlichen Bremsens
des Motors und Einrichtungen zum Reduzieren oder Umkehren des Drehmoments,
das vom Motor am Antriebsstrang angelegt ist, wenn ausserordentliches
Bremsen erfasst wird.
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Auf
diese Weise wird das Bremsen des Motors über das des Antriebsstrangs
und so der Schlag auf den Propeller und Antriebsstrang reduziert,
wenn Drehung des Propellers ausserordentlich behindert wird, Es
wird gewürdigt
werden, dass in dem ernsten Fall, dass der Propeller auf ein festes
Hindernis unter Wasser schlägt,
wie zum Beispiel auf einen großen Eisblock,
die Erfindung die Integrität
des Propellers und Antriebsstrangs schützt durch Reduzieren der Größe der gespeicherten
Drehenergie, die zu dem Hindernis übertragen wird.
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Die
Einrichtungen zum Steuern des Ausgangsdrehmoments umfassen vorzugsweise
eine elektronische Vektorsteuerung und Einrichtungen zur Eingabe
eines Drehmomentbezugssignals an die Steuerung, wobei das Drehmomentbezugssignal
repräsentativ
ist für
ein gewünschtes
Ausgangsdrehmoment des Motors. Zudem können die Einrichtungen zum
Reduzieren oder Umkehren des Drehmoments, das vom Motor am Antriebsstrang
angelegt ist, vorzugsweise Einrichtungen umfassen zum Ändern des
Drehmomentbezugssignals jeweils auf einen niedrigen oder auf einen
negativen Wert.
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Die
Einrichtungen zum Erfassen ausserordentlichen Bremsens des Motors
kann Einrichtungen umfassen zum Erfassen des Bremsens des Motors, Einrichtungen
zum Vergleichen des erfassten Bremswerts mit einem Schwellenwert,
der für
ausserordentliches Bremsen steht und Einrichtungen zum Erzeugen
eines Signals, das für
ausserordentliches Bremsen steht, wenn ein erfasster Bremswert den
Schwellenwert überschreitet.
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Die
Einrichtungen zum Ändern
des Drehmomentbezugssignals auf einen niedrigen oder auf einen negativen
Wert umfassen Einrichtungen zum Ändern
oder Ersetzen des Drehmomentbezugssignals nach Empfang des Signals,
das für
ausserordentliches Bremsen steht. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung
umfasst die Einrichtung zur Eingabe eines Drehmomentbezugssignals
an die Steuerung (a) eine Signalsummierungseinrichtung zum Empfang eines
normalen Drehmomentbezugssignals und eines Notfall-Drehmomentbezugssignals
und zur Ausgabe der Summe der Signale an die Steuerung, und (b)
Schaltereinrichtungen zur Eingabe des Notfall-Drehmomentbezugssignals
an die Einrichtungen zum Summieren des Signals nur wenn die Schaltereinrichtungen
das Signal empfangen, das für
ausserordentliches Bremsen steht.
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Die
Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Notfallsteuerung einer
Triebwerksanlage, bei der ein elektrischer Motor einen Propeller
antreibt über einen
mechanischen Antriebsstrang, wobei das Verfahren die Schritte des
Erfassens ausserordentlichen Bremsens des Motors und des Reduzierens
oder Umkehrens des Drehmoments, das vom Motor am Antriebsstrang
angelegt ist, wenn ausserordentliches Bremsen erfasst wird, umfasst.
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Weitere
Aspekte der Erfindung werden offensichtlich aus der folgenden Beschreibung
und den Ansprüchen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Beispielhafte
Ausgestaltungen der Erfindungen werden jetzt beschrieben mit Bezug
auf die beigefügten
Zeichnungen, von denen:
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1 diagrammartig
eine Anordnung gemäß dem Stand
der Technik darstellt eines Propeller-Antriebsstrangs, der eine
Flüssigkeitskupplung verwendet,
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2 diagrammartig
eine bekannte Art eines Ruderpropellers darstellt, bei dem ein elektrischer
Motor einen Propeller antreibt über
einen verzahnten mechanischen Antriebsstrang, und
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3 ist
ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Ausgestaltung der Erfindung,
die geeignet ist zur Verwendung in Verbindung mit einem Ruderpropeller,
wie in 2 gezeigt.
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Genaue Beschreibung
einer bevorzugten Ausgestaltung
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Mit
Bezug auf 3 bezeichnet Bezugszeichen 30 einen
elektrischen Motor eines Schiffs mit seinen zugehörigen elektrischen/elektronischen Komponenten.
Die Letzteren enthalten angenommen einen PWM (pulsbreitenmodulierten)
Wandler zur Umwandlung elektrischen Stroms aus einem Generator (nicht
dargestellt) in eine Form, die geeignet ist zur Anregung der Statorspulen
des elektrischen Motors. Motor 30 treibt einen Propeller über etwas,
das ein komplexer verzahnter Antriebsstrang 32 sein könnte, wie
es in 2 gezeigt ist, aber was hier bestimmt ist einfach
mit Teilen einer Propellerwelle. Kurz: bei dieser Ausgestaltung
der Erfindung wird das Ausgangsdrehmoment des Motors zum Antriebsstrang
gesteuert von einer Steuerung 33 mit Bezug auf ein normales
oder gewünschtes
Drehmomentbezugssignal RN und ein Notfall-Drehmomentbezugssignal
RE. Wenn eine gemessene Verzögerung A
des Motors einen Schwellenbremswert AT überschreitet,
wird das normale Drehmomentbezugssignal RN geändert oder
ersetzt durch das Notfall-Drehmomentbezugssignal RE.
und die Steuerung 33 signalisiert dem Motor 30,
das Drehmoment, das vom Motor am Antriebsstrang angelegt ist, zu
reduzieren oder umzukehren. Auf diese Weise kann die Integrität des Propellers
und Antriebsstrangs geschützt
werden, wenn der Propeller auf ein Hindernis unter Wasser trifft.
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Das
Drehmoment, das vom elektrischen Motor 30 an den Antriebsstrang 32 während normalen Betriebs
des Systems angelegt ist, wird eingestellt von einer bekannten Art
von Vektorsteuerung, die von der Steuerung 33 geleistet
wird. Das System verwendet die Erfassung der Wellenstellung, wie
bekannt, um die Vektorsteuerung des Motors zu bewirken, die an sich
auch bekannt ist. Information zur Stellung der Motorwelle von einem
Codierer E wird verwendet, um die feldorientierte Steuerung hoher Bandbreite
in der Vektorsteuerung 33 zu erleichtern, die wiederum
das Drehmoment, das vom Motor 30 angelegt ist, regelt.
Da ein Signal S zur Stellung der Motorwelle erzeugt wird von einem
Codierer E der Stellung der Motorwelle (bekannt an sich) und eingegeben
wird an die Steuerung 33 zusammen mit einem normalen Bezugssignal
RN, das ein gewünschtes Drehmoment darstellt,
das von dem Motor erzeugt werden soll. Diese Eingaben werden verwendet
von der Steuerung um Ausgabesignale V zu erzeugen zum Antrieb des
oben genannten PWM-Wandlers mittels dem das Ausgangsdrehmoment des
Motors variiert wird.
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Zu
jeder zeit während
des normalen Betriebs des Antriebssystems wird die Geschwindigkeit
der Änderung
der Motordrehzahl angezeigt von einem Monitorsystem 34.
In Software oder anders wird das Signal S zur Stellung der Motorwelle
von dem Codierer E zweifach differenziert (d/dt2).
Die erste Differenzierung erzeugt ein Signal R zur Drehgeschwindigkeit
der Welle, das später
verwendet werden kann wie unten beschrieben und die zweite Differenzierung
erzeugt ein Signal A zur Drehbeschleunigung/Verlangsamung der Welle.
Das Signal A wird einem Abgleicher 35 zugeführt, wo
es verglichen wird mit einem Schwellensignal AT für Bremsen.
AT stellt ein ausserordentliches Bremsen
der Motordrehzahl dar, das einen Hinweis gibt auf ein äußeres Hindernis oder
Abwürgen
des Propellers, so wie als würde
der Propeller auf einen großen
Eisblock treffen. Wenn der Abgleicher 35 ermittelt, dass
das Schwellensignal AT für Bremsen über schritten wurde, leitet
der Abgleicher (zum Beispiel mittels eines Software- oder Hardwareschalters 36)
die Eingabe eines Notfall-Drehmomentbezugssignals RE an
eine Einrichtung zum Summieren 37. Summieren des Signals
RE mit dem normalen Drehmomentbezugssignal
RN erzeugt ein abgeändertes Drehmomentbezugssignal RM.
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Alternativ
kann das Notfall-Drehmomentbezugssignal RE einfach
zeitweise das normale Drehmomentbezugssignal RN ersetzen,
so dass RM = RE wird.
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Durch
Einstellen des Notfall-Drehmomentbezugssignals RE auf
einen geeigneten niedrigen oder negativen Wert kann der Übertrag
der gespeicherten Drehenergie in das Hindernis reduziert werden.
Zum Beispiel wenn nach Erfassen des Hindernisses das Notfall-Drehmomentbezugssignal
RE oder (RM falls verändert durch
Summieren mit RN) gestellt wird auf maximales
Bremsen, wird die zum Hindernis übertragene
Energie minimiert. Tatsächlich
erreicht das System eine künstliche
Reduktion der Trägheit
des Antriebsstrangs.
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Wenn
die Welle stoppt oder wenn die Eislast beseitigt ist, wird der schnelle
Fall der Geschwindigkeit aufhören
und der normale Betrieb kann weiter gehen.
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Es
sollte klar werden, dass AT oder RE keine festen Werte zu sein brauchen. Zum
Beispiel kann RE eine Drehmoment/Zeit Eigenschaft sein oder beides
oder kann programmierbar sein, um als Funktion variabel zu sein
von einer oder mehreren Eigenschaften des Antriebs, wie zum Beispiel
die Drehgeschwindigkeit der Welle unmittelbar vor dem Aktivieren
des Bremsens. Auf diese Weise kann man die Wirkung erreichen, dass
je größer die
Geschwindigkeit des Motors vor dem Ereignis desto größer ist
das Umkehrmoment, das von dem Motor angelegt wird und folglich um
so größer ist
die Verzögerung,
die an das Motorende des Propellerantriebsstrangs an gelegt wird,
um gegen den Bremsschlag zu wirken, der von einem Abwürgen des
Propellers erzeugt wird.
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Bei
dem obigen System kann die Steuerung des Motordrehmoments entweder
in offener Schleife oder geschlossener Schleife sein.
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Eine
Simulation hat ergeben, dass das Steuerverfahren der Erfindung die
mechanischen Spannungshöhen
in der Propellerwelle um typischerweise 2:1 senkt. Einer der Vorzüge der Erfindung
ist es, dass sie die Verwendung von schnelleren Motoren ermöglichen
wird ohne die Gefahr der Beschädigung des
Antriebsstrangs. Es wird darauf hingewiesen, dass schnellere Motoren
kostengünstiger
sind als langsame Motoren. Kostengünstigere Getriebe und Wellen
können
auch verwendet werden.
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Das
Verfahren ermöglicht
auch die Verwendung höheren
Drehmoments bei niedrigeren Geschwindigkeiten für langsam anliegende Lasten.