EP2683605A1 - Verfahren zum betrieb eines unterseebootes sowie unterseeboot - Google Patents

Verfahren zum betrieb eines unterseebootes sowie unterseeboot

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EP2683605A1
EP2683605A1 EP12714259.4A EP12714259A EP2683605A1 EP 2683605 A1 EP2683605 A1 EP 2683605A1 EP 12714259 A EP12714259 A EP 12714259A EP 2683605 A1 EP2683605 A1 EP 2683605A1
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EP
European Patent Office
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submarine
winding strands
operating
drive motor
winding
Prior art date
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Application number
EP12714259.4A
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English (en)
French (fr)
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EP2683605B1 (de
Inventor
Jürgen Eckert
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2683605A1 publication Critical patent/EP2683605A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2683605B1 publication Critical patent/EP2683605B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63G—OFFENSIVE OR DEFENSIVE ARRANGEMENTS ON VESSELS; MINE-LAYING; MINE-SWEEPING; SUBMARINES; AIRCRAFT CARRIERS
    • B63G8/00—Underwater vessels, e.g. submarines; Equipment specially adapted therefor
    • B63G8/08—Propulsion
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H23/00—Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements
    • B63H23/22—Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements with non-mechanical gearing
    • B63H23/24—Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements with non-mechanical gearing electric

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a submarine according to the preamble of patent claim 1 or a submarine according to the preamble of patent claim 8.
  • a propulsion propulsion system for a submarine described in WO 2004/068694 A1 comprises an electric machine embodied as a synchronous machine with a permanent magnetically excited rotor and with a stator in which a stator winding is arranged, which has a multiplicity of phase windings, for example 24 phase windings, having.
  • a separate single-phase pulse converter for supplying the winding strand with electric current is present for each of the winding phases.
  • the inverters for feeding the phase windings are in the form of converter modules in the interior of the synchronous machine and are arranged in the axial direction between an A-side end shield and a B-side end shield in a Umrichterhaltegerüst.
  • the converters protrude into a gap which is formed by a shaft of the synchronous machine and a rotor hub carrying the rotor, rotatably mounted on the shaft.
  • Such submarine propulsion propulsion systems enjoy high popularity due to their high compactness, the associated ⁇ small footprint and due to the low noise generated in Be ⁇ drive and are sold in ⁇ example by the applicant under the product name "SINAVY Permasyn”.
  • the single-phase pulse converter assigned to each phase winding is supplied with electrical energy from a DC voltage supply device.
  • Each pulse inverter usually has two half-bridges, each with two semicon ⁇ terschaltern on.
  • the switches are controlled so that adjusts a desired voltage to the output terminals of the pulse inverter and thus the connected thereto ⁇ winding strand.
  • the pulse converter output voltage is produced as the differential voltage of the output potentials of the two half bridges.
  • the engine has two operating modes or Massive ⁇ che on:
  • an operating point can be defined which, when reached, is switched over from the first operating range into the second operating range or vice versa.
  • the operation ⁇ point may be defined for example, by a threshold value for a rotational speed of the drive motor, wherein this threshold is again determined by a maximum allowable nominal current through the series connection of the winding phases. Since in the case of a ship or boat, the driving power and hence the load current on the curve with the propeller rotation ⁇ speed of the drive motor are linked, can be derived ⁇ a rotational speed at which the allowable nominal current is exceeded.
  • the drive motor is switched by a control device into the second operating range. Conversely, if the engine is in the second operating range and the speed falls below the threshold, the drive motor is switched by the controller from the second operating range to the first operating range.
  • the solution of the object directed to the method succeeds according to characterizing part of claim 1, characterized in that when Beyond the submarine another Be ⁇ operating point for switching is selected as in a submarine cruise of the submarine.
  • the operation can thus in the case of underwater drive in the first operation ⁇ range, ie for example optimized with respect to efficiency and acoustic noise, to be extended.
  • a particular advantage here is that this is possible without requiring major structural changes to the engine.
  • the first operating range is an area in which the drive motor is optimized in terms of its efficiency and its acoustic noise.
  • the operating point for the switching can be defined particularly easily by a threshold value for a rotational speed of the drive motor.
  • thresholds for other operating parameters are also possible.
  • the threshold value for the speed can be calculated from a threshold value for a maximum permissible rated current through the respective number of series-connected winding phases, i. be derived by the series connection of the winding strands, and a propeller curve.
  • the driving state can be determined particularly easily by detecting the diving depth of the submarine.
  • Various options known to those skilled in the art are available for this purpose.
  • the detection of the depth by a higher-level automation system.
  • the winding strands are connected via two half-bridges to a DC voltage supply device.
  • each have two half-bridges of these windings may be connected by a respective switching element having ⁇ today.
  • control device is designed such that it selects a ume ⁇ ren operating point for switching in a Studentswasserfahrt the submarine than in a Un terwasserfahrt the submarine.
  • the first operating area is an area, in which the drive motor is optimized in respect to its efficiency and its acoustically ⁇ diagram noise.
  • the operating point is defined by a threshold value for a rotational speed of the drive motor.
  • the threshold value for the speed is derived from a threshold value for a maximum permissible rated current through the respective number of series-connected winding phases and a propeller curve.
  • the winding strands are advantageously connected via two half-bridges to a DC voltage supply device.
  • two respective half-bridges of these windings by each ⁇ wells a switching element are connected to one another to the series connection of the respective number of winding phases.
  • FIG. 1 shows a partial section of a basic embodiment of a propulsion drive system for a submarine with a permanent-magnetically excited synchronous machine and arrange within the machine housing th pulse converters
  • FIG. 2 shows a submarine with a propulsion drive system of FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a schematic representation of an arrangement of winding phases and pulse converters of the drive motor of FIG. 1,
  • FIG. 4 is a schematic diagram of the supply of two winding strands in parallel and in series scarf ⁇ tion and
  • 5 shows a diagram with propeller curves for surface navigation and for underwater travel.
  • a submarine propulsion propulsion system 1 which, as shown in FIG. 2, is usually arranged in the stern 102 of a submarine 100 and drives a propeller 101 to drive the submarine 100.
  • the submarine 100 is, for example, a manned conventional Un ⁇ terseeboot with a crew of 20 to 50 men.
  • the "pro- Pulsion drive system 1 has, for example, a power of 0.5 to 2 MW.
  • the submarine propulsion drive system 1 comprises a drive motor 2 embodied as a synchronous machine with a permanent magnetically excited rotor 3 and a stator 4 with a stator winding 5.
  • the stator winding 5 is, as is apparent in particular from the basic illustration in FIG phase windings 6, 6 'is divided, of which in the case of FIG 3 in principle ge ⁇ showed stator winding 5, 24 windings 6, 6' are provided.
  • the drive motor 2 comprises a machine housing 10, which encloses egg ⁇ nen interior 19, in which the rotor 3 and the stator 4 are arranged.
  • the machine housing 10 is formed in the axial direction, ie in the direction of the axis of rotation of the machine shaft 9, by an A-side end shield 11 and a B-side end shield 12.
  • each of the winding strands 6, 6 ' is in each case a separate single-phase pulse converter 7 for feeding the respective winding strand 6, 6' with electric current present (see FIG 3).
  • the connection of each winding strand ⁇ 6, 6 ' is made at its associated converter 7 this means of connecting lines. 8
  • the inverter 7, which feed the stator winding 5 are arranged in the interior of the motor 2 between the A-side end plate 11 and the B-side end shield 12 in a Umrichterhaltege ⁇ framework 13 and are located in inverter modules 14.
  • the inverter modules 14 protrude into a gap 20, which is formed between the shaft 9 of the motor 2 and a non-rotatably attached bell-shaped and the rotor 3 bearing rotor hub 21.
  • a bells ⁇ shaped rotor hub 21 can also be a T-shaped rotor hub are used by the on both sides to the rotor shaft 9 is formed in each case a gap 20, protrude into the converter modules 14.
  • two inverters 7 each configured as inverters, namely inverters WR101 and WR102, inverters WR103 and WR104, inverters WR105 and WR106, inverters WR107 and WR108, inverters WR109 and WR110, are the inverters WR111 and WR112, inverters WR201 and WR202, inverters WR203 and WR204, inverters WR205 and WR206, inverters WR207 and WR208, inverters WR209 and WR210, and inverters WR211 and WR121 are combined into one inverter module 14.
  • the six converter modules 14 for powering the Wicklungssträn- ge 6 are connected via an intended for them connection line 15 to a subnet 17 to a DC voltage supply device of the submarine, in this case a DC Bordnet zes the Unterseeboo ⁇ tes.
  • the motor has a first operating range, in which two of the winding strands 6 and 6 'are switched in series maral, and a second operating range in which all the winding strands 6 and 6' are connected in parallel to each other on.
  • the schematic diagram of Figure 4 shows an example of the order ⁇ judge WR101 and WR102 the feeding of the respectively associated windings 6.
  • a corresponding functionality also exists for the other converter or Umrichterplane of the drive system.
  • the inverters WR101 and WR102 are connected to the DC voltage supply device 17 via positive and negative current-carrying conductors 15, 15 'having positive potential + UDC and negative potential -UDC, respectively.
  • the single-phase pulse converters WR101 and WR102 each have two half-bridges Wl, Wl 'or W2, W2'.
  • Each of the half bridges W1, W1 ', W2, W2' has in each case a semiconductor switch arranged in an input branch and a semiconductor switch (for example in the form of an IGBT) arranged in an output branch.
  • a semiconductor switch for example in the form of an IGBT
  • the switches SEI and SA1 or SEI' and SA1 ' In the case of the half-bridges W2 and W2 ', these are the switches SE2 and SA2 or SE2' and SA2 '.
  • the index "E" each stand for a disposed in a input branch switches and the subscript "A" in each case represents a ⁇ is arranged in an output branch switch.
  • the switches SE1, SA1, SE1 ', SA1' or SE2, SA2, SE2 ', SA2' are activated in such a way that the inverters WR101 and WR102 and in order to set a desired voltage at the respectively connected winding strands 6.
  • the winding section 6 assigned to the inverter WR101 is separable from the second half bridge W1 'of the inverter WR101 by means of a switch S1, and the winding section 6 assigned to the inverter WR102 can be separated from the first half bridge W2 of the inverter WR102 by means of a switch S2.
  • the winding section 6 assigned to the inverter WR101 can be connected in series via a line path 31, into which an additional choke 32 is connected, to the winding section 6, which is assigned to the inverter WR102.
  • the two winding phases 6 can thus be supplied with electrical energy in a series circuit via the first half-bridge W1 of the first inverter WR101 and the second half-bridge W2 'of the second inverter WR102 become.
  • the additional throttle 32 serves to smooth the current in order to avoid harmonics and the pendulum moments of the motor caused thereby.
  • the switches SEI, SA1 or SE2 ', SA2' are so controlled that sets a desired voltage to the series connection of the winding strands 6.
  • the drive motor is in a first operating range for an effective wheel-optimized and acoustically noise-optimized operation of the motor.
  • each winding string 6 is fed by the inverter WR101 or WR102 assigned to it. All winding phases are then connected in parallel to each other and the drive motor 2 is in a second operating range.
  • a control device 40 is used to switch the drive motor 2 from the first operating range in the second operating range or vice versa, when the drive motor 2 reaches a NEN defined operating point.
  • the control device 40 detects this by an automation system of the submarine 100, information about the driving state of the submarine 100 (eg in the form of information on the depth T of the submarine) and the rotational speed n of the propulsion motor 2 and is a function of this Informati ⁇ on Control commands to the drive devices 30 of the inverter WR101 and WR102 and to the switches Sl, S2, S3.
  • control device 40 is designed such that, when the submarine is being overshot, it has a different operating point for the changeover than when the submarine is underwater.
  • the operating point of the switch is defined indigsbei ⁇ play by a threshold value for a rotational speed of the drive motors ⁇ . 2 This threshold value is again determined by the permissible nominal current which flows via the series-connected winding strands 6. The permissible rated current is in turn determined significantly by the current carrying capacity of the throttle 32.
  • the drive power P and thus the load current are linked to the speed n of the drive motor via a propeller curve.
  • ⁇ Ps is a propeller curve for surface navigation and Pt a propeller curve for underwater travel. It is thus possible to derive a speed at which the maximum permissible nominal current is exceeded. However, it is taken into account whether the submarine is underwater or overwater.
  • Ps for surface drive is a maximum rotational speed of the propeller curve Ps for surface drive for an associated the maxi ⁇ paint current maximum input power Pmax n Simax for operation of the engine 2 in the first operating region derived.
  • the threshold n s, n max and t max from ⁇ stored in the control device 40th For speeds n ⁇ n s , max or n t , m ax, the motor 2 is then in the first operating range and for speeds n> n Simax or n t , m ax, the motor 2 is then in the second operating range.
  • the engine 2 is in the first operating region, causes the control device 40 in the case of surface running at increasing rotational speeds when reaching the rotational speed n Simax and in the case of underwater drive upon reaching the rotational speed n T, m ax a transfer to the second ready for operation ⁇ rich. Conversely, if the engine is in the second operating range, the control device 40 causes a changeover to the first loading at decreasing rotational speeds in the event of surface movement when the rotational speed n Simax is reached and in the case of underwater travel at high speeds n t , m ax - drive area.

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Abstract

Beim Betrieb eines Unterseebootes (100), das einen pulsumrichtergespeisten Antriebsmotor (2) mit einer Wicklung (5) aufweist, die in mehrere Wicklungsstränge (6,6') unterteilt ist, wobei der Motor (2) einen ersten Betriebsbereich, bei dem jeweils eine Anzahl der Wicklungsstränge(6,6'), vorzugsweise jeweils zwei der Wicklungsstränge(6,6'), in Reihe geschaltet sind, und einen zweiten Betriebsbereich, bei dem die Wicklungsstränge (6,6') parallel geschaltet sind, aufweist, und wobei ein Betriebspunkt (ns,max; nt,max) definiert ist, bei dessen Erreichen von dem ersten Betriebsbereich in den zweiten Betriebsbereich umgeschaltet wird bzw. umgekehrt, kann der Betrieb im ersten Betriebsbereich dadurch verlängert werden, dass bei einer Überwasserfahrt des Unterseebootes (100) ein anderer Betriebspunkt für die Umschaltung gewählt wird als bei einer Unterwasserfahrt des Unterseebootes (100).

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betrieb eines Unterseebootes sowie Unterseeboot
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Unterseebootes gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. ein Unterseebootes gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 8.
Ein in der WO 2004/068694 AI beschriebenes Propulsions- antriebssystem 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.
Derartige Unterseeboot-Propulsionsantriebssysteme erfreuen sich aufgrund ihrer hohen Kompaktheit, des damit einhergehen¬ den geringen Platzbedarfs und aufgrund der geringen im Be¬ trieb erzeugten Geräusche hoher Beliebtheit und werden bei¬ spielsweise von der Anmelderin unter dem Produktnamen „SINAVY Permasyn" vertrieben.
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 Halblei¬ terschaltern auf. Mittels einer geeigneten Ansteuervorrich- tung werden die Schalter so angesteuert, dass sich an den Ausgangsklemmen des Pulsumrichters und damit am dort ange¬ schlossenen Wicklungsstrang eine gewünschte Spannung einstellt. Die Pulsumrichter-Ausgangsspannung entsteht dabei als Differenzspannung der Ausgangspotentiale der beiden Halbbrücken .
Der Motor weist dabei zwei Betriebsarten bzw. Betriebsberei¬ che auf :
a) Einen ersten Betriebsbereich für einen wirkungsradopti- mierten 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 ei¬ ner 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 zuge¬ ordneten Pulsumrichter gespeist werden und dabei alle aus einer gemeinsamen DC-Spannungsversorgungseinrichtung gespeisten Wicklungsstränge parallel zueinander geschaltet sind .
Eine elektrische Schaltung für eine derartige Umschaltung ist beispielsweise in der EP 0 334 112 Bl und der DE 33 45 271 A beschrieben .
Es kann dabei ein Betriebspunkt definiert werden, bei dessen Erreichen von dem ersten Betriebsbereich in den zweiten Betriebsbereich umgeschaltet wird bzw. umgekehrt. Der Betriebs¬ punkt 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. Da im Falle eines Schiffes oder Bootes die Antriebsleistung und somit der Laststrom über die Propellerkurve mit der Dreh¬ zahl des Antriebsmotors verknüpft sind, lässt sich eine Dreh¬ zahl ableiten, ab der der zulässige Nennstrom überschritten wird.
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.
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 Betriebs- bereich, d.h. zum Beispiel in Bezug auf Wirkungsgrad und akustische Geräusche optimiert, zu ermöglichen.
Die Lösung der auf das Verfahren gerichteten Aufgabe gelingt gemäß kennzeichnendem Teil des Anspruchs 1 dadurch, dass bei einer Überwasserfahrt des Unterseebootes ein anderer Be¬ triebspunkt für die Umschaltung gewählt wird als bei einer Unterwasserfahrt des Unterseebootes.
Hierbei liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bislang ohne Be- rücksichtigung 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 Unterwasser¬ fahrt, bei einer Berücksichtigung des Fahrtzustandes des Un¬ terseebootes können jedoch auch die jeweils damit verknüpften unterschiedlichen Propellerkurven für Überwasserfahrt und Un- terwasserfahrt 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 Ver¬ lauf 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 Betriebs¬ bereich, d.h. z.B. in Bezug auf Wirkungsgrad und akustische Geräusche optimiert, verlängert werden. Ein besonderer Vor¬ teil ist hierbei, dass dies möglich ist, ohne dass größere konstruktive Änderungen am Motor notwendig sind.
Vorzugsweise ist der erste Betriebsbereich ein Bereich, in dem der Antriebsmotor in Bezug auf seinen Wirkungsgrad und seine akustische Geräusche optimiert ist.
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.
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.
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. In einer konstruktiv besonders einfachen Ausgestaltung sind die Wicklungsstränge über jeweils zwei Halbbrücken an eine DC-SpannungsVersorgungseinrichtung angeschlossen .
Zur einfachen Herstellung der Reihenschaltung der jeweiligen Anzahl von Wicklungssträngen können jeweils zwei Halbbrücken dieser Wicklungsstränge durch jeweils ein Schaltelement mit¬ einander verbunden werden.
Die Lösung der auf das Unterseeboot gerichteten Aufgabe ge¬ lingt gemäß kennzeichnendem Teil des Anspruchs 8 dadurch, dass die Steuerungseinrichtung derart ausgebildet ist, dass sie bei einer Überwasserfahrt des Unterseebootes einen ande¬ ren Betriebspunkt für die Umschaltung wählt als bei einer Un terwasserfahrt des Unterseebootes.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Unterseebootes ist der erste Betriebsbereich ein Bereich, in dem der Antriebsmotor in Bezug auf seinen Wirkungsgrad und seine akus¬ tische Geräusche optimiert ist.
Bevorzugt ist der Betriebspunkt durch einen Schwellwert für eine Drehzahl des Antriebsmotors definiert ist.
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.
Die Wicklungsstränge sind von Vorteil über jeweils zwei Halb brücken an eine DC-Spannungsversorgungseinrichtung angeschlossen .
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind zur Reihenschaltung der jeweiligen Anzahl von Wicklungssträngen jeweils zwei Halbbrücken dieser Wicklungsstränge durch je¬ weils ein Schaltelement miteinander verbindbar. Die für das erfindungsgemäße Verfahren und seine vorteilhaf¬ ten Ausgestaltungen genannten Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Unterseeboot und seine jeweils kor¬ respondierenden vorteilhaften Ausgestaltungen.
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:
FIG 1 einen Teilschnitt einer prinzipiellen Aus führungs form eines Propulsionsantriebssystems für ein Unterseeboot mit einer permanentmagnetisch erregten Synchronmaschine und innerhalb des Maschinengehäuses angeordne¬ ten Pulsumrichtern,
FIG 2 ein Unterseeboot mit einem Propulsionsantriebssystem von FIG 1,
FIG 3 eine Prinzipdarstellung einer Anordnung von Wicklungssträngen und Pulsumrichtern des Antriebsmotors von FIG 1,
FIG 4 eine Prinzipdarstellung der Speisung zweier Wicklungsstränge in Parallelschaltung und in Reihenschal¬ tung und
FIG 5 ein Diagramm mit Propellerkurven für Überwasserfahrt und für Unterwasserfahrt.
Die FIG 1 zeigt in prinzipieller Form im Teilschnitt ein Un- terseeboot-Propulsionsantriebssystem 1, das - wie in FIG 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 Un¬ terseeboot mit einer Besatzung von 20 bis 50 Mann. Das Pro- pulsionsantriebssystem 1 hat beispielsweise eine Leistung von 0.5 bis 2 MW.
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 FIG 3 ergibt, in eine Vielzahl von Wicklungssträngen 6, 6' unterteilt, von denen im Falle der in FIG 3 prinzipiell ge¬ zeigten Ständerwicklung 5, 24 Wicklungsstränge 6, 6' vorgesehen sind.
Der Antriebsmotor 2 umfasst ein Maschinengehäuse 10, das ei¬ nen 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.
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 FIG 3) . Der Anschluss jedes einzelnen Wicklungs¬ stranges 6, 6' an den ihm zugeordneten Umrichter 7 erfolgt dabei mittels Verbindungsleitungen 8.
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 Umrichterhaltege¬ rüst 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 glocken¬ förmigen Läufernabe 21 kann auch eine T-förmige Läufernabe zum Einsatz kommen, durch die zu beiden Seiten zu der Läufer- welle 9 jeweils ein Zwischenraum 20 ausgebildet ist, in den Umrichtermodule 14 ragen.
Bei dem in FIGUR 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 .
Die sechs Umrichtermodule 14 zur Speisung der Wicklungssträn- ge 6 sind über eine für sie vorgesehene Anschlussleitung 15 an ein Teilnetz 17 einer DC-Spannungsversorgungseinrichtung des Unterseebootes, hier eines DC-Bordnet zes des Unterseeboo¬ tes, angeschlossen. Die sechs Umrichtermodule 14 zur Speisung der Wicklungsstränge 6' sind über eine für sie vorgesehene Anschlussleitung 16 an ein Teilnetz 18 der DC-Spannungsver- sorgungseinrichtung angeschlossen .
Anstelle von zwei Umrichtern 7 je Umrichtermodul 14 können auch mehr als zwei Umrichter 7 zu einem Umrichtermodul zusam mengefasst sein.
Der Motor weist dabei einen ersten Betriebsbereich, bei dem jeweils zwei der Wicklungsstränge 6 bzw. 6' in Reihe geschal tet sind, und einen zweiten Betriebsbereich, bei dem alle Wicklungsstränge 6 bzw. 6' zueinander parallel geschaltet sind, auf.
Die Prinzipskizze von FIG 4 zeigt beispielhaft für die Um¬ richter WR101 und WR102 die Speisung der jeweils zugeordneten Wicklungsstränge 6. Eine entsprechende Funktionalität besteht auch für die anderen Umrichter bzw. Umrichterpaare des Antriebssystems 1. Die Umrichter WR101 und WR102 sind über ström- und spannungsführenden Leiter 15, 15' mit positivem Potential +UDC bzw. mit negativem Potential -UDC an die DC-Spannungsversorgungs- einrichtung 17 angeschlossen.
Die einphasigen Pulsumrichter WR101 und WR102 weisen jeweils zwei Halbbrücken Wl, Wl' bzw. W2, W2' auf. Jede der Halbbrücken Wl, Wl', W2, W2' weist jeweils einen in einem Eingangszweig angeordneten Halbleiterschalter und einen in einem Aus- gangszweig angeordneten Halbleiterschalter (z.B. in Form eines IGBT) auf. Im Fall der Halbbrücken Wl und Wl' sind dies die Schalter SEI und SA1 bzw. SEI' 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 ei- nen in einem Eingangszweig angeordneten Schalter und der Index „A" steht jeweils für einen in einem Ausgangszweig ange¬ ordneten Schalter.
Mittels jeweils einer geeigneten Ansteuervorrichtung 30 für jeden der Umrichter WR101, WR102 werden die Schalter SEI, SA1, SEI', 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.
Der dem Umrichter WR101 zugeordnete Wicklungsstrang 6 ist dabei mittels eines Schalters Sl von der zweiten Halbbrücke Wl' des Umrichters WR101 trennbar und der an sich dem Umrichter WR102 zugeordnete Wicklungsstrang 6 ist mittels eines Schal- ters 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 Wl 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. Mittels der Ansteuervorrichtungen 30 werden die Schalter SEI, SA1 bzw. SE2', SA2' so angesteuert, dass sich an der Reihenschaltung der Wicklungsstränge 6 eine gewünschte Spannung einstellt . 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. Wenn der Schalter 3 geöffnet und die Schalter Sl, 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 Betriebs- bereich.
Eine Steuerungseinrichtung 40 dient zur Umschaltung des Antriebsmotors 2 von dem ersten Betriebsbereich in den zweiten Betriebsbereich bzw. umgekehrt, wenn der Antriebsmotor 2 ei- nen 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 An- triebsmotors 2 und gibt in Abhängigkeit von dieser Informati¬ on Steuerbefehle an die Ansteuervorrichtungen 30 der Umrichter WR101 und WR102 sowie an die Schalter Sl, S2, S3.
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. Der Betriebspunkt für die Umschaltung wird im Ausführungsbei¬ spiel durch einen Schwellwert für eine Drehzahl des Antriebs¬ motors 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.
Wie in FIG 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. Da¬ bei 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 maxi¬ malen Strom zugeordnete maximale Antriebsleistung Pmax eine maximale Drehzahl nSimax 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 Antriebs¬ leistung 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 ab¬ gespeichert. Für Drehzahlen n < ns,max bzw. nt,max befindet sich der Motor 2 dann im ersten Betriebsbereich und für Drehzahlen n > nSimax bzw. nt,max befindet sich der Motor 2 dann im zweiten Betriebsbereich .
Befindet sich der Motor 2 im ersten Betriebsbereich, veranlasst die Steuerungsvorrichtung 40 im Fall von Überwasserfahrt bei größer werdenden Drehzahlen bei Erreichen der Drehzahl nSimax und im Fall von Unterwasserfahrt bei Erreichen der Drehzahl nt,max eine Umschaltung in den zweiten Betriebsbe¬ reich. 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 nSimax und im Fall von Unterwasserfahrt bei Er¬ reichen der Drehzahl nt,max eine Umschaltung in den ersten Be- triebsbereich .
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 Un¬ terseebootes 100 kann somit bei Unterwasserfahrt für Drehzah¬ len im Bereich von nSimax bis nt,max noch ein Betrieb im ersten Betriebsbereich ermöglicht werden, wohingegen er bei Überwasserfahrt nicht mehr möglich ist.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb eines Unterseebootes (100), das ei¬ nen pulsumrichtergespeisten Antriebsmotor (2) mit einer Wick- lung (5) aufweist, die in mehrere Wicklungsstränge (6,6') un¬ terteilt ist, wobei der Motor (2) einen ersten Betriebsbe¬ reich, bei dem jeweils eine Anzahl der Wicklungsstränge
(6,6')/ vorzugsweise jeweils zwei der Wicklungsstränge
(6,6'), in Reihe geschaltet sind, und einen zweiten Betriebs- bereich, bei dem die Wicklungsstränge (6,6') parallel ge¬ schaltet sind, aufweist, und wobei ein Betriebspunkt (nSimax; nt,max) definiert ist, bei dessen Erreichen von dem ersten Be¬ triebsbereich in den zweiten Betriebsbereich umgeschaltet wird bzw. umgekehrt,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass bei ei¬ ner Überwasserfahrt des Unterseebootes ein anderer Betriebs¬ punkt für die Umschaltung gewählt wird als bei einer Unter¬ wasserfahrt des Unterseebootes.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der ers¬ te Betriebsbereich ein Bereich ist, in dem der Antriebsmotor (2) in Bezug auf seinen Wirkungsgrad und seine akustischen Geräusche optimiert ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Be¬ triebspunkt durch einen Schwellwert für eine Drehzahl des An¬ triebsmotors (2) definiert ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Schwellwert für die Drehzahl aus einem Schwellwert für einen maximalen Nennstrom durch die jeweilige Anzahl in Reihe ge- schalteter Wicklungsstränge (6,6') und einer Propellerkurve (Ps,Pt) abgeleitet ist.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Fahrtzustand durch eine Erfassung der Tauchtiefe des Unter¬ seebootes ermittelt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Wicklungsstränge (6,6') über jeweils zwei Halbbrücken (W1,W1' bzw. W2,W2') an eine DC-Spannungsversorgungseinrichtung ange- schlössen sind.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zur Rei¬ henschaltung der jeweiligen Anzahl von Wicklungssträngen (6,6') jeweils zwei Halbbrücken (W1,W1' bzw. W2,W2') dieser Wicklungsstränge (6,6') durch jeweils ein Schaltelement mit¬ einander verbunden werden.
8. Unterseeboot (100) mit einem pulsumrichtergespeisten An- triebsmotor (2), der eine Wicklung (5) aufweist, die in mehrere Wicklungsstränge (6,6') unterteilt ist, wobei der Motor (2) einen ersten Betriebsbereich, bei dem jeweils eine Anzahl der Wicklungsstränge ( 6, 6 ') , vorzugsweise jeweils zwei der Wicklungsstränge ( 6, 6 ') , in Reihe geschaltet sind, und einen zweiten Betriebsbereich, bei dem die Wicklungsstränge (6,6') parallel geschaltet sind, aufweist, und mit einer Steuerungs¬ einrichtung (40) zur Umschaltung des Antriebsmotors (2) von dem ersten Betriebsbereich in den zweiten Betriebsbereich bzw. umgekehrt, wenn der Antriebsmotor (2) einen definierten Betriebspunkt (nSimax; nt,max) erreicht,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Steuerungseinrichtung (40) derart ausgebildet ist, dass sie bei einer Überwasserfahrt des Unterseebootes (100) einen an¬ deren Betriebspunkt für die Umschaltung wählt als bei einer Unterwasserfahrt des Unterseebootes (100) .
9. Unterseeboot (100) nach Anspruch 8,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der ers¬ te Betriebsbereich ein Bereich ist, in dem der Antriebsmotor (2) in Bezug auf seinen Wirkungsgrad und seine akustischen Geräusche optimiert ist.
10. Unterseeboot (100) nach Anspruch 8 oder 9,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Be¬ triebspunkt durch einen Schwellwert für eine Drehzahl des An- triebsmotors (2) definiert ist.
11. Unterseeboot (100) nach Anspruch 10,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Schwellwert für die Drehzahl aus einem Schwellwert für einen maximalen Nennstrom durch die jeweilige Anzahl in Reihe geschalteter Wicklungsstränge (6,6') und einer Propellerkurve (Ps,Pt) abgeleitet wird.
12. Unterseeboot (100) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die
Wicklungsstränge (6,6') über jeweils zwei Halbbrücken (W1,W1' bzw. W2,W2') an eine DC-Spannungsversorgungseinrichtung (17) angeschlossen sind.
13. Unterseeboot (100) nach Anspruch 12,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zur Rei¬ henschaltung der jeweiligen Anzahl von Wicklungssträngen (6,6') jeweils zwei Halbbrücken (W1,W2') dieser Wicklungsstränge (6,6') durch jeweils ein Schaltelement (S3) miteinan- der verbindbar sind.
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