EP2683605B1 - Verfahren zum betrieb eines unterseebootes sowie unterseeboot - Google Patents

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EP2683605B1
EP2683605B1 EP12714259.4A EP12714259A EP2683605B1 EP 2683605 B1 EP2683605 B1 EP 2683605B1 EP 12714259 A EP12714259 A EP 12714259A EP 2683605 B1 EP2683605 B1 EP 2683605B1
Authority
EP
European Patent Office
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submarine
coil strands
operating range
drive motor
threshold value
Prior art date
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Active
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EP12714259.4A
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English (en)
French (fr)
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EP2683605A1 (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
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Publication of EP2683605B1 publication Critical patent/EP2683605B1/de
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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.
  • An Indian WO 2004/068694 A1 described Propulsionsantriebssystem for a submarine comprises an electric machine designed as a synchronous machine with a permanent magnetically excited rotor and with a stator in which a stator winding is arranged, which has a plurality of winding strands, for example 24 winding strands.
  • 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 concomitant low space requirements and due to the low noise generated during operation and are sold for 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 semiconductor switches. By means of a suitable drive device the switches are controlled so that sets a desired voltage at the output terminals of the pulse inverter and thus the connected there winding harness.
  • the pulse converter output voltage is produced as the differential voltage of the output potentials of the two half bridges.
  • An electrical circuit for such switching is, for example, in EP 0 334 112 B1 and the DE 33 45 271 A described.
  • 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 operating point can be defined, for example, by a threshold value for a rotational speed of the drive motor, this threshold value in turn being determined by a maximum permissible rated current via the series connection of the phase windings.
  • 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 a submarine of the submarine another operating point for the switching is selected as in a submarine cruise of the submarine.
  • the method according to the invention can be used to extend the operation in the first operating range, ie optimized with regard to efficiency and acoustic noise.
  • a particular advantage here is that this is possible without major structural changes to the engine are necessary.
  • 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.
  • two half-bridges of these winding strands can each be connected to each other by a respective switching element.
  • control device is designed such that it selects a different operating point for the changeover of the submarine than for underwater travel of the submarine.
  • 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 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 half-bridges of these winding strands can be connected to one another by a respective switching element.
  • FIG. 1 shows in principal form in partial section a submarine propulsion propulsion system 1, which - as in FIG. 2 is shown - is usually located in the tail 102 of a submarine 100 and drives a propeller 101 to drive the submarine 100.
  • the submarine 100 is, for example, a manned conventional submarine with a crew of 20 to 50 men.
  • the propulsion drive system For example, 1 has 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 rotor 3 excited by permanent magnets 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. 3 is divided into a plurality of winding strands 6, 6 ', of which in the case of in FIG. 3 basically shown stator winding 5, 24 winding strands 6, 6 'are provided.
  • the drive motor 2 comprises a machine housing 10, which encloses an interior 19, in which the rotor 3 and the stator 4 are arranged.
  • the machine housing 10 is in the axial direction, i. in the direction of the axis of rotation of the machine shaft 9, formed by an A-side end plate 11 and a B-side end plate 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 available (see FIG. 3 ).
  • the connection of each individual winding strand 6, 6 'to the converter 7 assigned to it takes place by means of connecting lines 8.
  • the inverters 7, which feed the stator winding 5, are arranged in the interior of the motor 2 between the A-side end shield 11 and the B-side end shield 12 in an inverter holder frame 13 and are located in converter modules 14.
  • the converter modules 14 protrude into an intermediate space 20, which is formed between the shaft 9 of the motor 2 and a non-rotatably mounted bell-shaped and the rotor 3 bearing rotor hub 21.
  • a bell-shaped rotor hub 21 can also be a T-shaped rotor hub are used by the on both sides of the rotor shaft 9 is formed in each case a gap 20 in the inverter modules 14 protrude.
  • two of the inverters 7 configured as inverters, namely inverters WR101 and WR102, inverters WR103 and WR104, inverters WR105 and WR106, inverters WR107 and WR108, inverters WR109 and WR110, inverters WR111 and WR112, respectively 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 to form a converter module 14.
  • the six converter modules 14 for supplying the winding strands 6 are connected via a connection line 15 provided for them to a subnet 17 of a DC voltage supply device of the submarine, here a DC on-board network of the submarine.
  • the six converter modules 14 for feeding the winding strands 6 ' are connected via a connection line 16 provided for them to a subnetwork 18 of the DC voltage supply device.
  • the motor has a first operating region in which two of the winding strands 6 and 6 'are connected in series, and a second operating region in which all winding strands 6 and 6' are connected in parallel to one another.
  • FIG. 4 shows by way of example for the inverters WR101 and WR102 the supply of the respectively assigned winding strands 6.
  • a corresponding functionality also exists for the other inverters or converter pairs of the drive system 1.
  • the inverters WR101 and WR102 are connected to the DC voltage supply device 17 via positive and negative-potential conductive 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 W1, W1 'and W2, W2', respectively.
  • Each of the half bridges W1, W1 ', W2, W2' has 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 SE1 and SA1 or SE1' 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” stands for a switch arranged in an input branch and the index "A" stands for a switch arranged in an output branch.
  • the switches SE1, SA1, SE1 ', SA1' or SE2, SA2, SE2 ', SA2' are so controlled that at the output terminals of the inverter 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 converter 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 connection via the first half-bridge W1 of the first inverter WR101 and the second half-bridge W2 'of the second converter 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 SE1, SA1 and SE2 ', SA2' are driven so that sets a desired voltage to the series circuit of the winding strands 6.
  • the drive motor When the two winding strands 6 are operated in series, 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 its associated inverter WR101, WR102. There are then all the winding strands 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 defined operating point.
  • the control device 40 detects for this purpose from an automation system of the submarine 100 information about the driving state of the submarine 100 (eg in the form of information about the depth T of the submarine) and the speed n of the drive motor 2 and are in response to this information control commands to the control devices 30 of the inverter WR101 and WR102 and to the switches S1, 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 for the switching is defined in the exemplary embodiment by a threshold value for a rotational speed of the drive motor 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.
  • Ps is a propeller curve for surface navigation and Pt denotes 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.
  • a maximum speed n s , max for operation of the engine 2 in the first operating range can be derived from the propeller curve Ps for surface navigation for a maximum drive power Pmax assigned to the maximum current.
  • n t, max derivable for operation of the engine in the first operating range.
  • the threshold values n s, max and n t, max are stored in the control device 40. For speeds n ⁇ n s, max or n t, max , the motor 2 is then in the first operating range and for speeds n> n s, max or n t, max , the motor 2 is then in the second operating range.
  • control device 40 causes a changeover to the second operating range in the event of surface movement at increasing rotational speeds when the rotational speed n s, max is reached and in the case of underwater travel when the rotational speed n t, max is reached .
  • control device 40 causes a changeover to the first operating range at decreasing rotational speeds in the event of surface movement when the rotational speed n s, max is reached and in the case of underwater travel when the rotational speed n t, max is reached .

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Description

  • 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 A1 beschriebenes Propulsionsantriebssystem 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 einhergehenden geringen Platzbedarfs und aufgrund der geringen im Betrieb erzeugten Geräusche hoher Beliebtheit und werden beispielsweise 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 Halbleiterschaltern auf. Mittels einer geeigneten Ansteuervorrichtung werden die Schalter so angesteuert, dass sich an den Ausgangsklemmen des Pulsumrichters und damit am dort angeschlossenen Wicklungsstrang eine gewünschte Spannung einstellt. Die Pulsumrichter-Ausgangsspannung entsteht dabei als Differenzspannung der Ausgangspotentiale der beiden Halbbrücken.
  • Der Motor weist dabei zwei Betriebsarten bzw. Betriebsbereiche auf:
    1. a) Einen ersten Betriebsbereich für einen wirkungsgradoptimierten 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 einer gemeinsamen DC-Spannungsversorgungsvorrichtung gespeisten Reihenschaltungen von Wicklungssträngen sind dann wiederum parallel zueinander geschaltet.
    2. b) Einen zweiten Betriebsbereich für einen vergleichsweise höheren Drehzahlbereich und für höhere Antriebsleistungen, bei dem alle Wicklungsstränge von dem ihnen jeweils zugeordneten 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 B1 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 Betriebspunkt 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 Drehzahl des Antriebsmotors verknüpft sind, lässt sich eine Drehzahl 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 Betriebsbereich, 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 Betriebspunkt für die Umschaltung gewählt wird als bei einer Unterwasserfahrt des Unterseebootes.
  • Hierbei liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bislang ohne Berücksichtigung 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 Unterwasserfahrt. bei einer Berücksichtigung des Fahrtzustandes des Unterseebootes können jedoch auch die jeweils damit verknüpften unterschiedlichen Propellerkurven für Überwasserfahrt und Unterwasserfahrt 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 Verlauf 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 Betriebsbereich, d.h. z.B. in Bezug auf Wirkungsgrad und akustische Geräusche optimiert, verlängert werden. Ein besonderer Vorteil 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 miteinander verbunden werden.
  • Die Lösung der auf das Unterseeboot gerichteten Aufgabe gelingt gemäß kennzeichnendem Teil des Anspruchs 8 dadurch, dass die Steuerungseinrichtung derart ausgebildet ist, dass sie bei einer Überwasserfahrt des Unterseebootes einen anderen Betriebspunkt für die Umschaltung wählt als bei einer Unterwasserfahrt 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 akustische 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 Halbbrücken an eine DC-Spannungsversorgungseinrichtung angeschlossen.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind zur Reihenschaltung der jeweiligen Anzahl von Wicklungssträngen jeweils zwei Halbbrücken dieser Wicklungsstränge durch jeweils ein Schaltelement miteinander verbindbar.
  • Die für das erfindungsgemäße Verfahren und seine vorteilhaften Ausgestaltungen genannten Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Unterseeboot und seine jeweils korrespondierenden 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 Ausführungsform eines Propulsionsantriebssystems für ein Unterseeboot mit einer permanentmagnetisch erregten Synchronmaschine und innerhalb des Maschinengehäuses angeordneten 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 Reihenschaltung und
    FIG 5
    ein Diagramm mit Propellerkurven für Überwasserfahrt und für Unterwasserfahrt.
  • Die FIG 1 zeigt in prinzipieller Form im Teilschnitt ein Unterseeboot-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 Unterseeboot mit einer Besatzung von 20 bis 50 Mann. Das Propulsionsantriebssystem 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 gezeigten Ständerwicklung 5, 24 Wicklungsstränge 6, 6' vorgesehen sind.
  • Der Antriebsmotor 2 umfasst ein Maschinengehäuse 10, das einen 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 Wicklungsstranges 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 Umrichterhaltegerüst 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 glockenförmigen Läufernabe 21 kann auch eine T-förmige Läufernabe zum Einsatz kommen, durch die zu beiden Seiten zu der Läuferwelle 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 Wicklungsstränge 6 sind über eine für sie vorgesehene Anschlussleitung 15 an ein Teilnetz 17 einer DC-Spannungsversorgungseinrichtung des Unterseebootes, hier eines DC-Bordnetzes des Unterseebootes, angeschlossen. Die sechs Umrichtermodule 14 zur Speisung der Wicklungsstränge 6' sind über eine für sie vorgesehene Anschlussleitung 16 an ein Teilnetz 18 der DC-Spannungsversorgungseinrichtung angeschlossen.
  • Anstelle von zwei Umrichtern 7 je Umrichtermodul 14 können auch mehr als zwei Umrichter 7 zu einem Umrichtermodul zusammengefasst sein.
  • Der Motor weist dabei einen ersten Betriebsbereich, bei dem jeweils zwei der Wicklungsstränge 6 bzw. 6' in Reihe geschaltet 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 Umrichter 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 strom- und spannungsführenden Leiter 15, 15' mit positivem Potential +UDC bzw. mit negativem Potential -UDC an die DC-Spannungsversorgungseinrichtung 17 angeschlossen.
  • Die einphasigen Pulsumrichter WR101 und WR102 weisen jeweils zwei Halbbrücken W1, W1' bzw. W2, W2' auf. Jede der Halbbrücken W1, W1', W2, W2' weist jeweils einen in einem Eingangszweig angeordneten Halbleiterschalter und einen in einem Ausgangszweig angeordneten Halbleiterschalter (z.B. in Form eines IGBT) auf. Im Fall der Halbbrücken W1 und W1' sind dies die Schalter SE1 und SA1 bzw. SE1' 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 einen in einem Eingangszweig angeordneten Schalter und der Index "A" steht jeweils für einen in einem Ausgangszweig angeordneten Schalter.
  • Mittels jeweils einer geeigneten Ansteuervorrichtung 30 für jeden der Umrichter WR101, WR102 werden die Schalter SE1, SA1, SE1', 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 S1 von der zweiten Halbbrücke W1' des Umrichters WR101 trennbar und der an sich dem Umrichter WR102 zugeordnete Wicklungsstrang 6 ist mittels eines Schalters 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 W1 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 SE1, 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 S1, 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 Betriebsbereich.
  • Eine Steuerungseinrichtung 40 dient zur Umschaltung des Antriebsmotors 2 von dem ersten Betriebsbereich in den zweiten Betriebsbereich bzw. umgekehrt, wenn der Antriebsmotor 2 einen 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 Antriebsmotors 2 und gibt in Abhängigkeit von dieser Information Steuerbefehle an die Ansteuervorrichtungen 30 der Umrichter WR101 und WR102 sowie an die Schalter S1, 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 Ausführungsbeispiel durch einen Schwellwert für eine Drehzahl des Antriebsmotors 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. Dabei 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 maximalen Strom zugeordnete maximale Antriebsleistung Pmax eine maximale Drehzahl ns,max 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 Antriebsleistung 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 abgespeichert. Für Drehzahlen n < ns,max bzw. nt,max befindet sich der Motor 2 dann im ersten Betriebsbereich und für Drehzahlen n > ns,max 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 ns,max und im Fall von Unterwasserfahrt bei Erreichen der Drehzahl nt,max eine Umschaltung in den zweiten Betriebsbereich.
  • 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 ns,max und im Fall von Unterwasserfahrt bei Erreichen der Drehzahl nt,max eine Umschaltung in den ersten Betriebsbereich.
  • 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 Unterseebootes 100 kann somit bei Unterwasserfahrt für Drehzahlen im Bereich von ns,max bis nt,max noch ein Betrieb im ersten Betriebsbereich ermöglicht werden, wohingegen er bei Überwasserfahrt nicht mehr möglich ist.

Claims (13)

  1. Verfahren zum 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,
    dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Überwasserfahrt des Unterseebootes ein anderer Betriebspunkt für die Umschaltung gewählt wird als bei einer Unterwasserfahrt des Unterseebootes.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass der erste 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,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebspunkt durch einen Schwellwert für eine Drehzahl des Antriebsmotors (2) definiert ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, 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 ist.
  5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Fahrtzustand durch eine Erfassung der Tauchtiefe des Unterseebootes ermittelt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsstränge (6,6') über jeweils zwei Halbbrücken (W1,W1' bzw. W2,W2') an eine DC-Spannungsversorgungseinrichtung angeschlossen sind.
  7. Verfahren nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass zur Reihenschaltung der jeweiligen Anzahl von Wicklungssträngen (6,6') jeweils zwei Halbbrücken (W1,W1' bzw. W2,W2') dieser Wicklungsstränge (6,6') durch jeweils ein Schaltelement miteinander verbunden werden.
  8. Unterseeboot (100) mit einem pulsumrichtergespeisten Antriebsmotor (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 Steuerungseinrichtung (40) zur Umschaltung des Antriebsmotors (2) von dem ersten Betriebsbereich in den zweiten Betriebsbereich bzw. umgekehrt, wenn der Antriebsmotor (2) einen definierten Betriebspunkt (ns,max; nt,max) erreicht,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (40) derart ausgebildet ist, dass sie bei einer Überwasserfahrt des Unterseebootes (100) einen anderen Betriebspunkt für die Umschaltung wählt als bei einer Unterwasserfahrt des Unterseebootes (100).
  9. Unterseeboot (100) nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass der erste 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,
    dadurch gekenntzeichnet, dass der Betriebspunkt durch einen Schwellwert für eine Drehzahl des Antriebsmotors (2) definiert ist.
  11. Unterseeboot (100) nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, 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,
    dadurch gekennzeichnet, 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,
    dadurch gekennzeichnet, dass zur Reihenschaltung der jeweiligen Anzahl von Wicklungssträngen (6,6') jeweils zwei Halbbrücken (W1,W2') dieser Wicklungsstränge (6,6') durch jeweils ein Schaltelement (S3) miteinander verbindbar sind.
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