JP4143033B2 - 超電導技術による海軍船舶用回転電機 - Google Patents

Description

従来の回転電機、例えば電動機や発電機の効率を向上させ、かつ場所をとらないようにすべく、この種電機を超電導技術で実現することは従来既に提案されている。対応する実験機も既に完成し、米国や独国では公開もされている。しかし船舶での実用的運転はまだ実現していない。それは、技術的困難性、特に海軍船（軍艦）の場合、振動等の発生時の耐衝撃性と堅固性に対する特に高度の要求を現時点では未達成だからである。

本発明の課題は、実地応用に適した構造を持ち、軍艦に適用可能な超電導技術、特に高温超電導技術による回転電機を提供することにある。特に本発明の課題は、超電導技術の特別な利点を、冷媒通流に好都合な船尾形態とし、スリムな船舶構造、特に軽量な駆動装置となし得る、操舵プロペラ用の超電導技術による駆動電動機を提供することにある。

軍艦に好適な回転電機は既に公知である。しかし、この電機は大型で大重量であり、船での運転に適するよう組み込めない。同様のことは、国際公開第０２／３０７４２号パンフレットおよび独国特許出願公開第１９６４７９４８号明細書に開示された、電気操舵プロペラ用電動機にも言えることである。この電動機はそのハウジングからの振動に関しては隔離されている。しかし、それは通常の空気冷却方式のため大型かつ大重量になる。

本発明の特別な課題は、軍艦に適し、配置された船舶部分の１００Ｇ迄の加速度にも耐え得る、超電導技術による回転電機の個々の部品を提供することである。そのため、超電導電機を軍艦用にも制限なしに応用可能となる。

本発明の回転電機は電動機、例えば電機操舵プロペラ用電動機や従来型プロペラ用電動機又は戦闘速度を向上させるべく軍艦に配置されるウォータジェット用電動機、更に任意の電気負荷のために電気エネルギを発生する発電機等であり得るが、これら回転電機は、常に超電導電動機や超電導発電機の形で高効率で小型軽量の特別な利点を示す。

本発明の解決策を、独立請求項および従属請求項の特徴部に記載の文言並びに図面とその説明文から明らかにする。

超電導電動機や発電機、特に高温超電導体を用いて実現する回転電機の主要部品について詳細な情報が既に提供されている。例えば国際公開第００／１３２９６号パンフレットに開示された低温分配器がそれである。同様に、低温の回転子部分と外部へ導かれる軸部分との間の結合部に関する情報が独国特許出願第１０１１０６７４．２号明細書に、また冷却ヘッドに関する情報が欧州特許第０８６５５９５号明細書に開示されている。コンプレッサユニットや低温冷凍機用の諸備品に関するユニットは、例えば Leybold社のタイプRＧSやCoolpakの使用説明書および操作マニュアルで公知である。要約すれば、種々の技術分野、例えば核スピン断層撮影、超電導電流制限器或いは類似の製品から、軍艦用電動機や発電機に関する新たな組合せおよび発明的な変更に組み込まれるべき個々の部品は既に基本的に公知である。

本発明の更なる課題は、船舶用の駆動装置の特殊分野にあり、これを固定子および回転子からなり、船腹の下側にゴンドラ状に吊下げられる、冷媒通流に好適に構成されたハウジング内に配置される電動機構造に適用することである。その場合、回転子はハウジング内に軸支された軸によって支持され、少なくとも１つのプロペラに結合される。

この種形式の公知の駆動装置では、回転子は永久磁石励磁式回転子として構成され、円筒状支持体と磁気活性部を有する支持構造体を備える。この回転子は、少なくとも１つのプロペラを支持し、駆動装置のハウジング内に軸支された駆動軸上に配置される。電気・磁気的な活性部として機能する固定子は、駆動装置のハウジング内に締りばめではめ込まれている。その際電動機の冷却は、通流する冷却水でハウジングを経ての熱放出により行われる。固定子コイルエンドの冷却のため、ハウジング内部に空気や絶縁油を循環させ得る（国際公開第９７／４９６０５号パンフレット）。それとは別に、特殊な熱ブリッジを使用することも考えられる（独国特許出願公開第１９９０２８３７号明細書）。付加的な冷却手段は、駆動装置の竪穴状支持部に配置された熱交換器である（独国特許出願公開第１９８２６２２６号明細書）。

ゴンドラ状に配置した電動機を備える他の公知の駆動装置では、固定子と回転子を船腹から特殊な冷媒通路を経て導入したガス状冷却媒体で冷却可能とすべく、固定子をハウジング内に放射方向間隔をもって配置している（米国特許第５４０３２１６号明細書）。

請求項１の前文に記載の構成を有する駆動装置から出発し、本発明の課題は、衝撃負荷に耐えることができ、従って強い水中圧力波を生ずる種々の適用分野での使用にも好適なように駆動装置を構成することである。その場合、その構造は高温超電導駆動装置に好適なものでなければならない。

この課題を解決すべく、本発明によればラジアル軸受を経て固定子を回転子に固定し、固定子と回転子からなる構造ユニットをハウジングにも駆動軸にも弾性的に取付ける。

駆動装置のこの構成によれば、大質量をもって備え付けられる駆動電動機の弾性を持つ磁気活性部が、ハウジング内の駆動軸上に「緩衝」された形で軸支されるユニットを形成する。外部から駆動装置のハウジングと駆動軸に突発的に圧力が作用した際、それは時間的に遅れて作用し、従って電動機の電気的・磁気的活性部への衝撃を緩和させる。ゴンドラ状に配置された駆動装置の吊下げ手段を経て船腹にかかる機械力、特に曲げモーメントは次のようにして減少させる。即ち、駆動電動機の電気的・磁気的な活性部を弾性的又は緩衝的に配置することで、駆動装置から発する固体音が低減し、その結果この種駆動装置を備えた船舶の音響的位置測定が困難になる。駆動電動機の回転子と固定子間の機械的な剛性結合は、励磁のために回転子に永久磁石を備える電動機では、回転子と固定子との間の空隙が駆動装置の衝撃負荷時にも一定に保持され、そのため空隙を非常に小さく選定できるという、更なる利点を持つことになる。

本発明の構成では、回転子は、円筒状支持体とこれで支持された活性部を備え、活性部は駆動軸に弾性的に支持され、固定子は回転子の支持体に軸支され、かつハウジングに弾性的に支持される。その際、回転子を駆動軸に対し、軸方向および放射方向には柔軟に、しかし周方向にはトルク伝達可能に剛性をもって支持するとよい。

固定子を回転子の支持体に放射方向に剛性をもって軸支することは、市販のラジアル軸受およびスラスト軸受を用いて行われ、特にそれは転がり軸受として構成される。それに対し回転子軸の軸支のために、すべり軸受、特に流体静力学的な油循環型のすべり軸受が好適に用いられる。

回転子を軸上に弾性支持するため、例えば弾性結合のために波形ロープで実用されているような市販の緩衝部材を使用できる。この種緩衝部材に関し、回転子の放射および軸方向には弾性をもって、周方向にはトルク伝達可能に剛性をもって設けるのが重要である。

固定子を駆動装置のハウジングに弾性支持させるべく、回転子を軸上に支持するのと同様の緩衝部材を使用できる。

固定子を駆動装置のハウジングに弾性支持するため固定子とハウジングの間に空間が生ずるので、固定子の冷却を、ハウジングを経て通流する冷却水への熱放出のみでは行えない。そのため付加的な冷却処置を講じねばならない。そこで、駆動装置を船腹に取付ける支持筒体の壁領域や船腹に熱交換器を設けて作動させる。その際、液体冷却媒体、特に水が熱交換器および積層固定子鉄心の対応する穴又は積層鉄心を取り囲む冷却リング中を通流する。この冷却方式は固定子のコイルエンドにも適用できる。更に、固定子のコイルエンドの周囲を流れ、駆動装置の支持筒体領域に還流する循環空気流、即ち冷却風を発生させてもよい。場合によっては、駆動装置のビルジ空間、即ち駆動軸の終端部に配置されるハウジング部分も、熱交換の目的で使用できる。

カナダ国特許第１３１１６５７号明細書により、回転型操舵プロペラも公知である。この操舵プロペラは砕氷船の後尾の下に配置される。軸およびその船尾との接続部は砕氷用に特殊なものとして構成される。

本発明の他の課題は、特殊な課題、即ち軍艦の駆動装置を構成する電気操舵プロペラを提供することである。この課題を解決するには、電気操舵プロペラが水中爆発による大きな加速度に耐え得ることが必要である。その際、プロペラを軍艦のスリムな船尾構造を考慮して、軽量化せねばならない。

主たる課題は、船尾、支持筒体および電動機が水中爆発圧力波に対し損傷なしに撓み得るように船尾支持筒体接続部、支持筒体および電動機を構成し、しかもそのため支持筒体を自ら弾性変形可能とし、船尾支持筒体接続部が船尾に対する支持筒体の動きを許容するよう構成し、更に電動機が１０Ｇを超える加速度を受容可能なように構成することで解決できる。この解決策の特徴により、電気操舵プロペラは課題に対応して構成され、魚雷命中、艦船の下での魚雷爆発又は機雷の危険に曝される軍艦に組み込み可能となる。これは従来の操舵機の安定性を凌駕するものである。

雑誌"Marineforum"、第６巻、１９９９年、第８〜２９頁に記載の、Karl Otto Sadlerの論文、"Trends im ueberwasser-Marineschiffbau"から、近代的な軍艦の構造が読み取れる。本発明による電気操舵プロペラは、特にそのような近代的な軍艦を駆動するのに適したものを意図する。

本発明の構成では、電気操舵プロペラの支持筒体が少なくとも１つの弾性的に構成された可動継手、例えば支持筒体の個々の部品間に継手を備え得る。継手は、ねじ接続部を有するフランジを備え、フランジは弾性変形可能に構成され、例えば板ばねを備えるとよい。継手は、好適には多層に形成され強化された形の弾性プラスチック材料、例えばシリコーンゴムからなる弾性継手介在層を備える。本発明に応じ設けたこの継手で、支持筒体のための可動ジョイントを得、弾性挙動を達成できる。こうすることで、支持筒体の下端で電動機に作用し、また支持筒体船尾伝達部の爆発の圧力波による力を減衰させ得る。その際、本発明による解決策は要求に適った強靭性を持ち、かつ爆発による圧力波の減衰にとって非常に有効なものである。

継手の外周に弾性を持つ、特に弾性プラスチック材料からなる継手パッキンリングを設け、支持筒体部の変位時の、継手への水の浸入を防止するとよい。

更に、電動機のハウジングを複数部分に分割した分割型とし、ハウジングの各部分をアルミニウムから構成するとよい。同様に、支持筒体も２つ以上の分割型に構成できる。この支持筒体も好ましくはアルミニウムから構成できるが、繊維強化型のプラスチックや、部分的に鋼鉄又はアルミニウムフランジを備えることができる。これにより、相当の重量軽減を達成しつつ支持筒体の弾性を向上させ得る。

本発明の他の構成では、電動機は弾性を持つ回転子支持部と例えば５〜５０ｍｍの大きな空隙を備える。これにより、非常に大きな加速度（１００Ｇに達することもある）が発生した場合でも、電動機固定子部分への回転子の接触を確実に回避できる。本発明による弾性的な回転子支持と、転がり軸受に代わるすべり軸受の使用に関連した大きな空隙とによって、電動機に対する高い耐衝撃加速度が得られる。

大きな空隙は、効率低下を来すことなく、ＨＴＳＬ（高温超電導体）回転子によって特に有利に達成され得る。その際、空心型三相巻線とするのが特に好ましい。ＨＴＳＬ回転子の適用は、これを特に小型化でき、固定子巻線もそれに伴い小型化できる特別な利点を示す。かくして、耐爆発性、耐衝撃性を持ち、全体として非常に小型の回転電機が得られる。その場合、従来の回転電機に対し効率低下を来すことはない。上述の手段（ＨＴＳＬ技術を用いた電動機の使用、鋼鉄に代わるアルミニウム又はプラスチックの使用）および以下に述べる他の手段により、例えば７ＭＷの操舵プロペラの重量を約１２０ｔから約６５ｔへと大幅に減少させ得る。

本発明の好適な他の構成では、船尾支持筒体接続部が船尾内に弾性変形する支持筒体を形成し、弾性変形する支持構造部、例えば可撓性の板を備える。この結果、支持筒体を経て船尾に作用する爆発圧力も、船尾に直接作用する爆発圧力波も同時に減少させ得る。

本発明の他の構成では、電動機のエネルギ供給導体を、例えば回転弾性型ケーブルスカートや螺旋状に拡がる導線を持つケーブルの形にし、スリップリングなしとする。スリップリングを省略することで、操舵プロペラの重量が大幅に減少する。また、例えば爆発圧力波発生等の激しい運動の発生時、注意してもなお起こり得る障害の原因を無くできる。しかもスリップリングを省略することで、電気操舵プロペラの回転角度を１２０〜１８０度に制限できる。この角度は甘受できる範囲である。と言うのは、電気操舵プロペラが極限位置から再び逆回転でき、同一回転方向に更に回転する必要がないからである。

本発明の他の構成では、公知の如く、支持筒体の状態と無関係に可動の補助操舵手段を設ける。この結果、支持筒体は通常条件の下で定まり、船の僅かな方向変化は補助操舵手段で調節可能になる。

補助操舵手段は飛行機の水平尾翼の昇降舵と同様の公知の方式で、支持筒体の後方の角に配置できる。しかし、ここでは、前記手段が支持筒体の航跡渦内にあるので、その作用が制限される。特別な利点を得るべく、補助操舵手段は側翼又は前翼の形をした、特に非対称の外形、特に主翼の外形に対応する外形とする。そうすれば、特に側翼又は前翼の特に良好な作用を達成できる。

電動機の特に安定な実施態様では、電動機を２分割型とし、両分割部分を互いに独立に運転可能とし、かつ特に互いに独立のエネルギ供給手段を設ける。電動機の各分割部分は夫々に対応するプロペラを駆動でき、かくして冗長性をもって動作する電動機装置を構成し、逆回転するプロペラ装置を簡単に実現できる。この結果駆動装置の効率が高まる。電動機のこの構成は、例えば高速モータボート等の小型の軍艦に特に利点をもたらす。

他の重量軽減策として、支持筒体の回動と補助操舵機の動きの少なくとも一方を電気アクチュエータで調節可能とする。その際、支持筒体回転装置の重量が軽減するという特別な利点に加えて、通常は常時回転する流体モータが不要になるので、特に低騒音の支持筒体回動装置を構成できる。その場合、電気アクチュエータによって、高速運転時および方向転換時、所望の目標位置への接近を容易に実現できる。かくして、船の回転運動を特に迅速に、適切な方法で調節して実行できる。

本発明の特に好適な構成では、船尾支持筒体接続部を弾性的に構成する。その手段として支持筒体用の半カルダン式吊下げ装置を設け、又は支持筒体の支持を球冠、特に弾性球冠を経て行う。その際、球冠での支持筒体上半部の軸支は、強靭性を持ち、かつ支持筒体に対する大きな変位も許容するという特別な利点を生む。半カルダン式の吊下げも、球冠を経ての支持筒体の支持も緩衝部材、例えば弾性クッションや流体クッションを利用して行う。該クッションは、ジョイント部材をも備えた可動支持構造体上に水平・垂直方向に支持される。かくして支持筒体用の、大きな変位量を持つ特定の変位運動が可能になる。

本発明の構成では、電動機が、電動機ハウジング内に収縮処理された巻線と外壁冷却部を備える。この結果、衝撃軸用の小さな攻撃面を持った特に小さな体積の電動機ゴンドラが得られる。支持筒体の弾性的な可動性に関連して、従来達成不能であった方式における電気操舵プロペラの必要条件を、軽量小型で、かつ耐衝撃性をもって対応する電気操舵プロペラの最適な構成を達成できる。

本発明の詳細は、下位請求項や本発明の他の詳細事項と共に図面から読み取れよう。

図１は、船腹の輪郭１を示す。その中に操舵プロペラ支持筒体２が回動可能かつ隠密性を与えるべく弾性的に支持されている。電気操舵プロペラを符号３で示す。それはここでは単純な牽引又は推進用プロペラである。冷却媒体導入のため、一方の軸端はハウジング内に自由に露出している。電気操舵プロペラのハウジングを４で示し、その中心部分にプロペラ軸でもある回転子軸１２が軸受５、７によって支持されている。

操舵プロペラ支持筒体２内に、電動機ハウジング２３の上部に冷凍機のコンプレッサ８が配置されている。冷凍機８は、詳細には図示しない船舶又は電気操舵プロペラの冷却システムを有する循環式低温冷却装置に接続されている。コンプレッサ８と冷却ヘッド１０の間に可撓性の圧力ガス導管９が配置され、冷却ヘッド１０に圧力ガスを供給する。冷却ヘッド１０は、それ自体公知の低温接続部１１に接続されている。低温接続部１１は、冷却ヘッド内で冷却された冷却媒体を回転する低温分配器２０に送出する。冷却媒体は、低温分配器２０から可撓性導管２１を経てクライオスタット１５に送出される。冷却媒体としては周知のように、高温超電導体の種類によっても異なるが、例えば、液化ネオンや液化窒素が用いられる。

真空状態に絶縁された回転子クライオスタット１５内に、超電導巻線１４、特に高温超電導巻線が設けられている。該巻線１４は、熱伝導度の低いトルク伝達カップリング１６を経て暖かい回転子クライオスタット１５に接続されている。回転子円筒２４は、ダンパ１７を経て電気操舵プロペラの軸１２に接続され、軸受１９を経てハウジング２３の終端フランジに結合されている。ハウジング２３の内周面に固定子１３が配置され、固定子１３と回転子１８との間に比較的大きな空隙２２が生じている。この空隙２２は、回転子１８と固定子１３の少なくとも一方の弾性変形と軸受１９の軸受隙間との総和を、衝撃の影響を受けた時の変位より小さい値に保つように定められる。かくして、例えば電気操舵プロペラの直下での水中爆発の際でも申し分のない機能を保証する。

回転子円筒２４は、ダンパ１７を経て回転子軸１２に接続されている。ダンパ１７として、本実施例では回転子円筒とハウジングの間に配置したものと同様のダンパを用いる。即ち、できるだけ僅かな冷却損失で、同時に高い耐衝撃性を示すようにしている。

図２は簡略化した実施例を示す。ここで図１のものに対応する部品の符号は省略している。図２の実施例は、超電導巻線のアンペアターン数がより高度に利用できる可能性を示す。回転子は僅かな導体質量しか必要とせず、しかも鉄心を少ししか、又は全然使用しないで実現できる。従って回転子の僅かな質量にかかる衝撃力は小さいか、運転時にかかる力と比較可能な値である。回転子は軸にダンパなしに結合され、冷却媒体室への低温接続は剛性の真空絶縁された導管を経て行われる。重量のある固定子や低温冷却器はダンパ２５を経て支持され、また冷却ヘッド・冷却カップリングとして可撓性接続管２６が必要である。その際、回転子と空心固定子巻線の間の空隙２７は、最大の衝撃負荷がかかったときでも回転子２８と固定子２９の接触が起こらないよう、最大５０ｍｍの大きさに選定される。かくして超電導回転電機の特に軽量で簡単な形態が得られる。

図３は、例えば回転電機に必要な可撓性の冷却媒体導管を示す。二重壁構造のハウジング３０内に、可撓性の両冷却媒体導管部分３３、３４を連結する真空室３１を形成している。これら導管部分３３、３４はフランジ３５、３６を経て、冷却媒体３２を満たした両壁に接続されている。全体として単純で、僅かな熱損失しか示さない冷却媒体導管構造を達成している。

図４は船舶用の電動機駆動式駆動装置１００の駆動軸１０１を示す。駆動軸１０１は各端部にプロペラ１０２、１０３を備える。駆動軸１０１を駆動する電動機は、上半分のみを断面で示す。電動機は回転子１０４と固定子１０５からなる。回転子１０４は永久磁石の形態の電気的活性層１０６を備え、円筒状の支持体１０７上に配置されている。固定子１０５は、ラジアル軸受１０９を経て回転子の支持体１０７に固定された多分割型の支持ハウジング１０８を備えている。

回転子１０５と固定子１０６からなる構造ユニットは、弾性ダンパ１１０、１１１で、一方では駆動軸１０１、他方では電動機と駆動軸を収容するハウジング１１２で支持されている。駆動軸１０１はラジアル軸受１１３でハウジング１１２内に支持されている。

ハウジング１１２は、駆動装置１００を船腹に固定すべく支持筒体１１４を備える。支持筒体１１４は二重壁型に構成されるか、例えば冷却空気（冷却風）の通流のために垂直に走る冷媒通路１１６を備える。

固定子１０５、特にコイルエンド１１５を冷却すべく、支持ハウジング１０８と支持体１０７の間の空間に、例えば電動機の一端から支持筒体１１４から冷却空気を取り込み、それを電動機の他端から放出する。冷却空気は電動機内で回転子の電気的活性層１０６と支持体１０７の間を軸方向に流れる。固定子や固定子巻線を冷却すべく固定子ハウジング１０８は支持筒体１１４から導入される冷却水が通流する冷媒通路を備える。

図５とその要部を拡大した図６によれば、回転子１２４と固定子１２５からなる電動機は、冷媒の通流に好都合に構成されたハウジング１３２内に配置されている。ハウジング１３２は支持筒体１３９で船腹下にゴンドラ状に吊り下げられる。固定子の支持ハウジング１２８は、アンギュラ転がり軸受として構成されたラジアル軸受１２９を経て回転子１２４の支持体１２７に取付けられ、該支持体はダンパ１３０を経て駆動軸１２１に弾性的に支持される。ダンパ１３０は環状フランジ１１８、１１９で軸方向に固定される。

固定子の支持ハウジング１２８は軸端両側で各々ダンパ１３１を経てハウジング１３２に支持されている。これらダンパは夫々ゴム材１１７からなり、支持体１２８とハウジング１３２にボルト１３５、１３６を経て機械的に結合されている。

回転子を支持する駆動軸１２１は、すべり軸受１３３、１３４でハウジング１３２内に支持されている。すべり軸受は、封止装置１３７、１３８で水に対して封止される。

図７の符号２０１、２０２および２０３は、各々電動機のハウジングを形成する電動機ゴンドラのプロペラ端部、中央部および尾端を示す。プロペラ２０４は、好ましくは牽引プロペラとして形成される。電動機ゴンドラ内には、特に表面から直接熱放出が可能なように構成された固定子巻線２０５と回転子巻線２０６が存在している。これら巻線は、好ましくはＨＴＳＬ材料で構成される。固定子２０５巻線と回転子巻線２０６との間に大きな空隙２０７が存在する。回転子軸のために設けられる軸受、特にすべり軸受は、回転子の放射方向および軸方向の力を受け止めるものであるが、便宜上図示していない。同様に電動機ゴンドラ内に存在する他の部品も省略している。

船舶の下部本体領域を２０８、２０９で示す。領域２０８、２０９内に、従来型の下部本体構造がある。両領域２０８、２０９間に、弾性的に変形するよう構成した構造部２１１、２１２が存在し、両構造部２１１、２１２の中央に、支持筒体２１０の最上端部２１５の延長部を形成する中空体２１０がある。中空体２１０は弾性的に構成した構造部２１１、２１２に対し弾性材、例えば緩衝ゴム２１５を経て弾性的に可動に軸支される。その上端部に、好適には金属からなり、大きな弾性変形変位を許す弾性の構造部２１３が配置される。かくして、電気操舵プロペラの下で魚雷が爆発しても、操舵プロペラはかなりの程度垂直方向に動くことができ、爆発圧力波による加速度を緩和できる。図示の構造の場合、大きな変位量を伴う垂直方向の変位も水平・垂直方向の変位も可能である。

電動機ゴンドラの支持筒体は少なくとも２分割構造とされ、部分２１６、２１７を備える。両部分２１６、２１７間に、接続機能を担う弾性のフランジ結合部２１８が配置される。両部分２１６、２１７からなる支持筒体は、図示の例では２分割構造となっている。しかし、支持筒体はより多くの部分に分割してもよい。支持筒体部分２１６には補助操舵機２１９を取付けることもでき、支持筒体部分２１６は、好ましくは繊維強化型のプラスチック材料から構成される。他方、支持筒体部分２１７は、電動機ゴンドラ内央部２０２と同様に、例えばアルミニウムから構成される。ゴンドラ部２０１は、そこに発生する相当に大きな軸受力を受容可能とすべく鋼鉄から構成するとよい。それに対し終端部２０３は、重量軽減のため繊維強化型のプラスチック材料で構成するのがよい。この部分には特に冷却液体を通流させる冷媒通路が組み込まれる。

図８は、並設された２つの操舵プロペラ、即ち２プロペラ軸駆動船の駆動ユニットを船尾方向から見た図であり、２２２、２２３は夫々両駆動部のプロペラを示す。両駆動部を吊り下げる支持筒体は、その上部に接続部として用いる少なくとも１つのフランジ装置２２４を備えている。電気操舵プロペラの吊り下げは、原理的には図７の場合と同様に、中央部の緩衝ゴムと鋼鉄ばね構造２２０との間で軸および水平方向に可動の中空体２２１で行われる。その場合、弾性的に変位する構造ユニット２２５が可動性を高める。

図７と８に示す構造の、水平および垂直方向に可動で衝撃緩衝型に吊り下げられる操舵プロペラの実施例は、概略的に一例のみを示す。そこでは特別な要求に適合する相応の変形も可能であることを理解されたい。可能な他の２つの解決策を図９と１０に示す。図９は球冠形状をした電気操舵プロペラ支持筒体の上部の吊下げ構造、図１０はカルダン式の実施例における対応する吊下げ構造を示す。

図９は、船尾にあってその船尾の構造部材に接続されたフレーム２２７内に軸支された電気操舵プロペラの支持筒体２２６を示す。フレーム２２７と支持筒体ヘッド２２６の間に、弾性部材２２８、例えば板ばね内に支持された球冠部２２９を示している。フレーム２２７は船腹の構造部品内に弾性的に取付けられている。かくして全方向に同様に変位し得る支持筒体吊下げ構造が得られる。全方向への同様の変位可能性は、図１０の構造でも得られる。図１０では、支持筒体ヘッド２３２は、船尾の構造部材に支持されたフレーム２３０にボルト２３１、２３３を経て接続されている。これによっても弾性支持が得られる。長手および横断方向の案内のため、図９と１０の原理に対応して吊り下げられる操舵プロペラの支持筒体は、支持部材をも備えるが、それは図示していない。

図１１は、２つの支持筒体部間に接続部として設けた弾性継手の原理を示す。両フランジ２３６、２３７はその間に、例えば多層積層型の繊維強化型弾性材料からなる層２３８を備える。フランジ領域はその外部で、弾性ベローズ２３９で保護されている。弾性ベローズ２３９は又、ねじ頭２３４を経て好ましくは締め紐で、図示しない支持筒体に取付けられる。ねじ頭２３４の下に、例えば板ばね２３５を設けることで、軸に衝撃が作用した際ジョイントを短時間だけ「開放する」できる。これは、ベローズ２３９が外部にあるので、支持筒体内に水が浸入しないように行う。またベローズ２３９は外部に配置するのと同様に、内部に配置してもよい。それにより、二重封止構造を達成できる。

図１２は、操舵プロペラ内のＨＴＳＬ電動機格納構造の一例を示す。２４０はＨＴＳＬ巻線、２４１は回転子クライオスタットを示す。２４２は空心巻線、２４３は固定子の鉄心ヨークを示す。２４６で冷却器を有する低温冷却コンプレッサを示している。低温冷却コンプレッサ２４６から液体状の冷却媒体が低温冷却ヘッド２４５に送られる。ここから、所謂「低温冷却ヒートパイプ」２４４が回転子低温クライオスタット２４１に冷却媒体を導く。２４７は固定子巻線２４２のリード線を示す。

図４から１０に示す実施例は多数の可能性のある構造を示し、その中から１つを選択して用いられる。これら構造は、常に支持筒体が爆発に伴う圧力波をかわせる点で共通している。そのため、魚雷又は機雷の爆発に伴う、船舶部で１００Ｇを超える加速度を発生する相当の圧力波を平衡させ、機能的損害を被ることなくその圧力波を消去できる。

ＨＴＳＬを用いた電気操舵プロペラの原理を示す縦断面図である。 減結合手段を備えた電気操舵プロペラの原理を示す縦断面図である。 電動機の弾性冷却媒体導管を示す断面図である。 駆動装置の一実施例を示す縦断面図である。 図４による駆動装置のための一構造例を示す断面図である。 図５の要部の拡大図である。 軍艦用の電気操舵プロペラの全体構成を船体の側面方向から見た図である。 図７に示された操舵プロペラを船尾方向から見た図である。 電気操舵プロペラ用の球冠支持構造の原理を示す図である。 電気操舵プロペラのカルダン式懸架装置の原理を示す図である。 ２つの支持筒体部分間の部分ジョイントの一構成例を示す断面図である。 ＨＴＳＬ電動機として構成された電動機の一構成例を示す図である。

符号の説明

１ 船腹の輪郭、２ 操舵プロペラ支持筒体、３、１０２、１０３、２０４、２２２、２２３ プロペラ、４ 操舵プロペラのハウジング、５、７、１９ 軸受、８、２４６ コンプレッサ、９ 圧力ガス導管、１０ 冷却ヘッド、１１ 低温接続部、１２ 回転子軸、１３、２９、１０５、１２５ 固定子、１４ 超電導巻線、１５、２４１ クライオスタット、１６ トルク伝達カップリング、１７、２５、１１０、１１１、１３０、１３１ ダンパ、１８、２８、１０４、１２４ 回転子、２０ 低温分配器、２１ 可撓性導管、２２、２７、２０７ 空隙、２３ 電動機ハウジング、２４ 回転子円筒、２６ 可撓性接続管、３０ 二重壁構造ハウジング、３１ 真空室、３２ 冷却媒体、３３、３４ 冷却媒体導管部分、３５、３６、２３６、２３７ フランジ、１００ 電動機式駆動装置、１０１、１２１ 駆動軸、１０６ 電気的な活性層、１０７、１２７ 支持体、１０８、１２８ 支持ハウジング、１０９、１１３、１２９ ラジアル軸受、１１２、１３２ ハウジング、１１４、１３９ 支持筒体、１１５ コイルエンド、１１６ 冷媒通路、１１７ ゴム材、１１８、１１９ 環状フランジ、１３３、１３４ すべり軸受、１３５、１３６、２３１、２３３ ボルト、１３７、１３８ 封止装置、２０１ プロペラ端部、２０２ プロペラ中央部、２０３ 尾端、２０５ 固定子巻線、２０６ 回転子巻線、２０８、２０９ 下部本体セクション、２１０、２２１ 中空体、２１１、２１２ 構造部、２１３ 弾性の構造部、２１５ 緩衝ゴム、２１６、２１７ 支持筒体部分、２１８ フランジ結合部、２１９ 補助操舵機、２２０ 鋼鉄ばね構造、２２４ フランジ装置、２２５ 構造ユニット、２２６ 支持筒体ヘッド、２２７、２３０ フレーム、２２８ 弾性部材、２２９ 球冠部、２３２ 支持筒体ヘッド 、２３４ ねじ頭、２３５ 板ばね、２３８ 繊維強化型弾性材料層、２３９ 弾性ベローズ、２４０ 超電導体巻線、２４２ 固定子空心巻線、２４３ 固定子鉄心ヨーク、２４４ 低温冷却ヒートパイプ、２４５ 低温冷却ヘッド、２４７ 固定子巻線リード線

Claims (49)

1. 超電導体、特に高温超電導体を用いた回転子、回転子クライオスタット、回転子軸、前記クライオスタットと冷凍機との間に低温導管を有する低温接続部および超電導技術によらない固定子を備えた、超電導技術、特に高温超電導技術による回転電機において、軍艦用に耐衝撃性に構成され、前記固定子（１３、２９）、回転子（１８、２８）およびクライオスタット（１５）が外周側電機ハウジング（４、２３）と回転子軸（１２）に対し、弾性部材（１７、２５）により変位可能に弾性支持されたことを特徴とする回転電機。
2. 回転子（１８）、固定子（１３）およびクライオスタット（１５）が衝撃加速度の発生時に部品の動きをユニットとして与える接続部材（１７）と軸受（７）の間に備えられ、前記ユニットの動きが振動の振幅を上回ることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
3. 外周側電機ハウジング（４、２３）が電機支持体に弾性的に接続されたことを特徴とする請求項１又は２記載の回転電機。
4. 外周側電機ハウジング（４、２３）が、船腹（１）下の電気操舵プロペラハウジング（４）内に弾性的に配置されたことを特徴とする請求項１又は２記載の回転電機。
5. 船腹の下側にゴンドラ状に配置され、冷媒が通流し得るように構成されたハウジング（１１２）を備え、該ハウジング内に固定子（１０５）および回転子（１０４）からなる電動機が配置され、回転子（１０４）を支持する駆動軸（１０１）に少なくとも１つのプロペラ（１０２、１０３）が取付けられた請求項４記載の船舶用電気駆動装置において、固定子（１０５）がラジアル軸受（１０９）を経て回転子（１０４）に結合され、固定子（１０５）および回転子（１０４）から形成される構造ユニットがハウジング（１１２）にも駆動軸（１０１）にも弾性的に支持されたことを特徴とする駆動装置。
6. 回転子（１０４）は、円筒状支持体（１０７）およびその支持体に支持された活性部（１０６）を備え、該活性部は駆動軸（１０１）に弾性的に支持され、固定子（１０５）は回転子（１０４）の支持体（１０７）に軸支され、かつハウジング（１１２）に弾性的に支持されたことを特徴とする請求項５記載の駆動装置。
7. 回転子（１０４）の支持（１０７）が駆動軸（１０１）に対して、軸方向および放射方向には柔軟に、周方向にはトルク伝達可能に剛性をもって構成されたことを特徴とする請求項５記載の駆動装置。
8. ラジアル軸受（１０９）が転がり軸受として構成されたことを特徴とする請求項５から７の１つに記載の駆動装置。
9. 駆動軸（１０１）を軸支するラジアル軸受（１０９）がすべり軸受として構成されていることを特徴とする請求項５から８の１つに記載の駆動装置。
10. 外周側電機ハウジングが基礎フレームに弾性的に据え付けられたことを特徴とする請求項１から３の１つに記載の回転電機。
11. 操舵プロペラハウジング又は基礎フレームが船体に対し変位可能に弾性的に、例えば弾性クッションおよびばねの少なくとも一方を経て接続されたことを特徴とする請求項４又は１０記載の回転電機。
12. 低温接続部が、固定配置された冷却ヘッドと回転子軸領域内に突出する液体冷媒用の分配器を備えることを特徴とする請求項１から４と１０から１１の１つに記載の回転電機。
13. 液体冷媒用の分配器とクライオスタットとの間に可撓性低温導管、特に同軸二重壁型導管が配置されたことを特徴とする請求項１２記載の回転電機。
14. 固定子が銅巻線を備え、回転子が超電導導管内に空心巻線を備えることを特徴とする請求項１から４と１０から１３の１つに記載の回転電機。
15. 低温接続部の固定部と回転部との間に冷却媒体用の鉄材の液体用パッキンが挿入されていることを特徴とする請求項１から４と１０から１４の１つに記載の回転電機。
16. 回転子軸が、電機の冷却部と常温軸部の間に繊維強化型プラスチック製のトルク伝達部材を備えることを特徴とする請求項１から４と１０から１５の１つに記載の回転電機。
17. 冷凍機としてパルス型円筒冷却器を備え、前記冷却器は、好ましくは弾性支持台上に配置されたことを特徴とする請求項１から４と１０から１６の１つに記載の回転電機。
18. パルス型円筒冷却器がステアリングリニアコンプレッサと組み合わされたことを特徴とする請求項１７記載の回転電機。
19. パルス型円筒冷却器又は他の冷凍機から電機の冷却ヘッドに至る低温接続部が支持筒体内に導かれ、又は金属補強されたホースとして構成されたことを特徴とする請求項１から４および１０から１８の１つに記載の回転電機。
20. 冷却ヘッド回転子低温カップリングが回転子軸に関し鉄材の液体用カップリングにより封止され、冷却ヘッド（１０）が電機ハウジングに固定され、これら両部分間に弾性冷却媒体接続部を備えることを特徴とする請求項１から４および１０から１９の１つに記載の回転電機。
21. 前記分配器が回転子軸領域内に弾性的にばね性をもって支持されたことを特徴とする請求項１２から２０の１つに記載の回転電機。
22. 電機内の弾性支持部が標準の緩衝ゴム、例えば弾性軸カップリングの領域からなることを特徴とする請求項１から４および１０から２１の１つに記載の回転電機。
23. 冷凍機が船舶に設けられた冷却装置に接続されたことを特徴とする請求項１から４および１０から２２の１つに記載の回転電機。
24. 固定子銅巻線が液体冷却型、特に水冷却型に構成されたことを特徴とする請求項１から４および１０から２３の１つに記載の回転電機。
25. 固定子内に、放射方向、軸方向又は周方向に走る、好ましくは水が通流する冷媒通路を備えることを特徴とする請求項２４記載の回転電機。
26. 少なくとも１台の電動機と、エネルギ供給導管を収納する支持筒体に少なくとも１つのプロペラとを備え、前記支持筒体は船尾の下に回転可能な船尾支持筒体接続部によって配設された、例えばフリゲート艦、コルベット艦又は高速モータボート等の、特に請求項１から４および１０から２５の１つに記載の回転電機である電動機を備えた軍艦用電気操舵プロペラにおいて、前記船尾支持筒体接続部、支持筒体および電動機は、船尾、支持筒体および電動機が水中爆発圧力波に対し損傷なしに撓むことができるように構成され、しかもそのため、
    ａ） 支持筒体（２１６、２１７）が自ら弾性変形可能に構成され、
    ｂ） 船尾支持筒体接続部が船尾（２０８、２０９）に対する支持筒体（２１６、２１７
    ）の動きを許容するように構成され、
    ｃ） 電動機（２０５、２０６）が１０Ｇを超える加速度を受け止めるべく構成された
    ことを特徴とするプロペラ。
27. 支持筒体（２１６、２１７）が少なくとも１つの弾性的に構成された可動継手（２１８）を備えることを特徴とする請求項２６記載のプロペラ。
28. 前記継手（２１８）は支持筒体部（２１６、２１７）の垂直方向の動きおよび曲げを互いに許容するように構成されたことを特徴とする請求項２７記載のプロペラ。
29. 前記継手（２１８）がねじ接続部を有するフランジを備え、該フランジは弾性変形可能に構成されたことを特徴とする請求項２６又は２７記載のプロペラ。
30. 前記継手（２１８）は、多層に形成され強化された形の弾性プラスチック材料からなる弾性継手介在層を備えることを特徴とする請求項２７から２９の１つに記載のプロペラ。
31. 前記支持筒体（２１６、２１７）は２つ以上の継手を備え、支持筒体部分は継手相互間に好ましくは異なる材料、例えば鋼鉄、アルミニウム又は繊維強化型プラスチックからなることを特徴とする請求項２６から３０の１つに記載のプロペラ。
32. 前記継手（２１８）は２つの支持筒体部間の少なくとも外部に、弾性材料からなる継手パッキンリング（２３９）を備えることを特徴とする請求項２６から３１の１つに記載のプロペラ。
33. 電動機のハウジングが複数部分に分割された分割型に構成され、ハウジングの各部分がアルミニウムからなることを特徴とする請求項２６から３２の１つに記載のプロペラ。
34. プロペラ、特に自動位置調節型に構成されたプロペラがプラスチックからなることを特徴とする請求項２６から３３の１つに記載のプロペラ。
35. 電動機が弾性を有する回転子支持部および大きな空隙を備えることを特徴とする請求項２６から３４の１つに記載の電気操舵プロペラ。
36. 電動機が軸受としてすべり軸受を備え、固定子と回転子との間の空隙が５から５０ｍｍであることを特徴とする請求項２６から３５の１つに記載のプロペラ。
37. 船尾支持筒体接続部が船尾内に、弾性変形し得る支持筒体を形成し、弾性変形し得る支持構造部を備えることを特徴とする請求項２６から３６の１つに記載のプロペラ。
38. 電動機のエネルギ供給導体が、例えば回転弾性型ケーブルスカートの形又は螺旋状に拡げられた導線を有するケーブルの形をなし、スリップリングなしに構成されたことを特徴とする請求項２６から３７の１つに記載のプロペラ。
39. 支持筒体の状態と無関係に動き得る補助操舵手段を備えることを特徴とする請求項２６から３８の１つに記載のプロペラ。
40. 支持筒体が非対称の外形、特に主翼に対応する外形を持つことを特徴とする請求項２６から３９の１つに記載のプロペラ。
41. 支持筒体が側翼又は前翼の形をした補助操舵手段を備えることを特徴とする請求項２６から４０の１つに記載のプロペラ。
42. 電動機が２分割型であり、両分割部分は互いに独立に運転可能であり、かつ独立のエネルギ供給手段を備えることを特徴とする請求項２６から４１の１つに記載のプロペラ。
43. 電動機の各分割部分は互いに独立に速度調整が可能であり、各プロペラを個別に駆動することを特徴とする請求項４２記載のプロペラ。
44. 両プロペラが逆回転するプロペラとして構成されたことを特徴とする請求項４２又は４３記載のプロペラ。
45. 支持筒体の回動および補助操舵機の動きの少なくとも一方が電気アクチュエータにより調節されることを特徴とする請求項２６から４４の１つに記載のプロペラ。
46. 船尾支持筒体接続部が支持筒体用の半カルダン式吊下げ装置を備えることを特徴とする請求項２６から４５の１つに記載の電気操舵プロペラ。
47. 船尾支持筒体接続部が球冠、特に弾性球冠を経て、支持筒体の支持部を備えることを特徴とする請求項２６から４６の１つに記載のプロペラ。
48. 船尾の支持筒体のため、弾性部材を経て支持されて水平および垂直方向に可動な支持構造部が存在することを特徴とする請求項２６から４７の１つに記載のプロペラ。
49. 電動機が、電動機ハウジング内に収縮処理された巻線と外壁冷却部とを備えて動作すべく構成されたことを特徴とする請求項２６から４８の１つに記載のプロペラ。

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