WO1999036312A2 - Elektrische antriebseinrichtung für schiffe - Google Patents

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WO1999036312A2
WO1999036312A2 PCT/DE1998/003770 DE9803770W WO9936312A2 WO 1999036312 A2 WO1999036312 A2 WO 1999036312A2 DE 9803770 W DE9803770 W DE 9803770W WO 9936312 A2 WO9936312 A2 WO 9936312A2
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drive device
electrical drive
housing
electrical
ships
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Wolfgang Rzadki
Christian Meyer
Ingo SCHÜRING
Peter Hein
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K5/00—Casings; Enclosures; Supports
    • H02K5/02—Casings or enclosures characterised by the material thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/19—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil
    • 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 an electric drive device for ships, consisting of a housing arranged on the underside of the ship's hull in a nacelle-like manner for receiving an electric motor with a rotor and a stator, at least one propeller being arranged on the shaft carrying the rotor.
  • a marine propulsion system of the type described in the introduction is known, for example, from US Pat. No. 2,714,866.
  • a three-phase AC motor with a short-circuit rotor is used as the motor, the rotor being seated on a hollow shaft, which in turn is coupled via a coupling to the drive shaft running inside the hollow shaft.
  • the drive shaft is directly coupled to the propeller.
  • the stator of the motor is surrounded by a tubular housing, which in turn is inserted into a tubular saddle-like housing part of the nacelle-like housing attached to the underside of the hull.
  • the motor, including the rotor bearings is cooled with fresh water, which is pumped from a tank in the hull into the interior of the motor housing and circulated.
  • the invention has for its object to improve the propulsion efficiency in an electric ship drive of the type mentioned.
  • the solution to this problem is characterized in that the electric motor is designed as a synchronous motor, the rotor has permanent magnets to excite the stator and that the housing is designed as an outer wall cooler.
  • the drive housing By designing the drive housing as an outer wall cooler, it is possible for the first time to effect cooling of the electric motor by the water surrounding or flowing around the housing.
  • This outer wall cooling means that cooling channels and the like can be dispensed with inside the housing, as is known from the prior art, so that the radial space requirement of the synchronous motor and thus the outer diameter of the drive housing can be significantly reduced.
  • ship propulsion systems can be constructed in which the ratio of the outside diameter of the aerodynamically designed housing part to the outside diameter of the propeller is less than or at most equal to 0.4.
  • the housing is designed as an outer wall cooler in that the stator of the motor is non-positively connected to the housing.
  • This frictional connection between the stator on the one hand and the housing inner wall on the other hand can be established, for example, by a shrink connection.
  • the stator of the motor is positively connected to the housing for forming the outer wall cooler, for example via profile connections.
  • the housing for example via profile connections.
  • the invention further proposes that additional cooling devices are arranged in the interior of the housing, in particular those that are present in the housing Winding heads are designed to act.
  • additional cooling devices can be arranged in the interior, which is already present due to the motor construction, without any particular additional expense, for example by selecting fans as cooling devices which are arranged on the rotor shaft within the winding heads.
  • each additional cooling device is designed as a ring-shaped cross-sectionally associated ring with each winding head, which is provided with spray holes and the interior of which is connected by means of a pump to an insulating oil sump located below the rotor shaft.
  • the configuration of the additional cooling means is the coolant - be it air or • insulating oil - deprived of heat in the same manner as the stator on the sur- rounding housing wall of the motor so that the drive housing as an outer wall cooler serves also for this additional cooling device.
  • the invention proposes that heat-conducting elements, for example in the form of heat-conducting bridges, made of a good heat-conducting material are arranged in the interior of the housing.
  • This design of heat conducting bridges makes it possible to clearly identify the heat dissipation to the drive housing and thus to the cooling water surrounding the housing. heights, the formation of these thermal bridges being used in particular in the case of the non-positive connection between the stator of the motor and the housing in order to enable a quasi positive connection and thus full-surface heat dissipation.
  • the energy supply takes place via a slip ring arrangement.
  • a slip ring arrangement By using a slip ring arrangement, it is possible to dispense with flexible cavities that limit the angle of rotation and are prone to failure.
  • the slip rings are inexpensive standard components.
  • the slip ring arrangement preferably has one-piece slip rings and multi-part poles which are in contact with the slip rings.
  • the slip ring arrangement has a contact monitoring device which detects the contact state.
  • the rotor is connected to the propeller shaft via a rotor support tube.
  • the flexibility of the electric drive device according to the invention can be increased according to the invention in that the electric drive device designed as an externally cooled electric synchronous motor, in particular for driving rudderless ships, has an intermediate circuit converter, in particular a voltage intermediate circuit converter or direct converter.
  • the electric synchronous motor can be driven by energy supply with different frequencies, since these converters convert the frequencies of the energy supply into the frequency of the Convert synchronous motor.
  • the energy supply takes place via a generator driven by a drive unit and a direct or intermediate circuit, the electrical connection between the converter and the drive motor having a slip ring arrangement or a cable loop.
  • the permanent magnets of the rotor of the synchronous motor are arranged as air gap magnets on U-shaped sheet metal or massive yokes.
  • the permanent magnets are arranged as a flux concentration arrangement.
  • the permanent magnets be arranged enclosed by a laminated core.
  • the housing of the nacelle-type drive device may also be advantageous for the housing of the nacelle-type drive device to be made of light metal, preferably an aluminum alloy.
  • 1 shows a longitudinal section through a drive device according to the invention with air cooling of the winding heads of the stator.
  • 2 shows a longitudinal section through a drive device according to the invention with spray cooling of the winding heads of the stator;
  • 3 shows a longitudinal section through a drive device according to the invention, in which the stator of the motor is non-positively connected to the housing by a shrink connection; 4 shows a detail of a first embodiment for the arrangement of permanent magnets and yoke;
  • Fig. 5 is a partial representation of a second embodiment for the arrangement of permanent magnets and yoke and
  • Fig. 6 is a partial representation of a third embodiment for the arrangement of permanent magnets and yoke.
  • 1 to 3 consist of a streamlined housing 1 in the form of a nacelle with a synchronous motor comprising stator 2 and rotor 3 arranged therein, and a shaft 4 by means of which the drive device at the bottom of a Ship's hull, not shown, is attached in a gondola-like manner.
  • the housing 1 has - as can be seen from FIGS. 1 and 2 - end caps 5 and 6 which support bearings 7 of a drive shaft 8. While in the embodiment according to FIGS. 1 and 2 only one propeller 9 is arranged at one end of the drive shaft 8, in the embodiment according to FIG. 3 8 propellers 9 are arranged at both ends of the drive shaft.
  • the stator 2 of the synchronous motor is non-positively fitted into the hollow cylindrical housing 1.
  • this non-positive connection takes place by shrinking the housing part onto the laminated core of the stator 2, the seat being stepped several times due to the laminated core length.
  • the windings of the stator 2 are shown in Figures 1 to Fig. 3 partially shown with the winding heads 10.
  • the rotor 3 of the synchronous motor is designed in a manner known per se as a rotor 3 provided with permanent magnets 11 and rests on the drive shaft 8 by means of a support structure 12.
  • the synchronous motor is cooled by the non-positive and / or positive connection between the stator 2 and the housing 1 such that the housing 1 is designed as an external wall cooler.
  • the synchronous motor is thus cooled by the water surrounding or flowing around the housing 1 without additional cooling media having to be passed through cooling channels provided in the stator 2 or between the stator 2 and the housing 1, as is known from the prior art.
  • FIG. 1 shows a first embodiment for such an additional cooling device for cooling the winding heads 10 of the stator 2.
  • a fan 13 is arranged on the drive shaft 8 within the winding heads 10, that is to say in the radial direction between the winding heads 10 of each end face of the stator 2.
  • the air located in the interior of the synchronous motor is convectively circulated and flows around the winding heads 10.
  • the heat absorbed by the swirled air is extracted from the air via the housing 1 designed as an outer wall cooler by the water flowing around the housing 1.
  • FIG. 2 shows a second embodiment for forming the additional cooling device.
  • a ring 14 with a tubular cross-section is arranged on the end face of the winding heads 10, which ring points in the direction of the winding heads 10 is provided with spray openings. Insulating oil can be sprayed through these spray openings, which is located as an oil sump 15 below the drive shaft 8 and from there is pumped into the ring 14 by means of a pump arranged outside the housing 1. The heat is also extracted from the insulating oil in the oil sump 15 via the housing 1 designed as an outer wall cooler by the water flowing around the housing 1.
  • the housing 1 can have a relatively small size Have outer diameter D G , so that the ratio between the outer diameter D G of the housing 1 and the outer diameter D P of the propeller 9 reaches a relatively small value of, for example, 0.35, even if the synchronous motor for a drive power of up to 20 MW and more is designed.
  • This configuration of the housing 1 of the electric ship drive as an external wall cooler is independent of whether the nacelle-like housing 1 is rigidly or rotatably arranged on the ship's hull. However, it is particularly advantageous for maneuvering if the gondola-like housing 1 can be rotated about the longitudinal axis of the shaft 4, so that this drive is also suitable for oarless ships. 4, 5 and 6, three embodiments for forming the rotor 3 are shown.
  • the permanent magnets 11 are designed as air gap magnets which are arranged on a U-shaped, sheet metal or solid yoke 16.
  • the permanent magnets 11 arranged on the rotor tube 17 are arranged as a flux concentration arrangement, the permanent magnets 11 being arranged between the yokes 16.
  • the drive and / or its shaft can be made of an aluminum alloy.
  • Aluminum enables a particularly light design with improved heat conduction compared to steel. Ships of this type can therefore also be used at water temperatures higher than 32 ° C, up to which it is possible to use them in the purely external cooler version.

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Abstract

Beschrieben wird eine elektrische Antriebseinrichtung für Schiffe, bestehend aus einem an der Unterseite des Schiffsrumpfes gondelartig angeordneten Gehäuse (1) zur Aufnahme eines Elektromotors mit Läufer (3) und Stator (2), wobei an der den Läufer (3) tragenden Welle (8) wenigstens ein Propeller (9) angeordnet ist. Um den Propulsionswirkungsgrad einer solchen elektrischen Antriebseinrichtung für Schiffe zu verbessern, wird der elektrische Motor als permanentmagneterregter Synchronmotor ausgebildet, wobei der Läufer (3) Permanentmagnete (11) zur Erregung des Stators (2) aufweist und dass das Gehäuse (1) als Aussenwandkühler ausgebildet ist. Im Innenraum des Gehäuses (1) können zusätzliche Kühleinrichtungen (13, 14) angeordnet sein. Gehäuse (1) und Schaft (4) können aus Leichtmetall sein, insbesondere aus einer Aluminiumlegierung.

Description

Beschreibung
Elektrische Antriebseinrichtung für Schiffe
Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebseinrichtung für Schiffe, bestehend aus einem an der Unterseite des Schiffsrumpfes gondelartig angeordneten Gehäuse zur Aufnahme eines Elektromotors mit Läufer und Stator, wobei an der den Läufer tragenden Welle wenigstens ein Propeller angeordnet ist .
Ein Schiffsantrieb der Eingangs beschriebenen Art ist bei- spielsweise aus der US-PS 2,714,866 bekannt. Bei diesem aus dem Stand der Technik bekannten Schiffsantrieb wird als Motor ein dreiphasiger Wechselstrommotor mit einem Kurzschlußläufer verwendet, wobei der Läufer auf einer Hohlwelle aufsitzt, die ihrerseits über eine Kupplung mit der innerhalb der Hohlwelle verlaufenden Antriebswelle gekoppelt ist. Die Antriebswelle ist dabei direkt mit dem Propeller gekoppelt. Bei diesem Schiffsantrieb ist der Stator des Motors von einem rohrförmi- gen Gehäuse umgeben, daß seinerseits in ein rohrsattelartiges Gehäuseteil des an der Unterseite des Schiffsrumpfes befe- stigten, gondelartigen Gehäuses eingefügt ist. Die Kühlung des Motors einschließlich der Lager des Läufers erfolgt mit Frischwasser, das aus einem im Schiffsrumpf angeordneten Tank in das Innere des Motorgehäuses gepumpt und im Kreislauf geführt wird.
Bei einem anderen, aus der US-PS 5,403,216 bekannten Schiffsantrieb dieser Art, der für Antriebsleistungen von 10 MW ausgelegt werden kann, stützt sich der dynamoelektrische Motor mit seinem Stator über radial angeordnete Stegbleche in dem umgebenden Gehäuse ab. Die hierzu verwendeten Stegbleche die- nen zugleich zur Ausbildung von Kühlkanälen für ein aus dem Schiffsrumpf herausgeführtes gasförmiges Kühlmittel. Wie weiterhin aus der EP 0 590 867 AI bekannt, wird als Motor üblicherweise ein Synchronmotor mit elektrisch erregtem Kurzschlußläufer verwendet, wobei der Läufer durch Anordnung auf der hohl ausgebildeten, von Wasser durchströmten Antriebswel- le zusätzlich gekühlt werden kann. Bei einer derartigen Antriebseinrichtung ist man im übrigen bemüht, das Verhältnis zwischen dem maximalen Durchmesser des Antriebsgehäuses und dem Propellerdurchmesser kleiner als 0,65 zu wählen, vorzugsweise in den Bereich von 0,4 bis 0,5 zu legen. Hierbei ist zu berücksichtigen, daß der Propellerdurchmesser nicht beliebig groß gewählt werden kann. Das genannte Verhältnis der Außendurchmesser von Antriebsgehäuse und Propeller beeinflußt den Propulsionswirkungsgrad, wobei dieser um so größer ausfällt, je kleiner das genannte Durchmesserverhältnis ist.
Zur Kühlung eines unter Wasser betriebenen Elektromotors ist es im übrigen aus der US-PS 2,862,122 bekannt, das als Kühlmittel verwendete Isolieröl so im Kreislauf zu pumpen, daß es in Kühlkanälen, die axial im Bereich der Gehäusewandung verlaufen, Wärme an das umgebende Wasser abgibt.
Weiterhin ist es aus der DE-Publikation „Siemens-Z . " , 1975, Heft 49, Seiten 368 bis 374, bekannt, für den Propellerantrieb von U-Booten permanenterregte Läufer anstelle von Kurzschlußläufern oder von über Schleifringe fremderregten Läufern bei Synchronmotoren zu verwenden. Bei diesen bekannten Einsatzzwecken sind die axial sehr kurz ausgebildeten Motoren innerhalb des Schiffsrumpfes angeordnet, wobei die aus jeweils mehreren Permanentmagneten aufgebauten Polschuhe des Läufers mit dem Polschaft verklebt sind. Das Ständerblechpaket dieses Motors ist von zwei Kühlringen umgeben, die von Frischwasser durchströmt werden, welches in Wärmetauschern durch Seewasser rückgekühlt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem elektrischen Schiffsantrieb der Eingangs genannten Art den Propulsionswirkungsgrad zu verbessern. Die Lösung dieser Aufgabenstellung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Motor als Synchronmotor ausgebildet ist, wobei der Läufer Permanentmagnete zur Erregung des Stators aufweist und daß das Gehäuse als Außen- wandkühler ausgebildet ist.
Durch die Ausbildung des Antriebsgehäuses als Außenwandkühler ist es erstmalig möglich, die Kühlung des Elektromotors durch das das Gehäuse umgebende bzw. umströmende Wasser zu bewirken. Durch diese Außenwandkühlung kann auf die Ausbildung von Kühlkanälen und dergleichen im Inneren des Gehäuses, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist, verzichtet werden, so daß der radiale Raumbedarf des Synchronmotors und somit der Außendurchmesser des Antriebsgehäuses deutlich verringert werden kann. Dies führt zu einem günstigeren Verhältnis zwi- sehen dem Außendurchmesser der Antriebseinrichtung und dem Außendurchmesser des Propellers, so daß die Antriebseinrichtung einen wesentlich besseren Propulsionswirkungsgrad aufweist. Insbesondere lassen sich bei Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahmen Schiffsantriebe konstruieren, bei denen das Verhältnis von Außendurchmesser des strömungsgünstig gestalteten Gehäuseteils zum Außendurchmesser des Propellers kleiner oder höchstens gleich 0,4 ist. Die Ausbildung des Gehäuses als Außenwandkühler erfolgt gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung dadurch, daß der Stator des Motors mit dem Gehäuse kraftschlüssig verbunden ist. Diese kraftschlüssige Verbindung zwischen Stator einerseits und Gehäuseinnenwand andererseits kann beispielsweise durch eine Schrumpfverbindung hergestellt werden.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist der Stator des Motors mit dem Gehäuse zur Ausbildung des Außenwandkühlers formschlüssig, beispielsweise über Profilverbindungen, verbunden. In beiden Fällen, nämlich im Falle der kraftschlüssigen sowie der formschlüssigen Verbindung zwischen Stator einerseits und Gehäuseinnenwand andererseits, wird ein direkter und guter Wärmeübergang zwischen Motor und dem sich auf der Außenseite des Antriebsgehäuses befindlichen Kühlmediums Wassers bewirkt.
Um auch im Betrieb im oberen Leistungsbereich von mehr als 5 MW eine ausreichende Kühlung des Elektromotors und insbe- sondere der Wickelköpfe zu gewährleisten, wird mit der Erfindung weiterhin vorgeschlagen, daß im Inneren des Gehäuses zusätzliche Kühleinrichtungen angeordnet sind, die insbesondere auf die im Gehäuse vorhandenen Wickelköpfe wirkend ausgebildet sind. In diesem Fall ist es zweckmäßig, jedem Wickelkopf des Stators eine solche zusätzliche Kühleinrichtung zuzuordnen. Diese zusätzlichen Kühleinrichtungen lassen sich in dem durch die Motorkonstruktion ohnehin vorhandenen Innenraum ohne besonderen zusätzlichen Aufwand anordnen, indem beispielsweise als Kühleinrichtungen Lüfter gewählt werden, die inner- halb der Wickelköpfe auf der Läuferwelle angeordnet sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist jede zusätzliche Kühleinrichtung als jedem Wickelkopf stirnseitig zugeordneter, im Querschnitt rohrförmiger Ring ausgebildet, der mit Sprühlöchern versehen ist und dessen Innenraum mit- tels einer Pumpe an einen unterhalb der Läuferwelle befindlichen Isolieröl-Sumpf angeschlossen ist.
Bei beiden Ausführungsformen zur Ausgestaltung der zusätzlichen Kühleinrichtungen wird dem Kühlmittel - sei es Luft oder • Isolieröl - in gleicher Weise wie dem Stator über die umge- bende Gehäusewand des Motors die Wärme entzogen, so daß auch für diese zusätzliche Kühleinrichtung das Antriebsgehäuse als Außenwandkühler dient .
Weiterhin wird mit der Erfindung vorgeschlagen, daß im Inneren des Gehäuses Wärmeleitelemente, zum Beispiel in der Form von Wärmeleitbrücken, aus einem gut wärmeleitenden Material angeordnet sind. Durch diese Ausbildung von Wärmeleitbrücken ist es möglich, die Wärmeableitung an das Antriebsgehäuse und somit an das das Gehäuse umgebende Kühlwasser deutlich zu er- höhen, wobei die Ausbildung dieser Wärmebrücken insbesondere bei der nur kraftschlüssigen Verbindung zwischen Stator des Motors und Gehäuse anzuwenden ist, um eine quasi formschlüssige Verbindung und somit vollflächige Wärmeableitung zu er- möglichen.
Zur Versorgung des elektrischen Motors mit elektrischer Energie wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Energieversorgung über eine Schleifringanordnung erfolgt. Durch die Verwendung einer Schleifringanordnung kann auf biegsame Ka- bei, die den Drehwinkel begrenzen und störanfällig sind, verzichtet werden. Dabei handelt es sich bei den Schleifringen um kostengünstige Standardbauteile. Gemäß einer praktischen Ausführungsform der Erfindung weist die Schleifringanordnung vorzugsweise einstückige Schleifringe und mehrteilige Pole auf, die in Kontakt mit den Schleifringen stehen.
Um sicherzustellen, daß die Energieversorgung des elektrischen Motors störungsfrei erfolgt, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Schleifringanordnung eine Kontaktüberwachungsvorrichtung aufweist, die den Kontaktzustand fest- stellt.
Gemäß einer praktischen Ausführungsform der Erfindung ist der Läufer über ein Läuferstützrohr mit der Propellerwelle verbunden .
Die Flexibilität der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebs- einrichtung kann erfindungsgemäß dadurch erhöht werden, daß die als außengekühlter elektrischer Synchronmotor ausgebildete elektrische Antriebseinrichtung, insbesondere zum Antrieb von ruderblattlosen Schiffen, einen Zwischenkreisumrichter , insbesondere einen Spannungszwischenkreisumrichter oder Di- rektumrichter aufweist. Durch diese Umrichter kann der elektrische Synchronmotor durch Energieversorgung mit unterschiedlichen Frequenzen angetrieben werden, da diese Umrichter die Frequenzen der Energieversorgung in die Frequenz des Synchronmotors umwandeln. Gemäß einer praktischen Ausfüh- rungsform der Erfindung erfolgt die Energieversorgung über einen von einem Antriebsaggregat angetriebenen Generator und einen Direkt- oder Zwischenkreisu richter, wobei die elektri- sehe Verbindung zwischen dem Umrichter und dem Antriebsmotor eine Schleifringanordnung oder eine Kabelschleife aufweist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Permanentmagnete des Läufers des Synchronmotors als Luftspaltmagnete auf U-förmigen geblechten oder massigen Jochen angeordnet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Permanentmagnete als Flußkonzentrationsanordnung angeordnet.
Zur Vermeidung von Streufeldern sowie zum Schutz der Permanentmagneten wird weiterhin vorgeschlagen, daß die Permanent- magnete von einem Blechpaket umschlossen angeordnet sind.
Aus elektrischen, elektrostatischen sowie aus Gewichtsgründen kann es weiterhin vorteilhaft sein, daß das Gehäuse der gondelartigen Antriebseinrichtung aus Leichtmetall, vorzugsweise einer Aluminiumlegierung besteht.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der verschiedene Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinrichtung für Schiffe beispielhaft schematisch dargestellt sind. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Antriebseinrichtung mit Luftkühlung der Wickelköpfe des Stators; Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Antriebseinrichtung mit Sprühkühlung der Wickelköpfe des Stators; Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Antriebseinrichtung, bei der der Stator des Motors mit dem Gehäuse kraftschlüssig durch eine Schrumpfverbindung verbunden ist; Fig. 4 eine ausschnittweise Darstellung einer ersten Ausfüh- rungsform zur Anordnung von Permanentmagneten und Joch;
Fig. 5 eine ausschnittweise Darstellung einer zweiten Ausführungsform zur Anordnung von Permanentmagneten und Joch und
Fig. 6 eine ausschnittweise Darstellung einer dritten Ausführungsform zur Anordnung von Permanentmagneten und Joch.
Die Antriebseinrichtungen gemäß den Abbildungen Fig. 1 bis Fig. 3 bestehen aus einem strömungsgünstig gestalteten, die Form einer Gondel aufweisenden Gehäuse 1 mit einem darin angeordneten, aus Stator 2 und Läufer 3 bestehenden Synchronmotor sowie einem Schaft 4, über den die Antriebseinrichtung am Boden eines nicht dargestellten Schiffsrumpfes gondelartig befestigt ist.
Das Gehäuse 1 weist - wie aus Fig. 1 und Fig. 2 ersichtlich - Endkappen 5 und 6 auf, die Lager 7 einer Antriebswelle 8 tragen. Während bei der Ausführungsform gemäß den Abbildungen Fig. 1 und 2 nur an einem Ende der Antriebswelle 8 ein Propeller 9 angeordnet ist, sind bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 an beiden Enden der Antriebswelle 8 Propeller 9 angeordnet .
Wie insbesondere aus Fig. 3 ersichtlich, ist der Stator 2 des Synchronmotors kraftschlüssig in das hohlzylindrische Gehäuse 1 eingepaßt. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt diese kraftschlüssige Verbindung durch Aufschrumpfen des Gehäuseteils auf das Blechpaket des Stators 2, wobei aufgrund der Blechpaketlänge der Sitz mehrfach abgestuft ist. Die Wicklungen des Stators 2 sind in den Abbildungen Fig. 1 bis Fig. 3 teilweise anhand der Wickelköpfe 10 dargestellt. Der Läufer 3 des Synchronmotors ist in an sich bekannter Weise als mit Permanentmagneten 11 versehener Läufer 3 ausgebildet und ruht mittels einer Tragkonstruktion 12 auf der Antriebs- welle 8.
Die Kühlung des Synchronmotors erfolgt durch die kraftschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung zwischen Stator 2 und Gehäuse 1 derart, daß das Gehäuse 1 als Außenwandkühler ausgebildet ist. Die Kühlung des Synchronmotors erfolgt somit durch das das Gehäuse 1 umgebende bzw. umströmende Wasser, ohne daß zusätzliche Kühlmedien durch im Stator 2 oder zwischen Stator 2 und Gehäuse 1 vorgesehene Kühlkanäle geleitet werden müssen, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist .
Beim Betrieb des Synchronmotors im oberen Leistungsbereich kann es notwendig sein, die Wickelköpfe 10 des Stators 2 einer zusätzlichen Kühlung zu unterziehen. In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform für eine solche zusätzliche Kühleinrichtung zur Kühlung der Wickelköpfe 10 des Stators 2 darge- stellt. Bei dieser ersten Ausführungsform ist innerhalb der Wickelköpfe 10, das heißt in radialer Richtung zwischen den Wickelköpfen 10 einer jeden Stirnseite des Stators 2, auf der Antriebswelle 8 jeweils ein Lüfter 13 angeordnet. Mit Hilfe dieser Lüfter 13 wird die im Innenraum des Synchronmotors be- findliche Luft konvektiv umgewälzt und umströmt dabei die Wickelköpfe 10. Die von der verwirbelten Luft aufgenommene Wärme wird der Luft über das als Außenwandkühler ausgebildete Gehäuse 1 durch das das Gehäuse 1 umströmende Wasser entzogen.
In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform zur Ausbildung der zusätzlichen Kühleinrichtung dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist zur Kühlung der Wickelköpfe 10 des Stators 2 stirnseitig zu den Wickelköpfen 10 jeweils ein im Querschnitt rohrförmiger Ring 14 angeordnet, der in Richtung auf die Wickelköpfe 10 mit Sprühöffnungen versehen ist. Über diese Sprühöffnungen kann Isolieröl versprüht werden, das sich als Öl-Sumpf 15 unterhalb der Antriebswelle 8 befindet und von dort jeweils mittels einer außerhalb des Gehäuses 1 ange- ordneten Pumpe in den Ring 14 gepumpt wird. Dem in dem Öl- Sumpf 15 befindlichen Isolieröl wird die Wärme ebenfalls über das als Außenwandkühler ausgebildete Gehäuse 1 durch das das Gehäuse 1 umströmende Wasser entzogen. Selbstverständlich ist es auch möglich, beide Kühleinrichtungen zur Kühlung der Wik- kelköpfe 10 des Stators 2 zu kombinieren, so daß die Kühlung der Wickelköpfe 10 sowohl über die Lüfter 13 als auch über den Ring 14 versprühtes Isolieröl erfolgt. Bei der Ausbildung des Öl-Sumpfes 15 im Gehäuse 1 ist darauf zu achten, daß der Isolierölpegel nicht so weit ansteigt, daß Isolieröl in den Luftspalt zwischen Stator 2 und Läufer 3 des Synchronmotors gelangt, da hierdurch der Wirkungsgrad des Motors erheblich beeinträchtigt würde .
Dadurch, daß der Synchronmotor mit seinem Stator 2 formschlüssig und/oder kraftschlüssig in das strömungsgünstig ge- staltete Gehäuse 1 eingefügt ist und der mit den Permanentmagneten 11 versehene Läufer 3 in radialer Richtung weniger Platz beansprucht als ein Kurzschlußläufer, kann das Gehäuse 1 einen relativ kleinen Außendurchmesser DG aufweisen, so daß das Verhältnis zwischen dem Außendurchmesser DG des Gehäuses 1 und dem Außendurchmesser DP des Propellers 9 einen relativ kleinen Wert von beispielsweise 0,35 erreicht, selbst dann, wenn der Synchronmotor für eine Antriebsleistung von bis zu 20 MW und mehr ausgelegt ist.
Diese Ausgestaltung des Gehäuses 1 des elektrischen Schiffs- antriebs als Außenwandkühler ist unabhängig davon, ob das gondelartige Gehäuse 1 am Schiffsrumpf starr oder drehbar angeordnet ist. Besonders vorteilhaft zum Manövrieren ist es jedoch, wenn das gondelartige Gehäuse 1 um die Längsachse des Schaftes 4 drehbar ist, so daß dieser Antrieb auch für ruder- lose Schiffe geeignet ist. In den Abbildungen Fig. 4, 5 und 6 sind drei Ausführungsformen zur Ausbildung des Läufers 3 dargestellt.
Gemäß Fig. 6 sind die Permanentmagnete 11 als Luftspaltmagnete ausgebildet, die auf einem U-förmigen, geblechten oder massiven Joch 16 angeordnet sind.
Gemäß Fig. 4 sind die auf dem Rotorrohr 17 angeordneten Permanentmagnete 11 als Flußkonzentrationsanordnung angeordnet, wobei die Permanentmagnete 11 zwischen den Jochen 16 angeordnet sind.
Die Ausbildung gemäß Fig. 5 zeigt schließlich eine Anordnung, bei der die Permanentmagnete 11 von dem Blechpaket des Joches 16 umschlossen sind, wodurch Streuungen des Magnetfeldes deutlich verringert werden.
Insgesamt ist somit festzustellen, daß aufgrund der Ausbil- düng des Gehäuses 1 des elektrischen Schiffsantriebs als Außenwandkühler die Baugröße dieser Antriebseinrichtung deutlich verringert werden kann, was zu einer Erhöhung des Propulsionswirkungsgrades führt.
Für Marine- oder andere Spezialschiffe kann der Antrieb und/oder sein Schaft aus einer Aluminiumlegierung bestehen. Aluminium erlaubt eine besonders leichte Ausführung bei gegenüber Stahl verbesserter Wärmeleitung. Derartige Schiffe können daher auch bei höheren Wassertemperaturen als die 32 °C, bis zu den rechnerisch der Einsatz in der reinen Au- ßenkühlerausführung möglich ist, eingesetzt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Antriebseinrichtung für Schiffe, bestehend aus einem an der Unterseite des Schiffsrumpfes gondelartig angeordneten Gehäuse (1) zur Aufnahme eines Elektromotors mit Läufer (3) und Stator (2), wobei an der den Läufer (3) tragenden Welle (8) wenigstens ein Propeller (9) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Motor als Synchronmotor ausgebildet ist, wobei der Läufer (3) Per- manentmagnete (11) zur Erregung des Stators (2) aufweist und daß das Gehäuse (1) als Außenwandkühler ausgebildet ist.
2. Elektrische Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (2 ) des Motors mit dem Gehäuse (1) kraftschlüssig verbunden ist.
3. Elektrische Antriebseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (2 ) des Motors mit dem Gehäuse (1) formschlüssig verbunden ist.
4. Elektrische Antriebseinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Innenraum des Gehäuses (1) zusätzliche Kühleinrichtungen angeordnet sind.
5. Elektrische Antriebseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Kühleinrichtung als auf im Gehäuse (1) vorhandene Wickelköpfe (10) wirkend ausgebildet sind.
6. Elektrische Antriebseinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Kühleinrichtung aus einem innerhalb des jeweiligen Wickelkopfes (10) auf der Läuferwelle (8) angeordneten Lüfter (13) besteht.
7. Elektrische Antriebseinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Wickelkopf (10) stirnseitig ein im Querschnitt rohrförmiger Ring (14) zugeordnet ist, der mit Sprühlöchern versehen ist und dessen Innenraum mittels einer Pumpe an einen unterhalb der Läuferwelle (8) befindlichen Isolieröl- Sumpf (15) angeschlossen ist.
8. Elektrische Antriebseinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des Gehäuses Wärmeleitelemente, zum Beispiel in Form von Wärmebrücken, aus gut wärmeleitendem Material angeordnet sind.
9. Elektrische Antriebseinrichtung für Schiffe, bestehend aus einem an der Unterseite des Schiffsrumpfes gondelartig angeordneten Gehäuse (1) zur Aufnahme eines Elektromotors, vorzugsweise eines permanenterregten Synchronmotors, insbesondere nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Motor über eine Schleifringanordnung mit elektrischer Energie versorgt wird.
10. Elektrische Antriebseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleifringanordnung vorzugsweise einstückige Schleifringe und mehrteilige Pole, die in Kontakt mit den Schleifringen stehen, aufweist.
11. Elektrische Antriebseinrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleifringanordnung eine Kontaktüberwachungsvorrichtung aufweist.
12. Elektrische Antriebseinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleifringanordnung schwingungsgedämpft gelagert ist .
13. Elektrische Antriebseinrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer ( 3 ) über ein Läuferstützrohr (12) mit der Propellerwelle (8) verbunden ist.
14. Elektrische Antriebseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der als außengekühlter elektrischer Synchronmotor ausgebildete Elektromotor mit einer Energieversorgung durch einen Umrichter, insbesondere zum Antrieb von ruderblattlosen Schiffen, ausgebildet ist.
15. Elektrische Antriebseinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß diese eine elektrische Leistungsaufnahme zwischen 0,5 und 30 Megawatt oder mehr aufweist und zum Antrieb von seegängigen Schiffen aller Art, zum Beispiel von Marineschif- fen, Containerschiffen, Fahrgastschiffen, Eisbrechern, Versorgern, Tankern, Fähren, Offshoreeinheiten etc., ausgebildet ist .
16. Elektrische Antriebseinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese eine elektrische Leistungsaufnahme von mehr als 5 MW, insbesondere von mehr als 12 MW, aufweist.
17. Elektrische Antriebseinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, daß diese als außengekühlter elektrischer Synchronmotor mit einer Energieversorgung durch einen Zwischenkreis- umrichter, insbesondere einem Spannungszwischenkreisumrich- ter, insbesondere zum Antrieb von ruderblattlosen Schiffen, ausgebildet ist.
18. Elektrische Antriebseinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese als außengekülter elektrischer Synchron- motor mit einer Energieversorgung durch einen Direktumrichter, insbesondere zum Antrieb von ruderblattlosen Schiffen, ausgebildet ist.
19. Elektrische Antriebseinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Energieversorgung über einen von einem Antriebsaggregat angetriebenen Generator und einen Direktoder Zwischenkreisumrichter erfolgt, wobei die elektrische Verbindung zwischen dem Umrichter und dem Antriebsmotor eine Schleifringanordnung oder eine Kabelschleife aufweist.
20. Elektrische Antriebseinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (11) als Luftspaltmagnete ausgebildet auf U-förmigen, geblechten oder massiven Jochen (16) an- geordnet sind.
21. Elektrische Antriebseinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (11) als Flußkonzentrationsanordnung angeordnet sind.
22. Elektrische Antriebseinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (11) von einem Blechpaket umschlossen angeordnet sind.
23. Elektrische Antriebseinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) aus Leichtmetall, vorzugsweise einer Aluminiumlegierung, besteht.
24. Elektrische Antriebseinrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (4 ) aus Leichtmetall, vorzugsweise einer Alumminiumlegierung, besteht.
25. Elektrische Antriebseinrichtung nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet , daß sie als Antreib für ein Marineschiff verwendet wird.
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