WO2011147878A2 - U-boot-propulsionsantriebssystem - Google Patents

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WO2011147878A2
WO2011147878A2 PCT/EP2011/058572 EP2011058572W WO2011147878A2 WO 2011147878 A2 WO2011147878 A2 WO 2011147878A2 EP 2011058572 W EP2011058572 W EP 2011058572W WO 2011147878 A2 WO2011147878 A2 WO 2011147878A2
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regulating
inverter
propulsion
winding
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Jürgen Eckert
Walter Marx
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P25/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/16—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the circuit arrangement or by the kind of wiring
    • H02P25/22—Multiple windings; Windings for more than three phases
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/28—Layout of windings or of connections between windings
    • 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
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    • B63H23/22—Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements with non-mechanical gearing
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    • H02K2213/00—Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
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    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P2207/00—Indexing scheme relating to controlling arrangements characterised by the type of motor
    • H02P2207/05—Synchronous machines, e.g. with permanent magnets or DC excitation

Definitions

  • Submarine propulsion propulsion system relates to a submarine propulsion propulsion system according to the preamble of claim 1; such a submarine propulsion propulsion system is known for example from WO 2004/068694 AI.
  • a process described in WO 2004/068694 AI submarine Propul- sion drive system includes a configured as a synchronous machine electrical machine with a permanent magnetic ⁇ table excited rotor and a stator in which a stator winding is disposed, the lung strands, a plurality of Wick- , For example, 24 winding strands having.
  • a separa ⁇ ter single-phase inverter for feeding the winding strand is present with electric currents.
  • the converters for feeding the phase windings are here in the form of converter modules inside 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 and rotatably mounted on the shaft.
  • An electrical machine similar Kon ⁇ Structure for a submarine Propulsionsantriebssystem is also known from WO 2004/112220 Al.
  • 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 ⁇ example by the applicant under the product name "SINAVY Permasyn" distributed.
  • each the inverter each have a separate control and / or regulating unit, which together control the thereof
  • An inventive submarine Propulsionsantriebssystem has a first joint for the drive control and / or Re ⁇ gelungs founded for controlling and / or regulating the electric current which the inverter power the winding strands.
  • This first common control and / or Rege ⁇ averaging means is arranged outside the electrical machine ne.
  • the hitherto many individual control and / or regulating units of the various converters are thus summarized to a single common control and / or regulating device, which, however, is not located inside the electrical machine, but outside the electric machine.
  • the control and / or regulating device is thereby easily accessible to the crew or maintenance personnel of the submarine. and for their replacement or repair, no end shield needs to be removed.
  • the submarine propulsion propulsion system still has a second control and / or regulating device common to the converters for controlling and / or regulating the electric current with which the converters feed the winding phases.
  • the second control and / or regulating device is also arranged outside the electric machine. In an off ⁇ case of the first common control and / or regulating device common to the second control and / or regulating device may then switched, and thus a noise opti ⁇ -optimized operation of the machine to be maintained.
  • a high level of operational reliability can be achieved by connecting the common control and / or regulating device (s) for transmitting control and / or regulating signals to the inverters via optical fibers to the inverters.
  • the signals for controlling and / or regulating the inverter of the (the) control and / or regulating device (s) must be transmitted over a relatively long distance to the inverter. In this relatively long way, it may come to electromagnetic interference of the signals generated by the relatively large electrical currents, as they flow in the inverters and the winding strands of Propulsion of a submarine boat.
  • the common control and / or regulating device is (are) coupled to at least one higher-level device for controlling and / or regulating the rotational speed and for monitoring the electrical machine.
  • This higher-level device can in turn be in communication with a superordinate drive control system of the submarine.
  • the parent device can (play, in ⁇ based on operating information from the control and / or control devices) to decide which controls the two control and / or regulating devices at any given time, the converters and / or regulates.
  • the ers ⁇ te and the second common control and / or regulating device may then be in communication connection with each other also through the parent device for Steue- tion and / or speed control and for monitoring.
  • these control and / or regulating devices can decide via a mutual life-death query which of the two control and / or regulating devices controls and / or regulates the converters at a particular time .
  • the mutual life-death query can be done, for example, by an exchange of life-character telegrams.
  • These vital signs Tele ⁇ programs are preferably transmitted over a direct communication link between the two control and / or regulating devices.
  • the control and / or regulating device that is inactive at a particular time does not receive a life-sign telegram from the active control and / or regulating device, it can send a message via the communication connection to the active control and / or regulating device that it the control and / or re- gelung the inverter takes over and down is immediately active STEU ⁇ ER and / or regulating device.
  • the common control and / or control means is (are)
  • Control device advantageously coupled with signal transmitters for detecting the rotation angle of the rotor.
  • the common control device (s) is preferably mounted directly or indirectly (e.g., via other components) on an outside of the motor housing.
  • the signal paths between the common control and / or regulating device (s) and the converters can thereby be kept short. Besides, there are no special ones
  • FIG 1 shows a partial section of a basic embodiment of a submarine with a Propulsionsantriebssystems per ⁇ manentmagnetisch magnet synchronous machine and within the machine housing arranged inverters
  • FIG 2 is a schematic illustration of an arrangement of winding phases and converters of the machine of FIG 1,
  • FIG. 4 shows a submarine propulsion propulsion system with two common control and / or regulating devices for the inverters and
  • FIG 5 shows an attachment of the control and / or regulating devices to a housing of the synchronous machine.
  • the FIG 1 shows in a basic form in partial section a submarine propulsion drive system 1 with a synchronous machine 2 with a permanent magnet excited rotor 3 and a stator 4 with a stator winding 5.
  • the stator winding 5 has, as in particular from the basic Dar ⁇ position 2 shows a plurality of winding strands 6, of which winding strands 6 are provided in the case of the stator winding 5, shown in principle in FIG.
  • the synchronous machine 2 comprises a machine housing 10, which encloses an interior space 19, in which the rotor 3 and the stator 4 are arranged.
  • the machine housing 10 is 9 gebil ⁇ det in the axial direction, ie in the direction of the axis of rotation of the rotor 3, as well in the direction of the machine shaft by an A-side bearing plate 11 and a B-side end shield 12th
  • a sepa ⁇ rater single-phase pulse converter 7 is in each case for supplying the respective winding strand 6 with electric current available.
  • the on-circuit of each winding phase 6 at a him al ⁇ lein associated inverter 7 is effected by means of connecting lines 8.
  • Each phase winding 6 of the stator winding formed as a wave winding 5 of the synchronous machine 2 is in each case fed by the one provided only for this phase winding 6 Inverter 7 ,
  • the converters 7, which feed the stator winding 5, are arranged in the interior of the permanent-magnetically excited synchronous machine 2 between the A-side end shield 11 and the B-end end shield 12 in an inverter holder ⁇ frame 13 and are located in converter modules 14.
  • the converter modules 14 protrude into a gap 20, which is formed between the shaft 9 of the synchronous machine 2 and a non-rotatably mounted bell-shaped and the rotor 3 bearing rotor hub 21.
  • a bell-shaped rotor hub 21 may also be a T-shaped rotor hub are used by the on both sides the rotor shaft 9 is formed in each case a gap 20, protrude into the converter modules 14.
  • two inverters 7 each configured as inverters, namely inverters WR101 and WR102, inverters WR103 and WR104, inverters WR105 and WR106, inverters WR107 and WR108, inverters WR109 and WR110, are the inverters WR111 and WR112, inverters WR201 and WR202, inverters WR203 and WR204, inverters WR205 and WR206, inverters WR207 and WR208, inverters WR209 and WR210 and inverters WR211 and WR121 combined into one inverter module 14.
  • converter modules 14 are connected to a subnetwork 17 or 18 of a DC on-board network of the submarine via a connection line 15 or 16 provided for them.
  • converters 7 instead of two converters 7 per converter module 14, more than two converters 7 can also be combined to form a converter module.
  • a known from the prior art submarine propulsion propulsion system 1 has for controlling and / or regulating the electrical current with which the inverter 7 feed the winding strands 6, for each of the inverter 7 in each case a hinted in FIG 1 separate control and / or regulating unit 22, which is arranged together with the controlled and / or regulated converter 7 in the inverter module 14 in the interior of the synchronous machine 2. All control and / or regulating units 22 are coupled to a superordinate device (not shown in more detail) for controlling and / or regulating the rotational speed and for monitoring the synchronous machine 2, and receive from this a desired value for the current in the winding strands 6.
  • a submarine propulsion propulsion system 1 has, as shown in FIG. 3, control of the electrical current with which the inverters 7 drive the winding strands. ge 6 feed, a common for all inverter 7 control ⁇ and / or control device 30 on.
  • this is not located inside but outside the interior space 19 enclosed by the machine housing 10 and is thus easily accessible to the personnel of the submarine in the event of replacement or repair.
  • the converter 7 and the control and / or regulating device 30 thus form a coordinated system 37 distributed on and inside the synchronous machine 2.
  • the control and / or regulating device 30 is coupled via a communication link 31 (eg a Profibus) to a superordinate device 32 for controlling and / or regulating the rotational speed and for monitoring the synchronous machine 2 and receives a nominal value for the current therethrough the winding strands 6.
  • a communication link 31 eg a Profibus
  • a superordinate device 32 for controlling and / or regulating the rotational speed and for monitoring the synchronous machine 2 and receives a nominal value for the current therethrough the winding strands 6.
  • it is coupled via a Lei ⁇ tion connection 33 with a signal transmitter system 34 for detecting actual values of the rotational angle of the rotor 9 of the synchronous machine 2.
  • the control and / or regulating device 30 for transmitting control and / or regulating signals to the inverter 7 and for receiving actual values for current and voltage through the winding strands 6 via one or more optical fibers 35 connected to each of the inverter 7.
  • the control and / or regulating device 30 generates depending on the setpoint value for the winding currents, the Ist ⁇ values for the rotation angle of the rotor and the actual values for current and voltage through the winding strands 6 control and / or control signals for the inverter 7, the be transmitted via the Lichtwel ⁇ lenleiter 35 to the inverters 7.
  • the submarine Propulsionsantriebs- system 1 can also be another common for all inverter 7 control and / or regulating device 40 and another higher-level device 42 for controlling and / or regulating the speed and for monitoring the Have synchronous machine 2.
  • Each of the common control and / or regulating devices 30, 40 is in each case coupled via one or more optical waveguides 35 to each of the inverters 7 and receives actual values for current and voltage through the winding strands fed by the respective converter 7 and can the converters 7 transmit control and / or control signals for controlling and / or regulating the currents through the winding strands 6.
  • Both control and / or regulating devices 30, 40 are here via line connections 33 to the encoder system 34 for receiving actual values for the rotational angle of the rotor and via Mernikationsverbin- fertilize 31 with the two parent devices 32, 42 for controlling and / or regulating the speed and coupled to monitor the synchronous machine 2.
  • the two superordinate devices 32, 42 are in communication with each other via a direct line connection 36.
  • a direct line connection 36 is a mutual life-dead query of the two devices 32, 42, for example, by exchanging life signs telegrams. If then, for example, at any given time the higher-level device 32, the active device and the überge ⁇ arranged means 42 is the inactive higher-order device and the inactive 42 no Le ⁇ bens Hetelegramm receives higher-order device from the active parent device 32, it can both the line connection 36 send a message to the active higher-level device 32 as well as via the communication links 31 a message to the control and / or regulating devices 30, 40 that they now from now on the control and / or regulation tion of the control and / or regulating devices 30, 40 takes over and is the active higher-level device. This message is evaluated on the part of the control and / or regulating devices 30, 40, which recognize the active higher-level device on the basis of such a message, and then uses only data obtained from this for the
  • Both higher-level devices 32, 42 receive information about their operating state via the communication connections 31 from the control and / or regulating devices 30, 40.
  • the information about the operating state gehö ⁇ ren mainly disturbance or warning messages and information about the number of inverters 7, with which the respective control and / or regulating device 30, 40 is in communication.
  • the respective active higher-level device 32, 42 decides, based on the operating states of the control and / or regulating devices 30, 40, which of the control and / or regulating devices 30, 40 should be active, ie control the converters 7 and / or to regulate, and informs about the control and / or regulating device 30, 40 via the communication links 31.
  • the optical waveguide 35 is then a message to the inverter 7, which the control and / or regulating device 30, 40 just the is active.
  • This message is evaluated on the inverter side by a power adapter 38, which recognizes the active interface or active control and / or regulating device 30, 40 on the basis of such a message, and thereafter only data obtained therefrom for the control and / or regulation of the converter 7 used.
  • the two common control and / or regulating devices 30, 40 in a manner analogous to the higher-level devices 32, 42, can communicate with each other via a direct line connection. hen, where they decide on a mutual life-death query ⁇ which of the two control and / or regulating devices 30, 40 controls the inverter 7 at a certain time and / or regulated.
  • control and / or regulating devices 30,40 and the power supply adapter 38 have each optoelectronic conversion ⁇ module 50 to implement the above, the optical waveguides to be transmitted electrical signals into optical signals and for converting the data received via the optical fiber 35 optical signals into electrical signals.
  • control and / or crizungseinrich- 30,40 include obligations each a rotor position detection 51 and a respective control and / or control module 52 for the eigentli ⁇ che generation of the control and / or control signals.
  • the control and / or regulating devices 30, 40 are - as shown in FIG 5 - indirectly via the means 32, 42 for controlling and / or regulating the rotational speed and for monitoring the synchronous machine 2 at the top of a peripheral outer side of the motor housing 10 attached , In this way are for ei ⁇ nen short transmission paths for short signal propagation times be- see the control and / or regulation device 30, 40 and the inverters 7 and, between the control and / or regulation device 30, 40 and the devices 32, the 42nd In addition, the control and / or regulating devices 30, 40 via the shock-resistant storage of the synchronous machine 2 in the submarine are also stored shock resistant.

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  • Insulation, Fastening Of Motor, Generator Windings (AREA)

Abstract

Bei einem U-Boot-Propulsionsantriebssystem (1) mit einer elektrischen Maschine (2) mit einem permanentmagnetisch erregten Läufer (3) und mit einem Ständer (4), in dem eine Ständerwicklung (5) angeordnet ist, die eine Vielzahl von Wicklungssträngen (6) aufweist, wobei für jeden der Wicklungsstränge (6) jeweils ein separater Umrichter (7) zur Speisung des Wicklungsstranges (6) mit elektrischen Strom vorhanden ist, und wobei die Umrichter (7) zur Speisung der Wicklungsstränge (6) im Inneren der elektrischen Maschine (2) angeordnet sind, soll die Wartungs- und Reparaturfreundlichkeit bei gleichzeitig geringem zusätzlichen Platzbedarf erhöht werden. Dies ist erfindungsgemäß dadurch möglich, dass eine für die Umrichter gemeinsame Steuer- und/oder Regelungseinrichtung (30) zur Steuerung und/oder Regelung des elektrischen Stromes, mit dem die Umrichter (7) die Wicklungsstränge (6) speisen, vorhanden ist, wobei diese Steuer- und/oder Regelungseinrichtung (30) außerhalb der elektrischen Maschine (2) angeordnet ist.

Description

Beschreibung
U-Boot-PropulsionsantriebsSystem Die Erfindung betrifft ein U-Boot-Propulsionsantriebssystem gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1; ein derartiges U-Boot-Propulsionsantriebssystem ist beispielsweise aus der WO 2004/068694 AI bekannt. Ein in der WO 2004/068694 AI beschriebenes U-Boot-Propul- sionsantriebssystem umfasst eine als eine Synchronmaschine ausgebildete elektrische Maschine mit einem permanentmagne¬ tisch erregten Läufer und mit einem Ständer, in dem eine Ständerwicklung angeordnet ist, die eine Vielzahl von Wick- lungssträngen, beispielsweise 24 Wicklungsstränge, aufweist. Für jeden der Wicklungsstränge ist dabei jeweils ein separa¬ ter einphasiger Umrichter zur Speisung des Wicklungsstranges mit elektrischem Strome vorhanden. Die Umrichter zur Speisung der Wicklungsstränge befinden sich hierbei in Form von Um- richtermodulen 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 einer den Läu- fer tragenden, drehfest auf der Welle befestigte Läufernabe ausgebildet ist. Eine elektrische Maschine ähnlicher Kon¬ struktion für ein U-Boot-Propulsionsantriebssystem ist auch durch die WO 2004/112220 AI bekannt. Derartige U-Boot-Propulsionsantriebssysteme erfreuen sich aufgrund ihrer hohen Kompaktheit, des damit einhergehenden geringen Platzbedarfs und aufgrund der geringen im Betrieb erzeugten Geräusche hoher Beliebtheit und werden beispiels¬ weise von der Anmelderin unter dem Produktnamen „SINAVY Per- masyn" vertrieben.
Zur Steuerung und/oder Regelung des elektrischen Stromes, mit dem die Umrichter die Wicklungsstränge speisen, ist für jeden der Umrichter jeweils eine separate Steuer- und/oder Regeleinheit vorhanden, die zusammen dem davon gesteuerten
und/oder geregelten Umrichter in dem Umrichtermodul im Inneren der Synchronmaschine angeordnet ist. Sämtliche Steuer- und/oder Regeleinheiten sind mit einer übergeordneten Einrichtung zur Steuerung und/oder Regelung der Drehzahl und zur Überwachung der Synchronmaschine gekoppelt und erhalten von dieser einen Sollwert für den Strom in den Wicklungssträngen. Um für einen Austausch oder eine Reparatur einen Zugriff auf eine derartige Steuer- und/oder Regeleinheit zu ermöglichen, muss das B-seitige Lagerschild entfernt werden, was mit Auf¬ wand verbunden ist. Ausgehend hiervon ist es Aufgabe vorliegender Erfindung, mit geringem zusätzlichem Platzbedarf die Wartungs- und Reparaturfreundlichkeit eines vorstehend erläuterten U-Boot-Propul- sionsantriebssystems zu verbessern. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch ein U-Boot-Propul- sionsantriebssystem gemäß Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erfindungsgemäßes U-Boot-Propulsionsantriebssystem weist eine erste für die Umrichter gemeinsame Steuer- und/oder Re¬ gelungseinrichtung zur Steuerung und/oder Regelung des elektrischen Stromes, mit dem die Umrichter die Wicklungsstränge speisen auf. Diese erste gemeinsame Steuer- und/oder Rege¬ lungseinrichtung ist dabei außerhalb der elektrischen Maschi- ne angeordnet.
Die bisher vielen einzelnen Steuer- und/oder Regelungseinheiten der verschiedenen Umrichter sind somit zu einer einzigen gemeinsamen Steuer- und/oder Regelungseinrichtung zusammenge- fasst, die sich jedoch nicht im Inneren der elektrischen Maschine, sondern außerhalb der elektrischen Maschine befindet. Die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung ist hierdurch für die Besatzung oder Wartungspersonal des U-Bootes gut zugäng- lieh und für ihren Austausch oder Reparatur muss kein Lagerschild entfernt werden. Durch die Zusammenfügung der vielen einzelnen Regeleinheiten zu einer einzigen gemeinsamen Steuer- und/oder Regelungseinrichtung ist zudem das Erfordernis nach geringem Platzbedarf erfüllt.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung weist das U-Boot-Propulsionsantriebssystem noch eine zweite für die Umrichter gemeinsame Steuer- und/oder Regelungseinrichtung zur Steuerung und/oder Regelung des elektrischen Stromes auf, mit dem die Umrichter die Wicklungsstränge speisen. Die zweite Steuer- und/oder Regelungseinrichtung ist dabei ebenfalls außerhalb der elektrischen Maschine angeordnet. Bei einem Aus¬ fall der ersten gemeinsamen Steuer- und/oder Regelungsein- richtung kann dann auf die zweite gemeinsame Steuer- und/oder Regelungseinrichtung umgeschaltet und somit ein geräuschopti¬ mierter Betrieb der Maschine aufrechterhalten werden.
Eine hohe Betriebssicherheit kann hierbei dadurch erzielt werden, dass die gemeinsame (n) Steuer- und/oder Regelungseinrichtung (en) zur Übertragung von Steuer- und/oder Regelsignalen an die Umrichter über Lichtwellenleiter mit den Umrichtern verbunden ist (sind) . Hierbei liegt die Überlegung zu¬ grunde, dass aufgrund der räumlich getrennten Anordnung der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung (en) außerhalb der Maschine und den Umrichtern innerhalb der Maschine die Signale zur Steuerung und/oder Regelung der Umrichter von der (den) Steuer- und/oder Regelungseinrichtung (en) über einen relativ langen Weg zu dem Unrichtern übertragen werden müssen. Auf diesem relativ langem Weg kann es zu elektromagnetischen Störungen der Signale kommen, die von den verhältnismäßig großen elektrischen Strömen erzeugt werden, wie sie in den Umrichtern und den Wicklungssträngen der Propulsionsantriebsmaschi- ne eines U-Bootes fließen. Bei einer Verwendung von Lichtwel- lenleitern für die Übertragung der Signale über diese relativ große Weglänge können derartige Störungen vermieden werden und dabei auch eine große Geschwindigkeit in der Signalüber- tragung ermöglicht werden. Hierdurch kann eine hohe Betriebs¬ sicherheit erzielt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist (sind) die gemeinsame (en) Steuer- und/oder Regelungseinrichtung (en) mit zumindest einer übergeordneten Einrichtung zur Steuerung- und/oder Regelung der Drehzahl und zur Überwachung der elektrische Maschine gekoppelt. Diese übergeordnete Einrichtung kann dann wiederum mit einem übergeordneten Antriebssteue- rungssystem des U-Bootes in Kommunikationsverbindung stehen.
Wenn zwei gemeinsame Steuer- und/oder Regelungseinrichtungen vorhanden sind, kann die übergeordnete Einrichtung (bei¬ spielsweise anhand von Betriebsinformationen der Steuer- und/oder Regelungseinrichtungen) entscheiden, welche der beiden Steuer- und/oder Regelungseinrichtungen zu einem bestimmten Zeitpunkt die Umrichter steuert und/oder regelt. Die ers¬ te und die zweite gemeinsame Steuer- und/oder Regelungseinrichtung können über die übergeordnete Einrichtung zur Steue- rung und/oder Regelung der Drehzahl und zur Überwachung dann auch miteinander in Kommunikationsverbindung stehen.
Alternativ können bei Vorhandensein von zwei gemeinsamen Steuer- und/oder Regelungseinrichtungen diese Steuer- und/ oder Regelungseinrichtungen über eine gegenseitige Leben-Tod- Abfrage entscheiden, welche der beiden Steuer- und/oder Regelungseinrichtungen zu einem bestimmten Zeitpunkt die Umrichter steuert und/oder regelt. Die gegenseitige Leben-Tot-Ab- frage kann z.B. durch einen Austausch von Lebenszeichentele- grammen, erfolgen. Bevorzugt werden diese Lebenszeichentele¬ grammen über eine direkte Kommunikationsverbindung zwischen den beiden Steuer- und/oder Regelungseinrichtungen übertragen. Wenn dann beispielsweise die zu einem bestimmten Zeitpunkt inaktive Steuer- und/oder Regelungseinrichtung kein Le- benszeichentelegramm von der aktiven Steuer- und/oder Regelungseinrichtung erhält, kann sie über die Kommunikationsverbindung eine Mitteilung an die aktive Steuer- und/oder Regelungseinrichtung senden, dass sie die Steuerung- und/oder Re- gelung der Umrichter übernimmt und ab sofort die aktive Steu¬ er- und/oder Regelungseinrichtung ist.
Für eine hochgenaue Steuerung- und/oder Regelung der Wick- lungsströme ist (sind) die gemeinsame (en) Steuer- und/oder
Regelungseinrichtung (en) von Vorteil mit Signalgebern zur Erfassung des Drehwinkels des Läufers gekoppelt.
Wenn die elektrische Maschine ein Motorgehäuse aufweist, ist (sind) die gemeinsame (en) Steuer- und/oder Regelungseinrichtung (en) bevorzugt direkt oder indirekt (z.B. über andere Komponenten) an einer Außenseite des Motorgehäuses befestigt. Die Signalwege zwischen der (den) gemeinsamen Steuer- und/ oder Regelungseinrichtung (en) und den Umrichtern können hier- durch kurz gehalten werden. Außerdem sind keine besonderen
Maßnahmen für eine schockfeste Halterung der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung (en) in dem U-Boot notwendig, da die elektrische Maschine üblicherweise bereits für sich schock¬ fest in dem U-Boot gelagert ist.
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 U-Boot-Propulsionsantriebssystems mit einer per¬ manentmagnetisch erregten Synchronmaschine und innerhalb des Maschinengehäuses angeordneten Umrichtern, FIG 2 eine Prinzipdarstellung einer Anordnung von Wicklungssträngen und Umrichtern der Maschine von FIG 1,
FIG 3 eine für die Umrichter von FIG 2 erfindungsgemäße ge¬ meinsame Steuer- und/oder Regelungseinrichtung,
FIG 4 ein U-Boot-Propulsionsantriebssystem mit zwei für die Umrichter gemeinsamen Steuer- und/oder Regelungseinrichtungen und
FIG 5 eine Befestigung der Steuer- und/oder Regelungseinrichtungen an einem Gehäuse der Synchronmaschine. Die FIG 1 zeigt in prinzipieller Form im Teilschnitt ein U- Boot-Propulsionsantriebssystem 1 mit einer Synchronmaschine 2 mit einem permanentmagnetisch erregten Läufer 3 und einem Ständer 4 mit einer Ständerwicklung 5. Die Ständerwicklung 5 weist dabei, wie sich insbesondere aus der prinzipiellen Dar¬ stellung in FIG 2 ergibt, eine Vielzahl von Wicklungssträngen 6 auf, von denen im Falle der in FIG 2 prinzipiell gezeigten Ständerwicklung 5, 24 Wicklungsstränge 6 vorgesehen sind. Die Synchronmaschine 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 des Läufers 3, dabei in Richtung der Maschinenwelle 9 durch ein A-seiti- ges Lagerschild 11 und ein B-seitiges Lagerschild 12 gebil¬ det .
Für jeden der Wicklungsstränge 6 ist dabei jeweils ein sepa¬ rater einphasiger Pulsumrichter 7 zur Speisung des jeweiligen Wicklungsstranges 6 mit elektrischem Strom vorhanden. Der An- schluss jedes einzelnen Wicklungsstranges 6 an einen ihm al¬ lein zugeordneten Umrichter 7 erfolgt dabei mittels Verbindungsleitungen 8. Jeder Wicklungsstrang 6 der als Wellenwicklung ausgebildeten Ständerwicklung 5 der Synchronmaschine 2 wird durch den jeweils einen, nur für diesen Wicklungsstrang 6 vorgesehenen Umrichter 7 gespeist. Die Umrichter 7, die die Ständerwicklung 5 speisen, sind im Inneren der permanentmagnetisch er- regten Synchronmaschine 2 zwischen dem A-seitigen Lagerschild 11 und dem B-seitigen Lagerschild 12 in einem Umrichterhalte¬ gerüst 13 angeordnet und befinden sich in Umrichtermodulen 14. Die Umrichtermodule 14 ragen dabei in einen Zwischenraum 20, der zwischen der Welle 9 der Synchronmaschine 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 2 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.
Jeweils sechs Umrichtermodule 14 sind über eine für sie vor- gesehene Anschlussleitung 15 bzw. 16 an jeweils ein Teilnetz 17 bzw. 18 eines DC-Bordnetzes des U-Bootes angeschlossen.
Anstelle von zwei Umrichtern 7 je Umrichtermodul 14 können auch mehr als zwei Umrichter 7 zu einem Umrichtermodul zusam- mengefasst sein.
Ein aus dem Stand der Technik bekanntes U-Boot-Propulsions- antriebssystem 1 weist zur Steuerung und/oder Regelung des elektrischen Stromes, mit dem die Umrichter 7 die Wicklungs- stränge 6 speisen, für jeden der Umrichter 7 jeweils eine in FIG 1 andeutungsweise dargestellte separate Steuer- und/oder Regeleinheit 22 auf, die zusammen mit dem davon gesteuerten und/oder geregelten Umrichter 7 in dem Umrichtermodul 14 im Inneren der Synchronmaschine 2 angeordnet ist. Sämtliche Steuer- und/oder Regeleinheiten 22 sind mit einer nicht näher dargestellten übergeordneten Einrichtung zur Steuerung und/ oder Regelung der Drehzahl und zur Überwachung der Synchronmaschine 2 gekoppelt und erhalten von dieser einen Sollwert für den Strom in den Wicklungssträngen 6.
Ein erfindungsgemäßes U-Boot-Propulsionsantriebssystem 1 weist dagegen - wie in FIG 3 gezeigt - zur Regelung des elektrischen Stromes, mit dem die Umrichter 7 die Wicklungssträn- ge 6 speisen, eine für sämtliche Umrichter 7 gemeinsame Steu¬ er- und/oder Regelungseinrichtung 30 auf. Diese befindet sich im jedoch im Gegensatz zu den Umrichtern 7 und den Wicklungssträngen 6 nicht innerhalb, sondern außerhalb des von dem Ma- schinengehäuse 10 umschlossenen Innenraums 19 und ist somit im Falle eines Austausches oder einer Reparatur für das Personal des U-Bootes leicht zugänglich. Die Umrichter 7 und die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 30 bilden somit ein aufeinander abgestimmtes und auf innerhalb und außerhalb der Synchronmaschine 2 verteiltes Umrichtersystem 37.
Die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 30 ist über eine Kommunikationsverbindung 31 (z.B. einen Profibus) mit einer übergeordneten Einrichtung 32 zur Steuerung- und/oder Rege- lung der Drehzahl und zur Überwachung der Synchronmaschine 2 gekoppelt und empfängt hierüber einen Sollwert für den Strom durch die Wicklungsstränge 6. Außerdem ist sie über eine Lei¬ tungsverbindung 33 mit einem Signalgebersystem 34 zur Erfassung von Istwerten des Drehwinkels des Läufers 9 der Syn- chronmaschine 2 gekoppelt. Weiterhin ist die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 30 zur Übertragung von Steuer- und/oder Regelsignalen an die Umrichter 7 und zum Empfang von Istwerten für Strom und Spannung durch die Wicklungsstränge 6 über jeweils einen oder mehrere Lichtwellenleiter 35 mit jedem der Umrichter 7 verbunden.
Die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 30 erzeugt in Abhängigkeit von dem Sollwert für die Wicklungsströme, der Ist¬ werte für den Drehwinkel des Läufers sowie der Istwerte für Strom und Spannung durch die Wicklungsstränge 6 Steuer- und/ oder Regelsignale für die Umrichter 7, die über die Lichtwel¬ lenleiter 35 zu den Umrichtern 7 übertragen werden.
Durch die Verwendung von Lichtwellenleitern zwischen der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 30 und den Umrichtern 7 kann die Kommunikation zwischen diesen Komponenten trotz der relativ langen Übertragungswege sehr schnell und störungsu- nempfindlich erfolgen und dadurch eine sehr hohe Betriebssicherheit erzielt werden.
Wie in FIG 4 gezeigt, kann das U-Boot-Propulsionsantriebs- System 1 auch noch eine weitere für sämtliche Umrichter 7 gemeinsame Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 40 und eine weitere übergeordnete Einrichtung 42 zur Steuerung und/oder Regelung der Drehzahl und zur Überwachung der Synchronmaschine 2 aufweisen. Jede der gemeinsamen Steuer- und/oder Rege- lungseinrichtungen 30, 40 ist dabei über jeweils einen oder mehrere Lichtwellenleiter 35 mit jeweils jedem der Umrichter 7 gekoppelt und empfängt hierüber Istwerte für Strom und Spannung durch die von dem jeweiligen Umrichter 7 gespeisten Wicklungsstränge und kann an die Umrichter 7 Steuer und/oder Regelsignale zur Steuerung und/oder Regelung der Ströme durch die Wicklungsstränge 6 übermitteln. Beide Steuer- und/oder Regelungseinrichtungen 30, 40 sind dabei über Leitungsverbindungen 33 mit dem Gebersystem 34 zum Empfang von Istwerten für den Drehwinkel des Läufers und über Kommunikationsverbin- düngen 31 mit den beiden übergeordneten Einrichtungen 32, 42 zur Steuerung und/oder Regelung der Drehzahl und zur Überwachung der Synchronmaschine 2 gekoppelt.
Die beiden übergeordneten Einrichtung 32, 42 stehen über eine direkte Leitungsverbindung 36 miteinander in Kommunikationsverbindung. Über diese Kommunikationsverbindung erfolgt eine gegenseitige Leben-Tot-Abfrage der beiden Einrichtungen 32, 42, z.B. durch Austausch von Lebenszeichentelegrammen. Wenn dann beispielsweise zu einem bestimmten Zeitpunkt die überge- ordnete Einrichtung 32 die aktive Einrichtung und die überge¬ ordnete Einrichtung 42 die inaktive übergeordnete Einrichtung ist und die inaktive übergeordnete Einrichtung 42 kein Le¬ benszeichentelegramm von der aktiven übergeordneten Einrichtung 32 erhält, kann sie sowohl über die Leitungsverbindung 36 eine Mitteilung an die aktive übergeordnete Einrichtung 32 als auch über die Kommunikationsverbindungen 31 eine Mitteilung an die Steuer- und/oder Regelungseinrichtungen 30, 40 senden, dass sie nun ab sofort die Steuerung- und/oder Rege- lung der Steuer- und/oder Regelungseinrichtungen 30, 40 übernimmt und die aktive übergeordnete Einrichtung ist. Diese Mitteilung wird auf Seite der Steuer- und/oder Regelungseinrichtungen 30, 40 ausgewertet, die auf Basis einer derartigen Mitteilung die aktive übergeordnete Einrichtung erkennen, und danach nur noch von dieser erhaltene Daten für die Steuerung und/oder Regelung der Umrichter 7 benutzt.
Beide übergeordnete Einrichtungen 32, 42 empfangen über die Kommunikationsverbindungen 31 von den Steuer- und/oder Regelungseinrichtungen 30, 40 Informationen über deren Betriebszustand. Zu den Informationen über den Betriebszustand gehö¬ ren vor allem Störungs- oder Warnungsmeldungen und Informationen über die Anzahl der Umrichter 7, mit denen die jeweilige Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 30, 40 in Kommunikationsverbindung steht. Die jeweils aktive übergeordnete Ein¬ richtung 32, 42 und entscheidet dann anhand der Betriebszu- stände der Steuer- und/oder Regelungseinrichtungen 30, 40, welche der Steuer- und/oder Regelungseinrichtungen 30, 40 die aktive sein soll, d.h. die Umrichter 7 steuern und/oder regeln soll, und informiert hierüber die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 30, 40 über die Kommunikationsverbindungen 31. Über die Lichtwellenleiter 35 erfolgt dann eine Mitteilung an die Umrichter 7, welche der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 30, 40 gerade die aktive ist. Diese Mitteilung wird umrichterseitig von einem Leistungsteiladapter 38 ausgewertet, der auf Basis einer derartigen Mitteilung die aktive Schnittstelle bzw. aktive Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 30, 40 erkennt, und danach nur noch von dieser erhaltene Daten für die Steuerung und/oder Regelung des Umrichters 7 benutzt . Alternativ können die beiden gemeinsamen Steuer- und/oder Regelungseinrichtungen 30, 40 in analoger Weise wie die übergeordneten Einrichtungen 32, 42 auch über eine direkte Leitungsverbindung miteinander in Kommunikationsverbindung ste- hen, wobei sie über eine gegenseitige Leben-Tod-Abfrage ent¬ scheiden, welche der beiden Steuer- und/oder Regelungseinrichtungen 30, 40 zu einem bestimmten Zeitpunkt die Umrichter 7 steuert und/oder regelt.
Für die Kommunikation über die Lichtwellenleiter 35 weisen die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtungen 30,40 und die Leistungsteiladapter 38 jeweils optoelektronische Umsetzungs¬ module 50 zur Umsetzung der über die Lichtwellenleiter zu versendenden elektrischen Signale in optische Signale und zur Umsetzung der über die Lichtwellenleiter 35 empfangenen optischen Signale in elektrische Signale auf.
Weiterhin umfassen die Steuerungs- und/oder Regelungseinrich- tungen 30,40 jeweils eine Rotorlageerfassung 51 und jeweils ein Steuerungs- und/oder Regelungsmodul 52 für die eigentli¬ che Erzeugung der Steuer- und/oder Regelsignale.
Die Steuer- und/oder Regelungseinrichtungen 30, 40 sind dabei - wie in FIG 5 gezeigt - indirekt über die Einrichtungen 32, 42 zur Steuerung und/oder Regelung der Drehzahl und zur Überwachung der Synchronmaschine 2 oben auf einer Umfangsaußen- seite des Motorgehäuses 10 befestigt. Hierdurch sind zum ei¬ nen kurze Übertragungswege für kurze Signallaufzeiten zwi- sehen den Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 30, 40 und den Umrichtern 7 sowie zwischen den Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 30, 40 und den Einrichtungen 32, 42 gegeben. Außerdem sind die Steuer und/oder Regelungseinrichtungen 30, 40 über die schockfeste Lagerung der Synchronmaschine 2 in dem U-Boot ebenfalls schockfest gelagert.

Claims

Patentansprüche
1. U-Boot-Propulsionsantriebssystem (1) umfassend
- eine elektrischen Maschine (2) mit einem permanentmagne- tisch erregten Läufer (3) und mit einem Ständer (4), in dem eine Ständerwicklung (5) angeordnet ist, die eine Vielzahl von Wicklungssträngen (6) aufweist,
- für jeden der Wicklungsstränge (6) jeweils einen separaten Umrichter (7) zur Speisung des Wicklungsstranges (6) mit elektrischem Strom, wobei die Umrichter (7) zur Speisung der Wicklungsstränge (6) im Inneren der elektrischen Maschine (2) angeordnet sind,
gekennzeichnet durch eine erste für die Umrichter gemeinsame Steuer- und/oder Regelungseinrichtung (30) zur Steuerung und/oder Regelung des elektrischen Stromes, mit dem die Umrichter (7) die Wicklungsstränge (6) speisen, wobei die erste gemeinsame Steuer- und/oder Regelungseinrichtung (30) außerhalb der elektrischen Maschine (2) angeordnet ist.
2. U-Boot-Propulsionsantriebssystem (1) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zweite für die Umrichter gemeinsame Steuer- und/oder Regelungseinrichtung (40) zur Steuerung und/oder Regelung des elektrischen Stromes, mit dem die Umrichter (7) die Wicklungsstränge (6) speisen, wobei die zwei- te Steuer- und/oder Regelungseinrichtung (40) ebenfalls außerhalb der elektrischen Maschine (2) angeordnet ist.
3. U-Boot-Propulsionsantriebssystem (1) nach Anspruch 1 oder
2, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame (n) Steuer- und/oder Regelungseinrichtung (en) (30, 40) zur Übertragung von Steuer- und/oder Regelsignalen an die Umrichter (7) über Lichtwellenleiter (35) mit den Umrichtern (7) verbunden ist (sind) .
4. U-Boot-Propulsionsantriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ge¬ meinsamein) Steuer- und/oder Regelungseinrichtung (en) (30, 40) mit zumindest einer übergeordneten Einrichtung (32) zur Steuerung und/oder Regelung der Drehzahl und zur Überwachung der elektrischen Maschine (2) gekoppelt ist (sind) .
5. U-Boot-Propulsionsantriebssystem (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei gemeinsame Steuer- und/oder Regelungseinrichtungen (30, 40) vorhanden sind, wobei die übergeordnete Einrichtung (32, 42) entscheidet, welche der gemeinsamen Steuer- und/oder Regelungseinrichtungen (30, 40) zu einem bestimmten Zeitpunkt die Umrichter (7) steuert und/oder regelt.
6. U-Boot-Propulsionsantriebssystem (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei gemeinsame Steuer- und/oder Regelungseinrichtungen (30, 40) vorhanden sind, wobei die ge- meinsamen Steuer- und/oder Regelungseinrichtungen (30, 40) über eine gegenseitige Leben-Tod-Abfrage entscheiden, welche der beiden Steuer- und/oder Regelungseinrichtungen (30, 40) zu einem bestimmten Zeitpunkt die Umrichter (7) steuert und/oder regelt.
7. U-Boot-Propulsionsantriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ge¬ meinsamein) Steuer- und/oder Regelungseinrichtung (en) (30 bzw. 40) mit einen oder mehreren Signalgebern (34) zur Erfas- sung eines Drehwinkels des Läufers (3) gekoppelt ist (sind) .
8. U-Boot-Propulsionsantriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (2) ein Gehäuse (10) aufweist und dass die gemeinsame (n) Steuer- und/oder Regelungseinrichtung (en) (30, 40) direkt oder indirekt an einer Außenseite des Gehäu¬ ses (10) befestigt ist (sind).
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