WO2019057594A1 - Azimutverstellung einer gondel - Google Patents

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WO2019057594A1
WO2019057594A1 PCT/EP2018/074704 EP2018074704W WO2019057594A1 WO 2019057594 A1 WO2019057594 A1 WO 2019057594A1 EP 2018074704 W EP2018074704 W EP 2018074704W WO 2019057594 A1 WO2019057594 A1 WO 2019057594A1
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WO
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direct drive
azimutverstelleinrichtung
drive
nacelle
rotor
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PCT/EP2018/074704
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English (en)
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Inventor
Andreas JUNGLEWITZ
Veiko Schulz
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H5/00—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water
    • B63H5/07—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water of propellers
    • B63H5/125—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water of propellers movably mounted with respect to hull, e.g. adjustable in direction, e.g. podded azimuthing thrusters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12—Stationary parts of the magnetic circuit
    • H02K1/14—Stator cores with salient poles
    • H02K1/146—Stator cores with salient poles consisting of a generally annular yoke with salient poles
    • H02K1/148—Sectional cores
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H5/00—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water
    • B63H5/07—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water of propellers
    • B63H5/125—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water of propellers movably mounted with respect to hull, e.g. adjustable in direction, e.g. podded azimuthing thrusters
    • B63H2005/1254—Podded azimuthing thrusters, i.e. podded thruster units arranged inboard for rotation about vertical axis
    • B63H2005/1256—Podded azimuthing thrusters, i.e. podded thruster units arranged inboard for rotation about vertical axis with mechanical power transmission to propellers

Definitions

  • Azimuth adjustment of a nacelle The invention relates to an azimuth adjustment of a nacelle, wherein by means of the nacelle a floating body, in particular a ship, can be driven.
  • the invention also relates to a gondola with an azimuth adjustment or a ship with an azimuth adjustment for a nacelle or a method for operating an azimuth adjustment of a nacelle.
  • the azimuth adjustment is provided, for example, for a, in particular electrically driven, rudder propeller of a seagoing ship, which is arranged, for example, in the rear region on a rotatable shaft underneath the ship's bottom.
  • the rudder propeller ⁇ has, for example, the gondola.
  • the azimuth adjustment is in particular a Azimutverstell ⁇ device, ie a device or a system for an azimuthal adjustment.
  • the azimuth adjustment is also, for example, for a POD of a seagoing vessel, e.g. in the rear area is arranged on a rotatable shaft below the bottom of the ship, provided.
  • the POD has the nacelle.
  • the seagoing ship is an example of a floating body.
  • Other examples of a floating body are a submarine or a floating offshore production platform or an offshore structure.
  • a ship such as a passenger ship, a ferry or a cruiser
  • other types of ships such as a tugboat or a barge are possible uses.
  • the electric actuator has in addition to the electric servomotor and a power converter.
  • a transmission is provided, for example.
  • Rudder propellers of large ships are moved by servomotors, which are generally designed as hydraulic motors or as electric motors.
  • Hydraulic motors have the disadvantage that leaks can occur at the transition points from the hydraulic lines to the motors, in particular with prolonged vibration stress, as is the case with rudder propellers.
  • the required hydraulic system (Pum ⁇ pen and motors) has a relatively high weight and a considerable amount of space, and maintenance requirements.
  • WO 89/05262 AI know ⁇ terhin a rudder propeller with two drive motors is known to turn the rudder propeller via a disk with external teeth.
  • the drive which is shown in WO 89/05262 AI and may optionally have hydraulic or electric motors, two drive motors.
  • At least one electric motor with a stator and a rotor for driving the at least one propeller is provided.
  • the electric motor is designed as an electric ring motor, which is arranged in a ring around the drive shaft, wherein the rotor of the electric motor is rotatably connected via a rotor carrier with the drive shaft.
  • Propulsors, so gondola drives such as POD's or Ruderpropel ⁇ ler that are azimuthally 360 degrees and beyond adjustable be for certain types of ships, which must have a high maneuverability or should have a special comfort (eg tugs, offshore supply vessels, cruise ships ) is preferably used.
  • the azimu ⁇ tale positioning is effected by preferably a plurality of pinions which engage in egg ⁇ NEN connected to the pivot bearing toothed wheel / Wreath.
  • the drive of a pinion can be done via hydraulic motors, planetary or other gearboxes connected to electric motors.
  • components are provided to protect the azimuthal adjustment at sudden load on Propulsor, such as overload clutches between transmission and electric motor or safety valves in the hydraulic circuit.
  • braking or locking means are provided to enable failure of the azimuth adjustment of a Notverstel ⁇ lung and setting in a desired position.
  • These devices often use the same torque transmission path as the azimuth adjustment, so that they are ineffective in certain cases of damage, such as slipping / wear of the overload protection device, tripping and jamming of the hydraulic safety valve.
  • An object of the invention is to improve an azimuth adjustment of a nacelle.
  • a solution to the problem results from an azimuth adjustment, ie an azimuth adjustment device, a nacelle according to claim 1 and a method for operating an azimuth adjustment (azimuth adjustment device) of a nacelle according to claim 12.
  • An azimuth adjustment (Azimutverstell Surprise) of a nacelle is designed with a segmented direct drive. Due to the segmentation of the direct drive, it can be individually adapted to a ship or a POD or Rudderpropeller. The adaptation relates, for example, the rated torque, the maximum torque and / or the diameter.
  • the electromotive principle can be applied directly in the actuator for the azimuth adjustment of the nacelle.
  • An Azimutor electrotive azimuth adjustment
  • the linear motor modules can be designed curved to form a circle. If one seg- ment of a large number of segments fails in a seg- mented direct drive, the entire drive will not fail. It only reduces the available moment. As a result, 100% of the required azimuth torque can be provided with a corresponding oversizing even after failure of a segment. Thus, a required redundancy can be sufficiently fulfilled.
  • the segmented direct drive has permanent magnets.
  • a self-oscillating Syn ⁇ chronmaschine can be realized in a simple manner.
  • the segmented direct drive is a stepper motor. Electric motors can be externally excited as well as permanently energized.
  • the stepping motor is provided in particular directly for small precise movements of me ⁇ chanic components, as well as for holding in one position.
  • the azimuth adjustment of the direct drive is foreign-excited.
  • a winding can replace the permanent magnets and the necessary field can be generated by energizing them. This increases the flexibility.
  • the segmented direct drive is a synchronous machine.
  • linear motor ⁇ ren can be described as synchronous machines. Synchronous machines can be controlled robustly.
  • the azimuth adjustment of the direct drive is an external rotor.
  • the diameter can be increased, which is the momentum good.
  • azimuth adjustment of the direct drive is an internal rotor. So a compact design can be achieved.
  • azimuth adjusting a support cone, a well and / or a control gear plate seg ⁇ mented direct drive is integrated.
  • the electromotive principle can be applied directly in the actuator. This is done, for example, in ⁇ a component of the system to be adjusted (eg support cone -> rotor, well or corresponding bearing on the timing transmission plate -> stator) at the same time a component of Di ⁇ rect drive is by corresponding electrical elements (turns, magnets) be attached. This is for example realized in that permanent magnets are arranged in an upper part of the supporting cone ⁇ at the periphery, as is commonly done on the rotor of a permanently excited Elect ⁇ romotors.
  • the electromagnetic field interacts with the magnetic field of which is arranged on the supporting cone Perma ⁇ nentmagnete.
  • This winding can preferably be arranged outside the support cone in the well, which is firmly connected, for example, to the ship and has a sufficiently small gap to the support cone.
  • the magnets can also be arranged within the support cone in the circumferential direction ⁇ .
  • the stator winding of the direct drive can then be arranged on a cylindrical part within the support cone, which is firmly connected to the ship, for example, via the control transmission plate.
  • this has an emergency (electrical emergency).
  • the Notversor- supply provides the supply at least sure of a part of Seg ⁇ ments of the segmented direct drive with electric power.
  • the emergency supply is for example a redundant electrical energy supply. If segments of a drive are fed, for example, in normal operation by un ⁇ ferent electrical power supplies and falls, for example, one of them, then the remaining ⁇ bende electrical energy supply is an emergency.
  • the azimuth adjustment of the segmented direct drive is redundant, which means that all or part of the segments can be operated independently (from each other) and in particular an emergency supply (with electrical energy) is provided.
  • an emergency operation (emergency adjustment) of
  • Azimutver ein be made possible, since in particular not all segments must be active in emergency ⁇ special.
  • ⁇ differing surface segments can be operated and / or different segments can have a different nominal power with different power.
  • different segments can be cooled with differentmésys ⁇ temen, which also increases the reliability.
  • Protective measure for example, is not necessary if the engine simply "slips" when exceeding a previously defined torque without damaging components because there is no mechanical contact as in a transmission and electrically in this case from the inverter, or from the converters, the As soon as the external torque falls below the defined maximum of the engine torque again, the full control capability is available again without requiring any measures to be taken.
  • the segmented direct drive has a multiplicity of segments, wherein each of the segments is a power converter, in particular a
  • Inverter is assigned.
  • the power converters of the segments can share a DC link.
  • the intermediate circuit is fed in particular by a rectifier, which has a higher power than one of the inverters.
  • two or more rectifiers can be provided for feeding the DC link.
  • the direct drive may have two or more DC links.
  • a combination of a plurality of inverters, at least one intermediate circuit and at least one rectifier forms a segmented direct drive.
  • the segmented direct drive thus has in one embodiment, in addition to the segments, a plurality of inverters, at least one DC voltage intermediate circuit (DC link) and at least one rectifier.
  • the segments have an active part and a passive part.
  • the active part is in particular a part of the stator of segmen ⁇ oriented direct drive.
  • the passive part is in particular one Part of the rotor of the segmented direct drive.
  • the Pas ⁇ sivteil has, for example, permanent magnets.
  • this has a torque controller.
  • the torque controller for the segmented direct drive it is easy to react to moments which are e.g. act on the gondola.
  • the azimuth adjustment is brakeless. Since the Azimutor, so the
  • Azimuth adjustment a position specification very quickly in a corresponding torque, both in magnitude and in the direction can implement, a brake is not necessary.
  • selected seg- ments of the segmented direct drive can be immediately distri- ubbed. This is achieved for example by means of a UPS, an emergency switchboard oa This ensures that at no time unkon ⁇ trolled movements of the gondola and a propulsor are mög ⁇ Lich.
  • this has a cooling.
  • the cooling concerns in particular the segmen ⁇ oriented direct drive.
  • the rotor, the stator, the inverter and / or the rectifier can be cooled. Cooling can be done, for example, by aeration of engine rooms on ships, or by means of cooling medium, eg, water, either directly or indirectly through either a separate or ship's own cooling system.
  • the azimuth adjustment of the direct drive takes place without contact, thus no protective measures ge ⁇ gene to high external torques forces.
  • the azimuth adjustment of the direct drive is wear-free, so a higher efficiency can be achieved.
  • the segments of the direct drive are operated independently of one another.
  • the nacelle In a method for operating an azimuth adjustment of a nacelle, the nacelle is driven several times directly. This ge ⁇ lingt particular segmented at a direct drive, in which individual, in particular independent from each other, Seg ⁇ elements of the direct drive can be controlled individually.
  • Azimutor electrotive azimuth adjustment
  • Azimutor can be executed in particular as a segment motor. This has the advantage that in the case of an error, e.g. only one segment fails and not the entire engine. As a result, 100% of the required azimuth torque can be provided with a corresponding oversizing even after failure of a segment. Thus, e.g. Redundancy often required by ships is adequately met.
  • At least by the segmentation is a multiple driving, so a multiple drive.
  • a segment as well as a plurality of segments can contribute to the drive.
  • an electric direct drive is used to drive.
  • This has a Ro ⁇ tor and a stator.
  • the stator has individual energizable, ie controllable segments.
  • the Segmen ⁇ te can also be considered as a single linear motors.
  • the segmentation brings advantages in terms of installation space, dimensioning and operational safety.
  • the direct drive is partially active. In this case, a part of the segments is energized, so it is active, and a part of the segments is not energized, is therefore inactive. This is advantageous, for example, in an emergency mode .
  • An emergency adjustment can be made either by mechanical components to be additionally mounted, or by an independent supply of individual segments of the azimuth.
  • Azimutver ein with segmented direct drive this is especially in the case of service, for. in the dock, be necessary.
  • a force is transmitted to the nacelle without contact for its azimuthal adjustment.
  • a stator and a rotor having the stator has primary part segments (stator) and the rotor has, in particular seconding ⁇ därteilsegmente (particularly segments with permanent magnets) on.
  • the runner may also be only one segment, which has, for example, a multiplicity of permanent magnets arranged next to one another.
  • stator and rotor also called rotor
  • there is an air gap Over the air ⁇ gap results in a non-contact power transmission. For example, this non-contact concept makes it impossible
  • an azimuth ⁇ adjustment of the type described above-or below is used.
  • the design with electromotive azimuth adjustment can be emphasized, for example, by at least one of the following: no separate components that allow an azimuthal adjustment of the propulsor via a pinion or other mechanical or hydraulic connections to the rotor; no protective measures are necessary which must be effective in the event of sudden loading of the propulsor in the azimuthal direction;
  • FIG. 6 shows a section of a rotor of the segmented on ⁇ drive
  • the illustration according to FIG. 1 shows a POD 1.
  • the POD 1 has a nacelle 2 and a shaft 20.
  • an electric motor is housed in the nacelle 2 in the nacelle 2, an electric motor is housed.
  • 3 denotes a ⁇ ers th propeller, which is driven by the engine in the nacelle 2, and 4 a second propeller which is also driven by the engine in the nacelle. 2 Between the two propellers 3 and 4 there is a preferably continuous end, not shown in detail motor shaft.
  • a preferably continuous end not shown in detail motor shaft.
  • Shank 20 is an advantageously with a toothing formed réellever ⁇ ring gear 5, which together with a pinion gear 6, a first transmission and is driven by a further transmission 7 from the electric motor.
  • 8 Shown are two electric motors 8, each with a pinion 6 and egg ⁇ nem gear 7.
  • the motors 8 have revolution counter and rotation direction counter 9, over which the rudder position is detected ⁇ bar.
  • Azimuth adjustment are connected to the electrical system, which has either 400V / 50Hz or 450V / 60Hz.
  • a DC link 31 is supplied to the input part (rectifier) 10 and the output part (Wechsel ⁇ judge) 11 and the intermediate circuit 12 with energy from the medium voltage electrical system.
  • a braking resistor 13 is arranged at the intermediate circuit 12.
  • UPS uninterruptible Stromver ⁇ supply
  • FIG 2 shows a rudder propeller 51.
  • the figure shows a schematic representation of a longitudinal section of an azimuth 50 for a floating device such as a ship or an offshore platform.
  • the propeller drive means comprises a hollow shaft 20 which is supported by bearings 52 at its lower and upper ends about a substantially vertical axis 53 rotatably supported by a support structure 54 of the floating device. Seals 56 seal a gap 55 between the shaft 20 and the support structure 54 against ingress of water.
  • a streamlined, gondola-like shaped housing 57 of the nacelle 2, which forms a cavity 58 in its interior, is rotatably supported at the lower end of the shaft 20.
  • the overall housing 57 is a substantially horizontally extending Pro ⁇ pellerwelle 59 by means of bearings 60 rotatably supports around an axis ge ⁇ 61st
  • the axis of rotation 53 of the shaft 20 and the axis of rotation 61 of the propeller shaft 59 are thus substantially perpendicular each other.
  • the propeller shaft 59 is guided at one end 62 to outside the housing 57 and has at this end 62 a propeller 63 attached thereto.
  • An electric motor 16 drives via a drive shaft 21 and arranged in the housing 57 bevel gear 27 have a bevel gear 28 and a ring gear 29, the propeller shaft 59 at.
  • the electric ⁇ motor 16 is arranged in the interior of the floating device outside of the shaft 20 and the housing 57th In the floating device is a generator not shown in detail or another power source, the or the electric motor 16, possibly powered by a converter, with the necessary power.
  • the propeller drive device shown represents a about a vertical axis 53 rotatable azimuth Propulsionsstrom in the form of a rudder propeller. It is possible that the propeller shaft 59 at its two ⁇ th end or an additional propeller shaft, via a suitable gear with the propeller shaft 59 or the drive shaft ⁇ 21 is coupled to, is guided outside of the housing 57 and there also has an attached thereto peller.
  • the two propellers can then turn in the same or in opposite directions (ie, contrarotate).
  • the electric motor 16 is designed as an electric ring motor and has an annular designed ⁇ th rotor 22 and a ring-shaped stator 23 which surrounds the rotor 22 annularly to form an air gap.
  • the rotor 22 and the drive shaft 21 are rotatably gela ⁇ around the same axis 53 as the shaft 20.
  • the rotor 22 is arranged annularly around the drive shaft 21, that is, that the drive shaft 21 along the axis of rotation 53 of the rotor 22 and thereby even through the rotor 22 through, ie, by the plane spanned by the rotor 22 surface extends.
  • the electric motor 16 designed as a ring motor has, in relation to the axis of rotation 53 of the rotor 22 in the radial direction, a diameter which is significantly greater than the length of the motor in its axial longitudinal direction.
  • the annular stator 23 of the motor 16 is rotationally fixed to the
  • the Shaft 20 here a support structure 24 (often referred to as "support cone") at the upper end of the shaft 20, attached.
  • the ring motor 16 is adapted in terms of its outer diameter to the outer diameter of the support structure 24 of the floating device for the azimuth propeller drive device and has an outer diameter which is approximately equal to the outer diameter of the support structure 24.
  • the annular rotor 22 is non-rotatably connected to the drive shaft 21 via a rotor carrier 25 fastened to its ring inner side.
  • the rotor arm 25 carries thus on its outer side the Ro ⁇ gate 22.
  • the rotor support 25 includes a hub 40, a circular-shaped ring-support 41 and a connecting member 42 for connecting the hub 40 to the support ring 41.
  • the hub 40 is rotationally fixed to the Drive shaft 21 connected and the support ⁇ wreath 41 carries on its outside the rotor 22.
  • the connecting element 42 may for example be formed as a disc wheel, which is preferably provided for weight saving with holes or slots.
  • the rotor carrier may also include a transmission, eg a planetary gear.
  • the propeller drive device 1 is rotated about the vertical axis 53 by means of an electric motor 30, which is designed as a segmented direct drive.
  • the segmented direct drive 30 has an annular formed ⁇ rotor 32 and a ring-shaped stator 33 which surrounds the rotor 32 annularly to form an air gap.
  • the rotor 32 is about the same axis 53 as the shaft, the drive shaft 21 and the rotor 32 of the
  • the segmented Harmonan ⁇ drive can also be designed such that the rotor surrounds the stator ring to form an air gap, but this is not shown.
  • the ring-shaped stator 33 of the segmented direct drive 30 is rotationally fixed to a stationary part of the propeller drive ⁇ device 51 or the floating device (for example a ship), for example the support structure 35 is held.
  • the annular Rotor 32 of the segmented direct drive 30 is rotatably connected by means of ei ⁇ nes on its inner ring side fixed rotor support 43 with the shaft 20, here a flange 34 at the upper end of the shaft 20.
  • the representation of Figure 3 shows an example of the segmented drive 30.
  • the segmented drive is a segmen ⁇ -oriented direct drive 30.
  • In the segmented direct drive can be adjusted directly without interposition of a gearbox, in particular a rudder propeller or POD.
  • the seg ⁇ mented direct drive 30 includes a stator and a rotor 32nd
  • the stator has 9 stator segments 44, 45, 46, 47, 48, 49, 76, 77 and 78.
  • the stator can also have more or fewer, for example, 6 stator segments 44, 45, 46, 47, 48 and 49, which is not shown in FIG. each
  • Stator segment 44, 45, 46, 47, 48, 49, 76, 77 and 78 of the nine segments shown has a power connection 36.
  • Dar ⁇ is a three-phase connection, with a cable is provided for each phase.
  • the segmentation allows use even for large diameters and / or a scaling of the torque over the diameter, length and / or number of segments, which can provide a high degree of design flexibility.
  • partial assembly is also possible. So the engine can also be operated with a reduced number of segments. Rotor cooling is possible but not necessary in all applications.
  • a segment of the stator can also be considered as a separate motor unit.
  • FIG. 4 shows the example of the segment 39, a first embodiment for the stator segments. It has T-groove blocks 64 for installation.
  • a three-phase connection line 37 is provided for the power connection.
  • This three-phase connecting lead 37 has power cables for three phases, as well as a signal cable.
  • the connection is made via a plug connection 65 for the combined connection line 37.
  • a liquid cooling can be provided for cooling the segment 39.
  • FIG. 4 shows a coolant connection 76.
  • FIG 5 shows the example of the segment 49, a further embodiment for the stator segments. It has T-groove blocks 64 for installation.
  • Three single-phase connection ⁇ lines 38 are provided for the three-phase power connection of the segment. These three connection lines 38 are successively positio ⁇ ned on a circular arc section. The connection is made via a respective Termina ⁇ extension 67 for the single-core power cables, that is, the three single-phase connection lines 38.
  • a connector 66 is provided for a signal cable.
  • the signal cable or the signal line can be provided for temperature sensors.
  • a liquid cooling can be provided.
  • 5 shows a coolant connection 76.
  • the stator segment can be equipped with different line connections depending on the power or the electrical currents.
  • a single core power line can be provided, for example, for currents greater than 66 A.
  • a combined line may be provided for currents less than or equal to 66A.
  • the illustration according to FIG. 6 shows a section of the rotor 32 of the segmented drive with a multiplicity of magnets 69.
  • the magnets (permanent magnets) 69 form a type of rotor segments.
  • T-nuts 68 are provided for installation. These T-nuts 68 are located on the inside of the rotor and adjacent to two adjacent magnets 69 at.
  • the illustration according to FIG. 7 shows a section of the segmented drive. It is shown how the stator segment 49 fits into a plurality of segments and is positioned with respect to the rotor 32 with the magnets 69.
  • the magnets 69 are located on a rotor carrier 43.
  • the stator segments 44, 48 and 49 are held on the support structure 35.
  • FIG. 8 shows the segmented direct drive 30 with rotor 32 and stator 33 in a perspective view.
  • Holding structure 35 and / or rotor carrier 43 may be configured differently depending on the use.
  • the representation according to FIG 9 shows different Dimensio ⁇ sation of the segmented drive 30th
  • a first drive 30 has a first diameter 18, and has 8 stator 39.
  • a shown including two ⁇ ter drive 30 with 15 stator segments 49 has a diameter 19. The diameter 19 is larger than the diameter 18. Depending on the number of segments is the
  • geometrically differently configured segments or geometrically identically configured segments can be used. This depends, for example, on the geometric configuration and / or on the diameters. As the diameter increases, the number of stator segments increases. The torque increases quadratically with the diameter. For example, an air gap diameter between 0.8 meters and 5 meters can be set.
  • stators 33 with different positions of the segments of the respective stator 33.
  • the 8 segments fill a circle.
  • more advanced cases b) to h) results in at least a space 70.
  • the arrangement of the segments in the cases a), c), e) and g) is symmetrical such that the sum of the magnetic ⁇ tables forces the magnets of the rotor 32 does not give a resultant radial force.
  • the arrangement of the segments in the fael ⁇ len b), d), f) and h) is such unbalanced, that a resulting radial force results from the sum of the magnetic forces of the magnets of the rotor 32nd
  • the available torque of the drive can be scaled by the number of stator segments on the circumference.
  • the torque increases linearly with the number of stator segments.
  • the representation according to FIG 11 shows different Dimensio ⁇ sation of the magnets 69. Due to a series of individual magnets 75 the active length can be influenced 77 of the magnet 69th The active length 77 can thus be increased stepwise, for example in 50mm increments. Shown is: a first active length 71 with a single magnet 75;
  • the torque increases linearly with the active length.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Azimutverstellung (50) einer Gondel (2) mit einem segmentierten Direktantrieb (30). Die Gondel befindet sich insbesondere an einem Schiff. Der segmentierte Direktantrieb (30) weist insbesondere Permanentmagnete (69) auf. Bei einem Verfahren zum Betrieb einer Azimutverstellung (50) einer Gondel (2) wird die Gondel (2) direkt mehrfach angetrieben.

Description

Beschreibung
Azimutverstellung einer Gondel Die Erfindung betrifft eine Azimutverstellung einer Gondel, wobei mittels der Gondel ein Schwimmkörper, insbesondere ein Schiff, antreibbar ist. Die Erfindung betrifft auch eine Gondel mit einer Azimutverstellung bzw. ein Schiff mit einer Azimutverstellung für eine Gondel bzw. ein Verfahren zum Be- trieb einer Azimutverstellung einer Gondel.
Die Azimutverstellung ist beispielsweise für einen, insbesondere elektrisch angetriebenen, Ruderpropeller eines Seeschiffes, der z.B. im Heckbereich an einem drehbaren Schaft unter- halb des Schiffsbodens angeordnet ist, vorgesehen. Der Ruder¬ propeller weist beispielsweise die Gondel auf.
Die Azimutverstellung ist insbesondere eine Azimutverstell¬ einrichtung, also eine Einrichtung bzw. ein System für eine azimutale Verstellung.
Die Azimutverstellung ist beispielsweise auch für einen POD eines Seeschiffes, der z.B. im Heckbereich an einem drehbaren Schaft unterhalb des Schiffsbodens angeordnet ist, vorgese- hen. Der POD weist dabei die Gondel auf. Das Seeschiff ist dabei ein Beispiel für einen Schwimmkörper. Weitere Beispiele für einen Schwimmkörper sind ein U-Boot oder eine schwimmende offshore Förderplattform oder eine offshore Struktur. Neben einem Seeschiff, wie ein Passagierschiff, eine Fähre oder ein Kreuzer sind auch weitere Schiffstypen wie ein Schlepper oder eine Barge Einsatzmöglichkeiten. Zur Verstellung bzw. Drehung der Gondel, also zur Azimutverstellung der Gondel, kann ein elektrischer Stellantrieb bzw. ein elektrischer Stellmotor oder eine Vielzahl von elektrischen Stellantrieben bzw.
elektrischen Motoren vorgesehen sein. Der elektrische Stellantrieb weist neben dem elektrischen Stellmotor auch einen Stromrichter auf. Zur Übertragung des von den Elektromotoren erzeugten Momentes auf einen Schaft an dem die Gondel befes¬ tigt ist, ist beispielsweise ein Getriebe vorgesehen.
Ruderpropeller großer Schiffe werden durch Stellmotoren be- wegt, die im Allgemeinen als Hydraulikmotoren oder als elektrische Motoren ausgebildet sind. Hydraulikmotoren haben den Nachteil, dass an den Übergangsstellen von den Hydraulikleitungen zu den Motoren Undichtigkeiten auftreten können, insbesondere bei längerer Vibrationsbeanspruchung, wie sie bei Ruderpropellern vorliegt. Die benötigte Hydraulikanlage (Pum¬ pen und Motoren) hat ein relativ hohes Gewicht und einen erheblichen Platzbedarf, sowie Wartungsaufwand.
Die Verwendung eines elektrischen Stellmotors ist bereits aus der WO 00/15495 AI bekannt. Aus der WO 89/05262 AI ist wei¬ terhin ein Ruderpropeller mit zwei Antriebsmotoren bekannt, die den Ruderpropeller über eine Scheibe mit Außenverzahnung drehen. Dabei weist der Antrieb, der in der WO 89/05262 AI gezeigt ist und der wahlweise Hydraulik- oder Elektromotore haben kann, zwei Antriebsmotoren auf.
Aus der EP 1 341 693 B2 ist eine Azimutverstellung von POD- Antrieben bekannt. Es ist ein Stellantrieb für einen, insbe¬ sondere elektrisch angetriebenen, Ruderpropeller eines See- Schiffes, der im Heckbereich an einem drehbaren Schaft unterhalb des Schiffsbodens angeordnet ist, beschrieben, wobei der Schaft über zumindest zwei elektrische Stellmotoren drehbar ist, die über Ritzel auf einen in Verbindung mit dem oberen Schaftteil stehenden Zahnkranz, vorzugsweise auf einen im In- neren des oberen Schaftteils angeordneten Zahnkranz, wirkend und dazu im Verbund Steuer- und regelbar ausgebildet sind.
Bei Mehrmotorenantrieben, die auf ein gemeinsames Getriebe arbeiten, wie z.B. Ritzel, welche in einen gemeinsamen Zahn- kränz greifen, besteht insbesondere bei geringer Belastung und bei einem Vorzeichenwechsel des Antriebsmomentes die Ge¬ fahr, dass die Zahnflanken innerhalb des Getriebes häufig hin und her schlagen. Dadurch wird die Lebensdauer der Zahnräder und damit des gesamten Getriebes herabgesetzt. Die Motoren, also die Stellmotoren, können direkt oder über einzelne vorgelagerte Getriebe an das Sammelgetriebe gekuppelt sein. Aus der DE 10 2008 024 540 AI ist eine Azimut-Propellerantriebseinrichtung für eine schwimmende Einrichtung mit einem unterhalb einer Struktur der schwimmenden Einrichtung im Wasser anzuordnenden Gehäuse, in dem zumindest eine Propellerwelle drehbar gelagert ist, mit der zumindest ein Propeller gekoppelt ist, bekannt. Es ist mindestens ein Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor zum Antrieb des zumindest einen Propellers vorgesehen. Ein hohler Schaft haltert das Gehäuse drehfest, wobei der Elektromotor außerhalb des Gehäu¬ ses angeordnet ist und mit seinem Rotor eine Antriebswelle antreibt, die mit der zumindest einen Propellerwelle gekop¬ pelt ist und die zumindest teilweise durch den hohlen Schaft verläuft. Der Elektromotor ist als ein elektrischer Ringmotor ausgebildet, der ringförmig um die Antriebswelle angeordnet ist, wobei der Rotor des Elektromotors über einen Rotorträger drehfest mit der Antriebswelle verbunden ist.
Derartige Lösungen für die Azimutverstellung einer Gondel bzw. von Propulsoren können eines oder mehrere der folgenden Probleme nach sich ziehen. Eine indirekte azimutale Verstel- lung durch Verwendung mehrerer Bauteile wie bei einem Getriebe kann aufwendig, fehleranfällig, serviceintensiv und/oder raumfordernd (hoher Platzbedarf) sein. Es kann die Notwendig¬ keit zusätzlicher Schutzmaßnahmen bestehen, welche eine Beschädigung dieser Bauteile durch z.B. eine schlagartige Be- lastung am Propulsor verhindert, wobei der Propeller zumindest ein Teil des Propulsors ist. Ist die Notwendigkeit einer Redundanz für einen Schadensfall in einer Antriebseinheit ge¬ geben, so ist diese Redundanz durch mindestens eine zusätzliche Antriebseinheit vorzusehen, was beispielsweise den Platz- bedarf und/oder das Gewicht erhöht. Voluminöse oder eine
Vielzahl von Antriebseinheiten erhöhen auch den Platzbedarf im POD-Raum durch Anordnung der notwendigen bzw. redundanten Verstellelemente. Beim Einsatz eines Getriebes erscheint die Verwendung von Öl-Betriebsstoffen notwendig. Diese verschleißen und sind zu erneuern, was ein Umweltproblem darstellen kann. Auch die Versteileinrichtungen selbst können verschleißen, sei es z.B. ein Getriebe oder ein Hydraulikmotor.
Propulsoren, also Gondelantriebe wie POD' s oder Ruderpropel¬ ler, die azimutal um 360° und darüber hinaus verstellbar sind, werden für bestimmte Schiffstypen, die eine hohe Manövrierfähigkeit besitzen müssen oder einen besonderen Komfort aufweisen sollen (z.B. Schlepper, Offshore-Versorger, Kreuzfahrtschiffe) bevorzugt eingesetzt. Dabei erfolgt die azimu¬ tale Verstellung über vorzugsweise mehrere Ritzel, die in ei¬ nen mit dem Schwenklager verbundenen Zahnrad/-kranz eingreifen. Der Antrieb eines Ritzels kann über Hydraulikmotoren, Planeten- oder andere Getriebe verbunden mit Elektromotoren erfolgen. Weiterhin sind Bauteile zum Schutz der azimutalen Verstellung bei schlagartiger Belastung am Propulsor vorgesehen, wie z.B. Überlastkupplungen zwischen Getriebe und Elektromotor oder Sicherheitsventile im Hydraulikkreislauf. Darü- ber hinaus werden Bremsen oder Feststelleinrichtungen vorgesehen, die bei Ausfall der Azimutverstellung eine Notverstel¬ lung und Festsetzen in einer gewünschten Position ermöglichen. Oft nutzen diese Einrichtungen denselben Momentenüber- tragungsweg wie die Azimutverstellung, so dass sie in be- stimmten Schadensfällen, wie z.B. Durchrutschen/Verschleiß der Überlastschutzeinrichtung, Auslösen und Klemmen des Hydrauliksicherheitsventils, unwirksam sind.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es eine Azimutverstellung ei- ner Gondel zu verbessern.
Eine Lösung der Aufgabe ergibt sich bei einer Azimutverstellung, also bei einer Azimutverstelleinrichtung, einer Gondel gemäß Anspruch 1 und nach einem Verfahren zum Betrieb einer Azimutverstellung (Azimutverstelleinrichtung) einer Gondel nach Anspruch 12. Beispielhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich nach den Ansprüchen 2 bis 11 bzw. 13 bis 16. Eine Azimutverstellung (Azimutverstelleinrichtung) einer Gondel ist mit einem segmentierten Direktantrieb ausgeführt. Durch die Segmentierung des Direktantriebes kann dieser individuell an ein Schiff bzw. einen POD oder Ruderpropeller an- gepasst werden. Die Anpassung betrifft dabei beispielsweise das Nennmoment, das Maximalmoment und/oder den Durchmesser. Durch den segmentierten Direktantrieb kann das elektromotorische Prinzip direkt im Stellglied für die Azimutverstellung der Gondel angewendet werden. Ein Azimutor (elektromotorische Azimutverstellung) kann demnach insbesondere als Segmentmotor ausgeführt werden. Bei dem Segmentmotor sind insbesondere ei¬ ne Vielzahl von Linearmotormodulen in einem Kreissegment angeordnet. Die Linearmotormodule können dabei zur Ausbildung eines Kreises gekrümmt ausgeführt sein. Fällt bei einem seg- mentierten Direktantrieb ein Segment einer Vielzahl von Segmenten aus, fällt nicht der gesamte Antrieb aus. Es reduziert sich lediglich das zur Verfügung stehende Moment. Dadurch kann bei einer entsprechenden Überdimensionierung auch nach Ausfall eines Segmentes 100% des geforderten Azimutmomentes bereitgestellt werden. Damit kann eine geforderte Redundanz hinreichend erfüllt werden.
Durch die Verwendung des Direktantriebes kann eine höhere Ef¬ fizienz erreicht werden, da beispielsweise auf den Einsatz von Getrieben, Zahnkränzen und/oder Ritzeln verzichtet werden kann .
In einer Ausgestaltung der Azimutverstelleinrichtung (auch Azimutverstellung genannt) weist der segmentierte Direktan- trieb Permanentmagnete auf. So kann eine eigenerregter Syn¬ chronmaschine in einfacher Weise realisiert werden.
In einer Ausgestaltung der Azimutverstellung ist der segmentierte Direktantrieb ein Schrittmotor. Elektromotoren können fremderregt wie auch permanenterregt sein. Der Schrittmotor ist insbesondere direkt für kleine präzise Bewegungen von me¬ chanischen Komponenten vorgesehen, sowie zum Halten in einer Position . In einer Ausgestaltung der Azimutverstellung ist der Direktantrieb fremderregt. In Alternative zur Eigenerregung kann bei der Fremderregung eine Wicklung die Permanentmagnete ersetzen und das notwendige Feld durch Bestromung erzeugt wer- den. Dies erhöht die Flexibilität.
In einer Ausgestaltung der Azimutverstellung ist der segmentierte Direktantrieb eine Synchronmaschine. Auch Linearmoto¬ ren können als Synchronmaschinen bezeichnet werden. Synchron- maschinen können robust geregelt werden.
In einer Ausgestaltung der Azimutverstellung ist der Direktantrieb ein Außenläufer. So kann der Durchmesser vergrößert werden, was der Momentenbildung zu Gute kommt.
In einer Ausgestaltung der Azimutverstellung ist der Direktantrieb ein Innenläufer. So kann eine kompakte Bauform erreicht werden. In einer Ausgestaltung der Azimutverstellung ist ein Tragkegel, ein Brunnen und/oder eine Steuergetriebeplatte im seg¬ mentierten Direktantrieb integriert.
Durch den Direktantrieb kann das elektromotorische Prinzip direkt im Stellglied angewendet werden. Dies erfolgt z.B. in¬ dem ein Bauteil des zu verstellenden Systems (z.B. Tragkegel -> Rotor, Brunnen oder entsprechende Lagerung an der Steuergetriebeplatte -> Stator) gleichzeitig ein Bauteil des Di¬ rektantriebes wird, indem an ihm entsprechende elektrische Elemente (Windungen, Magnete) angebracht werden. Dies wird z.B. dadurch realisiert, dass in einem oberen Teil des Trag¬ kegels am Umfang Permanentmagnete derart angeordnet werden, wie es üblicherweise am Rotor eines permanenterregten Elekt¬ romotors erfolgt. Durch die drehbare Lagerung des Tragkegels kann eine uneingeschränkte Drehung des Bauteils - und damit des gesamten Propulsors - um seine Hochachse erfolgen. Da¬ durch ist er geeignet, wie ein Rotor behandelt zu werden. Um das elektromotorische Prinzip zu realisieren, ist eine ström- durchflossene Wicklung notwendig, deren elektromagnetisches Feld mit dem Magnetfeld der am Tragkegel angeordneten Perma¬ nentmagnete interagiert. Diese Wicklung kann außerhalb des Tragkegels vorzugsweise im Brunnen angeordnet werden, der z.B. mit dem Schiff fest verbunden ist und einen hinreichend kleinen Spalt zum Tragkegel aufweist. Alternativ können die Magnete auch innerhalb des Tragkegels in Umfangsrichtung an¬ geordnet werden. Die Statorwicklung des Direktantriebes kann dann an einem zylindrischen Teil innerhalb des Tragkegels an- geordnet werden, der z.B. über die Steuergetriebeplatte mit dem Schiff fest verbunden ist.
In einer Ausgestaltung der Azimutverstellung weist diese eine Notversorgung (elektrische Notversorgung) auf. Die Notversor- gung stellt die Versorgung zumindest von einem Teil der Seg¬ mente des segmentierten Direktantriebes mit elektrischer Energie sicher. So kann bei Ausfall eines oder mehrerer Seg¬ mente ein Notbetrieb mit dem verbleibenden Rest der Segmente sichergestellt werden. Die Notversorgung ist beispielsweise eine redundante elektrische Energieversorgung. Werden Segmente eines Antriebes beispielsweise im Normalbetrieb durch un¬ terschiedliche elektrische Energieversorgungen gespeist und fällt beispielsweise eine davon aus, so stellt die Verblei¬ bende elektrische Energieversorgung eine Notversorgung dar.
In einer Ausgestaltung der Azimutverstellung ist der segmentierte Direktantrieb redundant ausgelegt, das bedeutet, dass alle oder ein Teil der Segmente unabhängig (voneinander) betrieben werden können und insbesondere zusätzlich eine Not- Versorgung (mit elektrischer Energie) vorgesehen ist. So kann beispielsweise ein Notbetrieb (Notverstellung) der
Azimutverstellung ermöglicht werden, da im Notbetrieb insbe¬ sondere nicht alle Segmente aktiv sein müssen. Unterschiedli¬ che Segmente können auch mit unterschiedlicher Leistung be- trieben werden und/oder unterschiedliche Segmente können eine unterschiedliche Nennleistung haben. Beispielsweise können unterschiedliche Segmente auch mit unterschiedlichen Kühlsys¬ temen gekühlt werden, was auch die Ausfallsicherheit erhöht. Durch die Verwendung des Direktantriebes können auch Schutzmaßnahmen für den Fall einer stoßartigen Belastung des
Propulsors in Azimutrichtung überflüssig oder reduziert wer¬ den, wobei dies insbesondere eine mechanische Schutzmaßnahme wie eine Bremse und/oder Überlastkupplung betrifft. Eine
Schutzmaßnahme ist beispielsweise dann nicht notwendig, wenn der Motor bei Überschreitung eines vorher definierten Momentes einfach „durchrutscht" ohne Bauteile zu beschädigen, da es keinen mechanischen Kontakt wie bei einem Getriebe gibt und elektrisch in diesem Fall vom Umrichter, bzw. von den Umrichtern, des Direktantriebes die Drehmomentensollwerte bis zu einem definierten Maximum nachgeführt werden. Sobald das äußere Moment das definierte Maximum des Motormoments wieder unterschreitet, ist die volle Steuerfähigkeit wieder vorhan- den, ohne dass irgendwelche Maßnahmen ergriffen werden müssen .
In einer Ausgestaltung der Azimutverstellung weist der segmentierte Direktantrieb eine Vielzahl von Segmenten auf, wo- bei jedem der Segmente ein Stromrichter, insbesondere ein
Wechselrichter, zugeordnet ist. Die Stromrichter der Segmente können sich einen Zwischenkreis teilen. Der Zwischenkreis wird insbesondere von einem Gleichrichter gespeist, welcher eine höhere Leistung hat als einer der Wechselrichter. Zur Erhöhung der Redundanz können zur Speisung des Zwischenkreises auch zwei oder mehr Gleichrichter vorgesehen sein. Auch zur Erhöhung der Redundanz kann der Direktantrieb zwei oder mehr Zwischenkreise aufweisen. Eine Kombination aus einer Vielzahl von Wechselrichtern, zumindest einem Zwischenkreis und zumindest einem Gleichrichter bildet einen segmentierten Direktantrieb aus. Der segmentierte Direktantrieb weist also in einer Ausgestaltung neben den Segmenten eine Vielzahl von Wechselrichtern, zumindest einen Gleichspannungszwischenkreis (Zwischenkreis) und zumindest einen Gleichrichter auf. Die Segmente weisen einen Aktivteil und einen Passivteil auf. Der Aktivteil ist insbesondere ein Teil des Stators des segmen¬ tierten Direktantriebes. Der Passivteil ist insbesondere ein Teil des Rotors des segmentierten Direktantriebes. Das Pas¬ sivteil weist beispielsweise Permanentmagnete auf.
In einer Ausgestaltung der Azimutverstellung weist diese ei- nen Momentenregler auf. Mit dem Momentenregler für den segmentierten Direktantrieb kann in einfacher Weise auf Momente reagiert werden, welche z.B. auf die Gondel wirken.
In einer Ausgestaltung der Azimutverstellung ist die Azimut- Verstellung bremsenlos. Da der Azimutor, also die
Azimutverstellung, eine Positionsvorgabe sehr schnell in ein entsprechendes Drehmoment, sowohl im Betrag als auch in der Richtung, umsetzen kann, ist eine Bremse nicht notwendig. Im Falle eines Blackouts, können ausgewählte Segmente des seg- mentierten Direktantriebes sofort notversorgt, werden. Dies gelingt z.B. mittels einer USV, einer Notschalttafel o.a. So kann sichergestellt werden, dass zu keinem Zeitpunkt unkon¬ trollierte Bewegungen der Gondel bzw. eines Propulsors mög¬ lich sind.
In einer Ausgestaltung der Azimutverstellung weist diese eine Kühlung auf. Die Kühlung betrifft insbesondere den segmen¬ tierten Direktantrieb. Mittels der Kühlung kann der Rotor, der Stator, der Wechselrichter und/oder der Gleichrichter ge- kühlt werden. Die Kühlung kann z.B. durch eine auf Schiffen befindliche Belüftung von Maschinenräumen erfolgen, oder mittels Kühlmedium, z.B. Wasser, entweder direkt oder indirekt durch ein entweder ein separates oder ein schiffseigenes Kühlsystem.
In einer Ausgestaltung der Azimutverstellung erfolgt der Direktantrieb berührungslos, wobei so keine Schutzmaßnahmen ge¬ gen zu hohe äußere Drehmomente nötigt sind. In einer Ausgestaltung der Azimutverstellung erfolgt der Direktantrieb verschleißfrei, wobei so eine höhere Effizienz erzielbar ist. In einer Ausgestaltung der Azimutverstellung werden die Segmente des Direktantriebs voneinander unabhängig betrieben.
Bei einem Verfahren zum Betrieb einer Azimutverstellung einer Gondel wird die Gondel direkt mehrfach angetrieben. Dies ge¬ lingt insbesondere bei einem segmentierten Direktantrieb, bei welchem einzelne, insbesondere voneinander unabhängige, Seg¬ mente des Direktantriebes einzeln ansteuerbar sind. Der
Azimutor (elektromotorische Azimutverstellung) kann insbeson- dere als Segmentmotor ausgeführt werden. Das hat den Vorteil, dass bei einem Fehler z.B. lediglich ein Segment ausfällt und nicht der gesamte Motor. Dadurch kann bei einer entsprechenden Überdimensionierung auch nach Ausfall eines Segmentes 100% des geforderten Azimutmomentes bereitgestellt werden. Damit kann eine z.B. bei Schiffen oft geforderte Redundanz hinreichend erfüllt werden. Zumindest durch die Segmentierung erfolgt ein mehrfaches Antreiben, also ein mehrfacher Antrieb. Weist also ein Antrieb eine Vielzahl von Segmenten auf, so kann ein Segment wie auch eine Vielzahl von Segmenten zum Antreiben (Antrieb) beitragen.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird zum Antrieb ein elektrischer Direktantrieb verwendet. Dieser weist einen Ro¬ tor und einen Stator auf. Insbesondere der Stator weist ein- zeln bestrombare, also ansteuerbare Segmente auf. Die Segmen¬ te können auch als einzelne Linearmotoren betrachtet werden. Die Segmentierung bringt Vorteile beim Bauraum, der Dimensionierung und der Betriebssicherheit. In einer Ausgestaltung des Verfahrens ist der Direktantrieb teilweise aktiv. Dabei wird ein Teil der Segmente bestromt, ist also aktiv, und ein Teil der Segmente nicht bestromt, ist also inaktiv. Dies ist beispielsweise bei einer Notverstel¬ lung vorteilhaft. Eine Notverstellung kann z.B. entweder über zusätzlich zu montierende mechanische Bauteile erfolgen, oder durch eine unabhängige Versorgung einzelner Segmente des Azimutors. Da diese Notverstellung z.B. bei Stillstand des Schiffes erfolgt, muss lediglich die Reibung im Azimutlager und dessen Dichtungen überwunden werden. Dies kann durch Nutzung einer minimalen Anzahl von Segmenten erfolgen. Eine mechanische Verblockung in der gewünschten Position kann beispielsweise durch einen Scherbolzen zusätzlich erfolgen. Auf Grund der hohen Redundanz des Azimutors, also der
Azimutverstellung mit segmentiertem Direktantrieb, wird dies insbesondere im Servicefall z.B. im Dock, notwendig sein.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt eine Kraftüber- tragung auf die Gondel zu deren azimutaler Verstellung berührungslos. Hierzu dient der Direktantrieb der einen Stator und einen Läufer aufweist, der Stator weist Primärteilsegmente (Statorsegmente) auf und der Läufer weist insbesondere Sekun¬ därteilsegmente (insbesondere Segmente mit Permanentmagnete) auf. Dabei kann es sich beim Läufer auch nur um ein Segment handeln, welches z.B. eine Vielzahl von aneinander gereihten Permanentmagneten aufweist. Zwischen Stator und Läufer (auch Rotor genannt) befindet sich ein Luftspalt. Über den Luft¬ spalt ergibt sich eine berührungslose Kraftübertragung. Durch dieses berührungslose Konzept ist es z.B. möglich keine
Sicherheitsvorrichtung zur Vermeidung von Schäden bei einer starken schlagartigen Belastung der Gondel in Umfangsrichtung vorsehen zu müssen. Auch ist durch eine vorliegende Verschleißfreiheit des Direktantriebes (es fehlt insbesondere ein Getriebe) eine hohe Betriebsstundenzahl erreichbar.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird eine Azimut¬ verstellung der obig oder im Folgenden beschriebenen Art verwendet .
Die Konstruktion mit elektromotorischer Azimutverstellung kann sich z.B. durch zumindest einen der folgenden Punkte hervorheben : keine separaten Bauteile, die über ein Ritzel oder andere mechanische oder hydraulische Verbindungen zum Rotor eine azimutale Verstellung des Propulsors ermöglichen; keine Schutzmaßnahmen notwendig, die bei schlagartiger Belastung des Propulsors in azimutaler Richtung wirksam werden (müssen) ;
geringerer Platzbedarf im POD-Raum;
geringerer Wartungsaufwand;
kein oder weniger Verschleiß;
kleinere Fehlerwahrscheinlichkeit durch geringere Anzahl von Bauteilen ( System-FMEA) und hoher Redundanz;
keine Verwendung von Öl-Betriebsstoffen und/oder
höherer Systemwirkungsgrad.
Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen beispielhaft näher erläutert, aus denen weitere Einzelheiten entnehmbar sind. Für gleichartige Elemente werden die gleichen Bezugszeichen verwendet. Im Einzelnen zeigen:
FIG 1 einen drehbaren POD;
FIG 2 einen Ruderpropeller;
FIG 3 einen segmentierten Antrieb;
FIG 4 ein erstes Segment des segmentierten Antriebs;
FIG 5 ein zweites Segment des segmentierten Antriebs;
FIG 6 einen Abschnitt eines Rotors des segmentierten An¬ triebs ;
FIG 7 einen Abschnitt des segmentierten Antriebs;
FIG 8 eine Perspektivdarstellung des segmentierten Antriebs ;
FIG 9 unterschiedliche Dimensionierungen des segmentierten Antriebs;
FIG 10 unterschiedliche Positionierungen der Segmente und
FIG 11 unterschiedliche Dimensionierungen der Magnete.
Die Darstellung nach FIG 1 zeigt einen POD 1. Der POD 1 weist eine Gondel 2 und einen Schaft 20 auf. In der Gondel 2 ist ein elektrischer Motor untergebracht. 3 bezeichnet einen ers¬ ten Propeller, der von dem Motor in der Gondel 2 angetrieben wird, und 4 einen zweiten Propeller, der ebenfalls von dem Motor in der Gondel 2 angetrieben wird. Zwischen den beiden Propellern 3 und 4 befindet sich eine vorzugsweise durchge- hende, nicht näher gezeigte Motorwelle. Im Oberteil des
Schaftes 20 befindet sich ein vorteilhaft mit einer Innenver¬ zahnung ausgebildeter Zahnkranz 5, der zusammen mit einem Ritzel 6 ein erstes Getriebe bildet und über ein weiteres Ge- triebe 7 von dem Elektromotor 8 angetrieben wird. Dargestellt sind zwei Elektromotoren 8 mit jeweils einem Ritzel 6 und ei¬ nem Getriebe 7. Die Motoren 8 weisen Umdrehungszähler und Um- drehungsrichtungszähler 9 auf, über die die Ruderlage erfass¬ bar ist. Die Motoren 8, also die Stellantriebe zur
Azimutverstellung, sind an das Bordnetz angeschlossen, das wahlweise 400V/50Hz oder 450V/60Hz aufweist. Über ein Schaltelement 15 wird ein Zwischenkreisumrichter 31 mit dem Eingangsteil (Gleichrichter) 10 und dem Ausgangsteil (Wechsel¬ richter) 11 sowie dem Zwischenkreis 12 mit Energie aus dem Mittelspannungsbordnetz versorgt. An dem Zwischenkreis 12 ist ein Bremswiderstand 13 angeordnet. Für den Fall eines Aus¬ falls des Bordnetzes ist eine unterbrechungsfreie Stromver¬ sorgung (USV) 14 vorgesehen, die mit dem Gleichstromzwischenkreis 12 verbunden ist. So ist sichergestellt, dass ein Ru- derlegen auch bei Ausfall des Bordnetzes möglich ist.
Die Darstellung nach FIG 2 zeigt einen Ruderpropeller 51. Die Figur zeigt in schematischer Darstellung einen Längsschnitt einer Azimutverstellung 50 für eine schwimmende Einrichtung wie z.B. ein Schiff oder eine Offshore-Plattform. Die Propellerantriebseinrichtung umfasst einen hohlen Schaft 20, der mittels Lager 52 an seinem unteren und oberen Ende um eine im Wesentlichen vertikale Achse 53 drehbar von einer Haltestruktur 54 der schwimmenden Einrichtung gehaltert ist. Dichtungen 56 dichten einen Zwischenraum 55 zwischen dem Schaft 20 und der Haltestruktur 54 gegen ein Eindringen von Wasser ab. Ein strömungsgünstig, gondelartig geformtes Gehäuse 57 der Gondel 2, das in seinem Inneren einen Hohlraum 58 ausbildet, ist am unteren Ende des Schaftes 20 drehfest gehaltert. In dem Ge- häuse 57 ist eine im Wesentlichen horizontal verlaufende Pro¬ pellerwelle 59 mittels Lager 60 um eine Achse 61 drehbar ge¬ lagert. Die Drehachse 53 des Schaftes 20 und die Drehachse 61 der Propellerwelle 59 stehen somit im Wesentlichen senkrecht aufeinander. Die Propellerwelle 59 ist an einem Ende 62 bis außerhalb des Gehäuses 57 geführt und weist an diesem Ende 62 einen daran befestigten Propeller 63 auf. Ein Elektromotor 16 treibt über eine Antriebswelle 21 und ein in dem Gehäuse 57 angeordnetes Kegelradgetriebe 27 aufweisen ein Kegelrad 28 und einem Tellerrad 29 die Propellerwelle 59 an. Der Elektro¬ motor 16 ist außerhalb des Schaftes 20 und des Gehäuses 57 im Inneren der schwimmenden Einrichtung angeordnet. In der schwimmenden Einrichtung befindet sich ein nicht näher darge- stellter Generator oder eine andere Stromquelle, der bzw. die den Elektromotor 16, ggf. über einen Umrichter, mit dem nötigen Strom versorgt. Die gezeigte Propellerantriebseinrichtung stellt eine um eine vertikale Achse 53 verdrehbare Azimut- Propulsionsanlage in Form eines Ruderpropellers dar. Es ist dabei möglich, dass die Propellerwelle 59 auch an ihrem zwei¬ ten Ende oder eine zusätzliche Propellerwelle, die über ein geeignetes Getriebe mit der Propellerwelle 59 oder der An¬ triebswelle 21 gekoppelt ist, bis außerhalb des Gehäuses 57 geführt ist und dort ebenfalls einen daran befestigten Pro- peller aufweist. Die beiden Propeller können sich dann in die gleiche oder auch in entgegengesetzte Richtungen drehen (d.h. kontrarotieren). Der Elektromotor 16 ist als elektrischer Ringmotor ausgebildet und weist einen ringförmig ausgebilde¬ ten Rotor 22 und einen ringförmig ausgebildeten Stator 23 auf, der den Rotor 22 ringförmig unter Bildung eines Luftspaltes umschließt. Der Rotor 22 und die Antriebswelle 21 sind um die gleiche Achse 53 wie der Schaft 20 drehbar gela¬ gert. Der Rotor 22 ist dabei ringförmig um die Antriebswelle 21 angeordnet, d.h. dass die Antriebswelle 21 entlang der Drehachse 53 des Rotors 22 und dabei sogar durch den Rotor 22 hindurch, d.h. durch die von dem Rotor 22 aufgespannte Fläche, verläuft. Der als Ringmotor ausgebildete Elektromotor 16 weist in Bezug auf die Drehachse 53 des Rotors 22 in radialer Richtung einen Durchmesser auf, der deutlich größer als die Länge des Motors in seiner axialen Längsrichtung ist. Der ringförmige Stator 23 des Motors 16 ist drehfest an dem
Schaft 20, hier einer Tragstruktur 24 (häufig auch als „Tragkegel" bezeichnet) am oberen Ende des Schaftes 20, befestigt. Der Ringmotor 16 ist hinsichtlich seines Außendurchmessers an den Außendurchmesser der Tragstruktur 24 der schwimmenden Einrichtung für die Azimut-Propellerantriebseinrichtung ange- passt und weist einen Außendurchmesser auf, der etwa gleich dem Außendurchmesser der Tragstruktur 24 ist. Der ringförmige Rotor 22 ist über einen an seiner Ringinnenseite befestigten Rotorträger 25 drehfest mit der Antriebswelle 21 verbunden. Der Rotorträger 25 trägt somit auf seiner Außenseite den Ro¬ tor 22. Der Rotorträger 25 umfasst eine Nabe 40, einen kreis- förmigen Tragkranz 41 und ein Verbindungselement 42 zur Verbindung der Nabe 40 mit dem Tragkranz 41. Die Nabe 40 ist dabei drehfest mit der Antriebswelle 21 verbunden und der Trag¬ kranz 41 trägt auf seiner Außenseite den Rotor 22. Das Verbindungselement 42 kann beispielsweise als ein Scheibenrad ausgebildet sein, das zur Gewichtseinsparung vorzugsweise mit Löchern oder Schlitzen versehen ist. Alternativ kann der Rotorträger auch ein Getriebe, z.B. ein Planetengetriebe, beinhalten. Mehrere Lager 26 dienen zur drehbaren Lagerung und horizontalen und vertikalen Fixierung der Antriebswelle 21, des Rotorträgers 25 und des Rotors 22 gegenüber dem Stator 23 und dem Schaft 20.
Das Drehen der Propellerantriebseinrichtung 1 um die vertikale Achse 53 erfolgt mit Hilfe eines elektrischen Motors 30, dieser ist als ein segmentierter Direktantrieb ausgebildet.
Der segmentierte Direktantrieb 30 weist einen ringförmig aus¬ gebildeten Rotor 32 und einen ringförmig ausgebildeten Stator 33 auf, der den Rotor 32 ringförmig unter Bildung eines Luftspaltes umschließt. Der Rotor 32 ist um die gleiche Achse 53 wie der Schaft, die Antriebswelle 21 und der Rotor 32 des
Elektromotors 16 drehbar gelagert. Der segmentierte Direktan¬ trieb kann auch derart ausgebildet sein, dass dessen Rotor den Stator ringförmig unter Bildung eines Luftspalts umschließt, was allerdings nicht dargestellt ist. Der ringför- mige Stator 33 des segmentierten Direktantriebs 30 ist drehfest an einem feststehenden Teil der Propellerantriebs¬ einrichtung 51 oder der schwimmenden Einrichtung (z.B. ein Schiff), z.B. der Haltestruktur 35, gehalten. Der ringförmige Rotor 32 des segmentierten Direktantriebs 30 ist mittels ei¬ nes an seiner Ringinnenseite befestigten Rotorträgers 43, drehfest mit dem Schaft 20, hier einem Flansch 34 am oberen Ende des Schaftes 20, verbunden.
Die Darstellung nach FIG 3 zeigt ein Beispiel für den segmentierten Antrieb 30. Der segmentierte Antrieb ist ein segmen¬ tierter Direktantrieb 30. Mit dem segmentierten Direktantrieb kann insbesondere ein Ruderpropeller oder ein POD direkt ohne Zwischenschaltung eines Getriebes verstellt werden. Der seg¬ mentierte Direktantrieb 30 weist einen Stator und einen Rotor 32 auf. Der Stator weist 9 Statorsegmente 44, 45, 46, 47, 48, 49, 76, 77 und 78 auf. Der Stator kann auch mehr oder weniger wie z.B. 6 Statorsegmente 44, 45, 46, 47, 48 und 49 aufwei- sen, was jedoch in Figur 3 nicht dargestellt ist. Jedes
Statorsegment 44, 45, 46, 47, 48, 49, 76, 77 und 78 der neun dargestellten Segmente weist eine Stromanschluss 36 auf. Dar¬ gestellt ist ein dreiphasiger Anschluss, wobei für jede Phase ein Kabel vorgesehen ist. Durch die Segmentierung ist ein Einsatz auch für große Durchmesser möglich und/oder eine Skalierung des Drehmoments über Durchmesser, Länge und/oder Anzahl der Segmente, was für eine hohe Auslegungsflexibilität sorgen kann. Bei einem segmentierten Stator und/oder Rotor ist auch eine Teilbestückung möglich. So kann der Motor auch mit einer reduzierten Anzahl von Segmenten betrieben werden. Eine Rotorkühlung ist möglich, aber nicht in allen Anwendungsfällen notwendig. Ein Segment des Stators kann auch als separate Motor-Einheit betrachtet werden. Damit erhöht sich die Verfügbarkeit des Antriebs, da bei Ausfall eines Segmen- tes einer Vielzahl von Segmenten der Betrieb des Antriebs weiter möglich ist. Durch die Segmentierung ergeben sich relativ kleine Einzelkomponenten, was zu einer einfachen Handhabung bzw. Montage beiträgt. Der segmentierte Direktantrieb, welcher als Motor fungiert, kann unempfindlich gegenüber ei- ner axialen Verschiebung aufgeführt werden, was ggf. eine prozessbedingte axiale Verschiebung des Rotors ermöglicht. Die Darstellung nach FIG 4 zeigt am Beispiel des Segments 39 eine erste Ausführungsvariante für die Statorsegmente. Es weist T-Nutsteine 64 zum Einbau auf. Für den Stromanschluss ist eine dreiphasige Anschlussleitung 37 vorgesehen. Diese dreiphasige Anschlussleitung 37 weist Leistungskabel für drei Phasen auf, sowie ein Signalkabel. Der Anschluss erfolgt über eine Steckverbindung 65 für die kombinierte Anschlussleitung 37. Zur Kühlung des Segmentes 39 kann eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen sein. Hierfür zeigt FIG 4 einen Kühlmittelan- schluss 76.
Die Darstellung nach FIG 5 zeigt am Beispiel des Segments 49 eine weitere Ausführungsvariante für die Statorsegmente. Es weist T-Nutsteine 64 zum Einbau auf. Für den dreiphasigen Stromanschluss des Segmentes sind drei einphasige Anschluss¬ leitungen 38 vorgesehen. Diese drei Anschlussleitungen 38 sind hintereinander auf einem Kreisbogenabschnitt positio¬ niert. Der Anschluss erfolgt über jeweils eine Steckverbin¬ dung 67 für die Einzelader-Leistungsleitungen, also die drei einphasigen Anschlussleitungen 38. Für ein Signalkabel ist eine Steckverbindung 66 vorgesehen. Das Signalkabel bzw. die Signalleitung kann für Temperatursensoren vorgesehen sein. Zur Kühlung des Segmentes 49 kann eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen sein. Hierfür zeigt FIG 5 einen Kühlmittelan- schluss 76. Das Statorsegment kann abhängig von der Leistung bzw. den elektrischen Strömen mit verschiedenen Leitungsverbindungen ausgestattet sein. Eine Einzelader-Leistungsleitung kann z.B. für Ströme größer 66 A vorgesehen sein. Eine kombinierte Leitung kann für Ströme kleiner gleich 66 A vorgesehen sein .
Die Darstellung nach FIG 6 zeigt einen Abschnitt des Rotors 32 des segmentierten Antriebs mit einer Vielzahl von Magneten 69. Die Magnete (Permanentmagnete) 69 bilden eine Art Rotor- Segmente. Zum Einbau sind T-Nutensteine 68 vorgesehen. Diese T-Nutensteine 68 befinden sich an der Innenseite des Rotors und grenzen an zwei benachbarte Magnete 69 an. Die Darstellung nach FIG 7 zeigt einen Abschnitt des segmentierten Antriebs. Es ist gezeigt, wie sich das Statorsegment 49 in eine Vielzahl von Segmenten einfügt und gegenüber dem Rotor 32 mit den Magneten 69 positioniert ist. Die Magnete 69 befinden sich auf einem Rotorträger 43. Die Statorsegmente 44, 48 und 49 sind auf der Haltestruktur 35 gehalten.
Die Darstellung nach FIG 8 zeigt den segmentierten Direktantrieb 30 mit Rotor 32 und Stator 33 in einer Perspektivdar- Stellung. Haltestruktur 35 und/oder Rotorträger 43 können abhängig vom Einsatz anders ausgestaltet sein.
Die Darstellung nach FIG 9 zeigt unterschiedliche Dimensio¬ nierungen des segmentierten Antriebs 30.
Ein erster Antrieb 30 weist einen ersten Durchmesser 18 auf und hat 8 Statorsegmente 39. Ein darunter dargestellter zwei¬ ter Antrieb 30 mit 15 Statorsegmenten 49 weist einen Durchmesser 19 auf. Der Durchmesser 19 ist größer wie der Durch- messer 18. Abhängig von der Anzahl der Segmente ist der
Durchmesser also stufenweise veränderbar. Für unterschiedli¬ che Durchmesser können geometrisch unterschiedlich ausgestaltete Segmente oder geometrisch gleich ausgestaltete Segmente verwendet werden. Dies hängt beispielsweise von der geometri- sehen Ausgestaltung und/oder von den Durchmessern ab. Mit größerem Durchmesser nimmt die Anzahl der Statorsegmente zu. Das Drehmoment steigt quadratisch mit dem Durchmesser. So kann beispielsweise ein Luftspaltdurchmesser zwischen 0,8 Meter und 5 Meter eingestellt werden.
Die Darstellung nach FIG 10 zeigt Statoren 33 mit unterschiedlichen Positionierungen der Segmente des jeweiligen Stators 33. Es sind folgende Statoren 33 gezeigt: a) mit n=8 Segmenten
b) mit n=7 Segmenten
c) mit n=6 Segmenten
d) mit n=5 Segmenten mit n=4 Segmenten
mit n=3 Segmenten
mit n=2 Segmenten
mit n=l Segment.
Im Fall a) füllen die 8 Segmente einen Kreis aus. In den wei¬ teren Fällen b) bis h) ergibt sich zumindest eine Leerstelle 70. Die Anordnung der Segmente in den Fällen a) , c) , e) und g) ist derart symmetrisch, dass sich aus der Summe der magne¬ tischen Kräfte der Magnete des Rotors 32 keine resultierende radiale Kraft ergibt. Die Anordnung der Segmente in den Fäl¬ len b) , d) , f) und h) ist derart unsymmetrisch, dass sich aus der Summe der magnetischen Kräfte der Magnete des Rotors 32 eine resultierende radiale Kraft ergibt.
Das verfügbare Drehmoment des Antriebs kann über die Anzahl der Statorsegmente am Umfang skaliert werden. Dabei erhöht sich das Drehmoment linear mit der Anzahl der Statorsegmente. Für eine gleichmäßige Belastung eines Lagers des Rotors sind symmetrische Anordnungen (n=8,6,4,2) vorteilhaft.
Die Darstellung nach FIG 11 zeigt unterschiedliche Dimensio¬ nierungen der Magnete 69. Durch eine Aneinanderreihung von Einzelmagneten 75 kann die aktive Länge 77 des Magneten 69 beeinflusst werden. Die aktive Länge 77 kann so schrittweise, beispielsweise in 50mm Schritten erhöht werden. Gezeigt ist: eine erste aktive Länge 71 mit einem Einzelmagnet 75;
eine zweite aktive Länge 72 mit zwei Einzelmagneten
75 und
eine dritte aktive Länge 73 mit sechs Einzelmagne¬ ten 75.
Das Drehmoment steigt linear mit der aktiven Länge.

Claims

Patentansprüche
1. Azimutverstelleinrichtung (50) einer Gondel (2) mit einem segmentierten Direktantrieb (30).
2. Azimutverstelleinrichtung (50) nach Anspruch 1, wobei der segmentierte Direktantrieb (30) Permanentmagnete (69) auf¬ weist.
3. Azimutverstelleinrichtung (50) nach Anspruch 1, wobei der Direktantrieb (30) fremderregt ist.
4. Azimutverstelleinrichtung (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Direktantrieb (30) eine Synchronmaschine ist.
5. Azimutverstelleinrichtung (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Direktantrieb (30) ein Außenläufer ist.
6. Azimutverstelleinrichtung (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Direktantrieb (30) ein Innenläufer ist.
7. Azimutverstelleinrichtung (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Tragkegel (24), ein Brunnen und/oder eine Steuergetriebeplatte im segmentierten Direktantrieb (30) in¬ tegriert ist.
8. Azimutverstelleinrichtung (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einer Notversorgung.
9. Azimutverstelleinrichtung (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einem Momentenregler.
10. Azimutverstelleinrichtung (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Azimutverstellung (50) bremsenlos ist.
11. Azimutverstelleinrichtung (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der segmentierten Direktantrieb (30) redundant ausgelegt ist, wobei insbesondere Segmente (39,49) des Di¬ rektantriebes (30) voneinander unabhängig betreibbar sind.
12. Verfahren zum Betrieb einer Azimutverstelleinrichtung (50) einer Gondel (2), wobei die Gondel (2) direkt, insbeson¬ dere mehrfach, angetrieben wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei zum Antrieb ein elektrischer Direktantrieb (30) verwendet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei der Direktantrieb (30) teilweise aktiv ist.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei eine Kraftübertragung auf die Gondel (2) zu deren azimutaler Verstellung berührungslos erfolgt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei eine Azimutverstelleinrichtung (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 verwendet wird.
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