專利名稱：帶有兩個不同功率的船用發(fā)動機的驅動裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電驅動運輸工具的驅動領域，并用于船用驅動裝置的設計結構改造，其中，涉及的船舶對于由電動機通過一根驅動軸直接驅動的螺旋槳來說基本上具有兩個工作范圍，亦即一個用于螺旋槳轉速低至30％左右額定轉速的第一工作范圍和一個用于螺旋槳轉速在30％至100％額定轉速之間的第二工作范圍。
這類公知的驅動裝置既用于驅動軍艦如潛艇，也用在水面船舶上。該驅動裝置具有一個同步電機，該同步電機帶有一個由永久磁鐵勵磁的轉子和一個多相分布的定子繞組。該定子繞組上的每條繞組相由一個自身的變流器饋電。這個由變流器饋電的多(繞組)相交流電動機直接(或必要時也可通過一個耦連器)耦連在支承螺旋槳的驅動軸上。這種電動機的轉速在整個工作范圍內可無級調節(jié)，其中，一個潛艇驅動裝置基本上在低至約30％額定轉速的低轉速范圍內用于隱蔽航行(無聲航行)，而在50％至100％額定轉速之間的高轉速范圍用于高速航行。在低轉速范圍內的運行是主要的運行模式。參見1987年出版的雜志“造船工程公司年鑒81”(Jahrbuch der schiffbautechnischenGesellschaft 81)第221至227頁和第229至234頁，電動機的驅動電能取自一個電能存儲器(蓄電池)和/或一個電能發(fā)生器，例如一個柴油機發(fā)電機組或一個燃料電池設備。為了優(yōu)化這種驅動裝置的效率，多(繞組)相定子繞組的各個繞組部分相互串聯(lián)或并聯(lián)；這可能會導致這種驅動裝置當其轉速下降到最低許可持續(xù)轉速時的總效率比傳統(tǒng)的驅動裝置高一些。只是在低轉速時的效率優(yōu)化沒有在高轉速時的效率優(yōu)化顯得那么重要。
對于例如大型集裝箱運輸船舶這類水面船舶來說，為一個大功率柴油機配備一個小功率電動機的這種驅動裝置本身早已是公知技術。這兩種發(fā)動機前后耦連在螺旋槳的驅動軸上。這種稱為“助推驅動器(Booster-Antrieb)”的額定功率在2至15MW的電動機配置給柴油機作為對其的支持，其額定功率至少應為柴油機額定功率的10％，以便在特殊的航行情況下，例如在起航階段，在中航速范圍內的加速階段以及在全負荷階段，消減柴油機在這些運行階段中的特性缺點。(參見西門子公司的產品手冊“電動助推驅動裝置(Electrical Booster Drives)第1至9頁；美國專利US4417878A，德國專利申請DE 4432483 A1)本發(fā)明所要解決的技術問題在于，對權利要求1前序部分所述驅動裝置作進一步改進，使之首先在低轉速范圍內可獲得更好的效率。
上述技術問題按照本發(fā)明是這樣來解決的，即，在驅動軸上設置第二個同樣由變流器饋電的多(繞組)相交流電動機，并且這兩個電動機的額定功率比例大于或等于20∶1。
在本發(fā)明的驅動裝置中考慮到，對于低至30％左右額定轉速的低轉速范圍只需要低于1/20最大驅動功率的驅動功率。與此相應，對于這一轉速范圍要設置一個與之適合的較低功率的驅動電機，它必須滿足上述類型的軍艦在慢速航行時所有在機械、電以及聲方面的特性邊緣條件。大功率驅動電機則設計用于高速航行。在高速航行中不再提出低速航行時所需滿足的極端的固體聲波要求(Koerperschallforderung)。因此，只需使低功率驅動電機滿足就其提出的較高的聲學和電學方面的要求，而大功率驅動電機可以只滿足較低的要求。通過對低功率驅動電機的優(yōu)化設計，可改善在低功率范圍內的總效率。而對于高速航行的功率要求越大，亦即當兩種驅動電機的功率比例大于50∶1，例如為8MW/150kW時，上述優(yōu)點就越明顯。
尤其可考慮采用一個帶有永久磁鐵勵磁的轉子的同步電機作為較低功率的驅動電動機。但也可采用一個無電刷的直流勵磁的凸極電機。由于較大功率的驅動電機所要滿足的要求比低功率電動機更小，因此它也可設計為異步電動機。一個帶有直流勵磁的隱極轉子或凸極轉子的同步電機可滿足更高的要求，而一個帶有永久磁鐵勵磁的轉子的同步電機可滿足最高的要求。
在本發(fā)明的驅動裝置中，當兩個驅動電動機的軸通過法蘭盤相互剛性連接時，兩個驅動電機可構成一個結構緊湊、可廉價制造和安裝的結構單元。相宜地，這兩個驅動電機的兩個轉子可共同支承在兩個位于轉子兩側的軸承中。當僅僅對于較低功率的驅動電機進行水冷卻，而對于較大功率的驅動電機采取風冷時，可進一步降低成本。當兩個驅動電動機中的每一個都各自配備有一個大功率電子調節(jié)單元(Leistungselektronikeinheit)時，也可獲得成本優(yōu)勢。
這種新型驅動裝置的兩種實施方式在

圖1和2中被簡略示出，附圖中
圖1示出驅動裝置的一種實施方式，其中，較小功率的驅動電機的轉子懸臂地耦連在較大功率的驅動電機的轉子軸上；圖2示出驅動裝置的另一種實施方式，其中，兩個驅動電機的轉子共同支承在兩個軸承之間。
圖1示出一個驅動裝置，其中，較大功率的第一驅動電機10和較低功率的第二驅動電機20相互緊鄰地設置。這兩個驅動電機的兩個定子外殼11和21為此相互聯(lián)結在一起。另外，在驅動電機10的軸13上支承著轉子12，在驅動電機20的軸23上支承著轉子22，這兩根軸13和23借助聯(lián)結法蘭14和24法蘭連接。較小功率的驅動電機20配備有一個與電機同心設置的殼體1，該殼體構成一個環(huán)形空腔2。在此空腔內可設置大功率電子調節(jié)單元以及冷卻泵和其它為驅動電機20運行所需的裝置。
驅動電機10和20都可以設計為由變流器饋電的多(繞組)相交流電動機，其中，較小功率的驅動電機20是一個帶有永久磁鐵勵磁的轉子的同步電機，而較大功率的驅動電機10是一個異步電機。驅動電機10在大約45至150min-1轉速范圍內的額定功率例如可為4MW。而驅動電機20在0至46min-1轉速范圍內的額定功率例如約為150kW。
用于驅動電機10的大功率電子調節(jié)單元明顯要比驅動電機20的電子調節(jié)單元占據更大的空間，因此相宜地可安裝在一個位于電動機10一旁的單獨的開關設備中。
圖2所示驅動裝置基本上具有與圖1所示驅動裝置相同的結構。一個明顯不同之處在于兩個軸承16和26的布置。與圖1中所示的一驅動電機20的轉子22借助聯(lián)結法蘭14和24懸臂地支承的這一實施方式不同，圖2中的兩個驅動電機的轉子的軸17和27相互匹配，構成一個共同的軸件，該軸件在兩個轉子的兩側共同支承在兩個軸承16和26中。
在圖2所示的實施方式中，大功率電子調節(jié)單元以及冷卻泵和其它一些諸如轉速監(jiān)控計算機這類電子單元安裝在一個置于較小功率驅動電機上的殼體28中，而基本上由一個風扇和一個空氣/水-循環(huán)冷卻器組成的冷卻裝置18則安設在較大功率的驅動電機上。
對較小功率的驅動電機的定子采取水冷，為此在圖2中示意性地示出相應的冷卻水管接頭29。對較小功率的驅動電機的轉子仍采用風扇30進行風冷，該風扇支持對定子的繞組頭進行冷卻。
權利要求
1.一種船舶用驅動裝置，該船舶對于由電動機經一根驅動軸直接驅動的螺旋槳來說基本上具有兩個工作范圍，亦即一個用于螺旋槳轉速低至30％左右額定轉速的第一工作范圍和一個用于螺旋槳轉速在30％至100％額定轉速之間的第二工作范圍，其中，設有一個由變流器饋電的多相交流電動機作為驅動電機(10)，其特征在于，在驅動軸(13，23)上設置第二個同樣由變流器饋電的多相交流電動機(20)，并且這兩個電動機(10，20)的額定功率比例大于或等于20∶1。
2.如權利要求1所述的驅動裝置，其特征在于，所述較小功率的驅動電機(20)是一個直流勵磁的凸極電機。
3.如權利要求1所述的驅動裝置，其特征在于，所述較小功率的驅動電機(20)具有一個永久磁鐵勵磁的轉子。
4.如權利要求1至3中任一項所述的驅動裝置，其特征在于，所述較大功率的驅動電機(10)是一個異步電機。
5.如權利要求1至3中任一項所述的驅動裝置，其特征在于，所述較大功率的驅動電機(10)是一個帶有永久磁鐵勵磁的轉子的同步電機。
6.如權利要求1至3中任一項所述的驅動裝置，其特征在于，所述較大功率的驅動電機(10)是一個帶有直流勵磁的隱極轉子或凸極轉子的同步電機。
7.如權利要求1至6中任一項所述的驅動裝置，其特征在于，所述兩個驅動電機的功率比例大于50∶1。
8.如權利要求1至7中任一項所述的驅動裝置，其特征在于，所述兩個驅動電機(10，20)的軸(13，23)通過法蘭盤(14，24)相互剛性連接。
9.如權利要求1至8中任一項所述的驅動裝置，其特征在于，所述兩個驅動電機的兩個轉子(12，22)共同支承在兩個位于轉子兩側的軸承(16，26)中。
10.如權利要求1至9中任一項所述的驅動裝置，其特征在于，所述較小功率的驅動電機(20)包含一個水冷卻器(29)，該水冷器由船舶的淡水冷卻循環(huán)回路提供用水，較大功率的驅動電機(10)則配備有一個風冷裝置(18)。
11.如權利要求1至10中任一項所述的驅動裝置，其特征在于，所述兩個驅動電機(10，20)中的每一個都各自配備有一個大功率電子調節(jié)單元。
12.如權利要求11所述的驅動裝置，其特征在于，所述較小功率的驅動電機(20)的大功率電子調節(jié)單元安裝在該驅動電機的殼體(1，28)中。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于就對其螺旋槳有兩個不同工作范圍的船舶用驅動裝置的能量平衡進行優(yōu)化。按照本發(fā)明，在驅動軸上安裝兩個由變流器饋電的多(繞組)相交流電動機(10，20)，它們的額定功率比例至少為20∶1。相宜地，這兩個驅動電機(10，20)的轉子(12，22)共同支承在位于轉手兩側的兩個軸承(16，26)中。
文檔編號H02K16/00GK1402679SQ00816504
公開日2003年3月12日 申請日期2000年10月20日 優(yōu)先權日1999年11月30日
發(fā)明者彼得·溫格勒, 克里斯琴·邁耶, 英戈·舒林 申請人:西門子公司