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Dokumentenidentifikation DE102004023481A1 16.12.2004
Titel Elektrisches Antriebssystem und elektrische Maschine
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Frank, Michael, Dr., 91080 Uttenreuth, DE;
Frauenhofer, Joachim, 90482 Nürnberg, DE
DE-Anmeldedatum 12.05.2004
DE-Aktenzeichen 102004023481
Offenlegungstag 16.12.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.12.2004
IPC-Hauptklasse H02K 55/00
IPC-Nebenklasse H02K 7/14   H02K 7/18   
Zusammenfassung Elektrisches Antriebssystem für Propeller- und Jetantriebe in schwimmenden Geräten mit wenigstens einem Antriebsmotor, umfassend einen Aktivteil mit einem Läufer mit einer rotierenden Hochtemperatur-Supraleiter-Feldwicklung und einem Stator, wobei der Läufer (2) mehrpolig ausgebildet ist und das Aspektverhältnis der Länge des Aktivteils zum Außendurchmesser des Stators (4) größer als 2 ist. Daneben wird eine elektrische Maschine, vorzugsweise ein Generator, mit einem Läufer mit einer mehrpoligen rotierenden Hochtemperatur-Supraleiter-Feldwicklung und einem Stator beschrieben, wobei jedem Pol (20-23) eine separate Stromversorgung (24-27) zugeordnet ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem für Propeller- und Jetantriebe in schwimmenden Geräten mit wenigstens einem Antriebsmotor, umfassend einen Aktivteil mit einem Läufer mit einer rotierenden Hochtemperatur-Supraleiter-Feldwicklung und einem Stator.

Daneben betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einem Läufer mit einer mehrpoligen rotierenden Hochtemperatur-Supraleiter-Feldwicklung und einem Stator.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, herkömmliche elektrische Maschinen wie Motoren oder Generatoren in Supraleitertechnik auszuführen, um den Wirkungsgrad dieser Maschinen zu verbessern und platzsparende Antriebe zu schaffen. Entsprechende Labormaschinen wurden auch in den USA und Deutschland entwickelt. Ein Einsatz als Antrieb für ein schwimmendes Gerät, z.B. für eine Marinefregatte, ist jedoch bisher nicht erfolgt, da man davon ausgeht, dass die hohen Anforderungen, die an Antriebe für Marineschiffe gestellt werden, derzeit von elektrischen Maschinen in Supraleitertechnik nicht erfüllt werden können.

Ein elektrisches Antriebssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der WO 03/019759 A2 bekannt. Dort wird eine elektrische Maschine wie ein Motor oder ein Generator in Hochtemperatur-Supraleitertechnik beschrieben. Diese Maschine umfasst einen Rotor mit Hochtemperatur-Supraleitern, einen Rotorkryostaten, eine Rotorwelle und eine Kryoverbindung mit einem Kryoleiter zwischen dem Kryostaten und einem Kälteerzeuger sowie einen Statur in nicht supraleitender Technik.

Zum Stand der Technik gehören ebenfalls Überwasserschiffe wie Fregatten, die in vielen Marinen als Standard-Überwasserschiffe eingesetzt werden. Überwasserschiffe für den Marineeinsatz mit guten Seeeigenschaften zeichnen sich durch hohe Geschwindigkeit und gute Manövrierfähigkeit aus. Eine hohe Dauermarschgeschwindigkeit ist notwendig, um eine große Beweglichkeit über weite Seeräume zu ermöglichen. Eine große Höchstgeschwindigkeit und eine hohe Beweglichkeit werden nur für eine kurze Zeit gefordert. Die Dauermarschgeschwindigkeit liegt in dem Bereich von 20 Knoten, die Höchstgeschwindigkeit soll typischerweise über 30 Knoten betragen.

Eine weitere wichtige Eigenschaft ist die Seeausdauer, die sowohl von dem Vorrat an Kraftstoff sowie Wasser und Proviant als auch von der Betriebssicherheit der Anlagen und der Einsatzfähigkeit der Besatzung abhängt. Heutzutage ist die hohe Dauergeschwindigkeit bei Seegang verbunden mit gutem Seeverhalten eine wichtige Forderung zur Überbrückung weiter Seeräume. Die Schiffe müssen weltweit einsatzbereit sein.

Die Systeme und Komponenten der Fahr- und Bordnetze müssen zur Verbesserung der Seeeigenschaften eine hohe funktionelle Verfügbarkeit bieten. Die Konzeption muss so aufgebaut sein, dass im Falle eines Schadens die Beschädigung der Komponenten und deren Vernetzung durch entsprechende Sensorik erkannt und geschädigte Systeme vom Fahr- und Bordnetz getrennt werden, so dass das intakte Netz möglichst unterbrechungsfrei weiterarbeiten kann.

Herkömmliche Antriebe wie Permanentmagnetmaschinen und konventionelle Asynchron- und Synchronmaschinen können diese Anforderungen nicht erfüllen. Zudem weisen sie ein ungünstiges Aspektverhältnis auf, das heißt das Verhältnis des Durchmessers zur Länge ist für ein schwimmendes Gerät wie ein Marineschiff ungünstig. Auch die hohen Massen herkömmlicher elektrischer Maschinen haben einen Einsatz dieser Antriebe bei schwimmenden Geräten bisher verhindert.

Der Propellerantrieb von Überwasserschiffen besteht üblicherweise aus zwei Propellerschrauben. Im Inneren des Schiffes sind Dieselmotoren und/oder Gasturbinen angeordnet, die ihre mechanische Energie über Wellenanlagen und/oder Getriebe an die Propellerschrauben übertragen.

An Marineantriebe werden besonders strenge Anforderungen gestellt, nämlich eine schnelle Startbereitschaft, hohe Kurzhöchstleistungen bei Überlast, ein geringes Gewicht, gute Wartungsmöglichkeiten und günstige Ein- und Ausbaumöglichkeiten, geringer Betriebsstoffverbrauch und hohe Betriebssicherheit.

Der Dieselmotor ist wegen seiner relativ schnellen Betriebsbereitschaft, seiner raum- und personalsparenden Bau- und Betriebsart sowie wegen seines geringen spezifischen Kraftstoffverbrauchs ein idealer Antrieb für kleinere Marineschiffe. In den vergangenen Jahrzehnten ist der Dieselmotor bevorzugt bei Überwasserschiffen eingesetzt worden, ebenso bei U-Booten. Ein gewisser technologischer Endstand ist mit dem hoch aufgeladenen schnell laufenden Viertaktdieselmotor erreicht worden. Herkömmliche Marineschiffe wie Fregatten besitzen Dieselmotoren für die Marschfahrt, die mit navalisierten Gasturbinen für die Höchstfahrt kombiniert werden. Dabei werden die mittleren und hohen Drehzahlen der Antriebe über Getriebe an die Wellendrehzahl der Propeller angepasst.

Das elektrische Bordnetz von derzeit eingesetzten Marineschiffen wie Fregatten besteht aus den folgenden Komponenten und Systemen: elektrische Energieerzeugung, elektrische Energieverteilung und elektrische Energieverbraucher. Seit einiger Zeit wird die Realisierbarkeit von voll elektrischen Marineüberwasserschiffen untersucht. Das sogenannte voll elektrische Schiff (VES) beinhaltet den Einsatz von wirtschaftlichen elektrischen Energieerzeugern für den Antrieb des Schiffes durch elektrische Maschinen für das Fahrnetz und für die Versorgung des Bordnetzes. Kleinere Versuchsträger sind bereits seit einigen Jahren in Betrieb, bei denen die elektrischen Fahr- und Bordnetze in Niederspannung ausgeführt sind. Als elektrischer Energieerzeuger kommen die folgenden Technologien in Betracht: Brennstoffzellentechnik, Gasturbinen-Generator-Segmente, Dieselmotor-Generator-Segmente.

Der Leistungsbedarf der elektrischen Energieerzeugungsaggregate für derartige Marineschiffe wie Fregatten liegt im Bereich von 20–50 MW, je nach den Anforderungen an das Bordnetz und die Geschwindigkeit des Schiffes. Bei diesen hohen elektrischen Leistungen ist eine Verteilung der elektrischen Energie mit einem Mittelspannungssystem sinnvoll. Denkbar sind jedoch auch DC-Verteilungsnetze, da die Brennstoffzellentechnik von Haus aus eine Gleichspannung liefert. Die Bordnetzspannungen für Marineüberwasserschiffe liegen somit im Niederspannungs- und im Mittelspannungsbereich. Die Bordnetzfrequenz kann 60 Hz oder 50 Hz betragen.

Für die Niederspannung kommen 3 AC 400 V, 450 V, 690 V in Frage. Für die Mittelspannung kommen 3 AC 3 kV, 3,3 kV, 4,16 kV, 6 kV, 6,6 kV, 10 kV, 11 kV, 15 kV in Frage. Die Toleranz im Dauerbetrieb kann +10% bis –15% betragen, kurzzeitig (2 Sekunden) ±20%. Die Toleranz für die Bordnetzfrequenz kann ±5% im Dauerbetrieb oder ±15% (1,5 Sekunden) im Kurzzeitbetrieb betragen. Für das DC-Verteilungsnetz kommt eine Spannung von 1500 V oder höher in Frage.

Bei herkömmlichen elektrischen Antrieben mit supraleitenden Feldwicklungen besteht jedoch noch ein weiteres Problem. Bei Synchronmaschinen wird die Läuferwicklung über eine Erregereinrichtung mit Strom versorgt. Dabei muss sichergestellt sein, dass in allen Polen die gleichen magnetischen Verhältnisse herrschen, da die Maschine ansonsten magnetisch "unrund" läuft und störende Magnetgeräusche entstehen. Dieses ist bei Maschinen mit supraleitender Läuferwicklung besonders wichtig, da bei diesen durch die hohen B-Felder gegebenenfalls große Unsymmetrien entstehen können. Bei der Fertigung der Pole werden diese aus einzelnen Rennbahnspulen hergestellt. Die Maßtoleranzen der HTS-Bandleiter können trotz aller aufgewendeten Sorgfalt bei der Fertigung zu unterschiedlichen Spulenpositionen innerhalb eines Poles führen. Bei einer Parallelschaltung der Pole können sich zudem durch Stromunsymmetrien in den n Polen Verzerrungen in den magnetischen Verhältnissen der einzelnen Pole einstellen. Bei bisher gebauten Maschinen wurden die Pole in Serie geschaltet, so dass sie von dem gleichen Strom durchflossen werden. Auf diese Weise werden Stromunsymmetrien vermieden. Diese Probleme haben den Einsatz von supraleitenden elektrischen Antrieben in der Praxis erschwert.

Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, eine elektrische Maschine mit einer supraleitenden Feldwicklung zu schaffen, deren Einsatzbereich erweitert ist.

Zur Lösung dieses Problems ist bei einem elektrischen Antriebssystem der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Läufer mehrpolig ausgebildet ist und das Aspektverhältnis der Länge des Aktivteils zum Außendurchmesser des Stators größer als 2 ist.

Das erfindungsgemäße elektrische Antriebssystem zeichnet sich durch ein hohes Aspektverhältnis aus, das heißt die Länge des Aktivteils des Motors ist groß im Vergleich zum Außendurchmesser des Stators. Die Länge beträgt mindestens das Doppelte des Außendurchmessers. Vorzugsweise weist der Läufer einen besonders geringen Durchmesser auf, der die Integration des Antriebssystems in eine Gondel erleichtert. Besonders bevorzugt werden Aspektverhältnisse zwischen 4 und 6. Derart ausgebildete Aktivteile, die aus einem Läufer mit einer rotierenden Hochtemperatur-Supraleiter-Feldwicklung bestehen, ergeben zusammen mit dem Stator eine besonders schlanke Bauform.

Besonders bevorzugt werden solche elektrische Antriebssysteme, bei denen die Masse des Aktivteils im Vergleich zu herkömmlichen Motoren um wenigstens 30% reduziert ist. Derartige Antriebe sind besonders gut für die Integration in einen Pod-Antrieb (Gondelantrieb) geeignet.

Das elektrische Antriebssystem kann für eine Drehzahl kleiner 1000 U/min, vorzugsweise kleiner gleich 600 U/min ausgelegt sein. Über ein Getriebe kann die Motordrehzahl auf die gewünschte Propellerdrehzahl reduziert werden.

Das elektrische Antriebssystem kann so ausgelegt sein, dass die Anzahl der Pole mit Hochtemperatur-Supraleiter-Feldwicklung einem der folgenden Werte entspricht: 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16. Dabei werden Antriebe mit 4 oder 6 Polen bevorzugt.

Im Hinblick auf den angestrebten kleinen Bauraum ist es vorteilhaft, wenn die Pole auf dem Polkern axial segmentiert sind.

Das elektrische Antriebssystem kann ein Mittel zum kryogenen Kühlen der Hochtemperatur-Supraleiter-Feldwicklung aufweisen, durch das jeder Pol der HTS-Feldwicklung einzeln oder mehrere Pole segmentiert oder alle Pole gemeinsam gekühlt werden.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass jedem Pol eine separate Stromversorgung zugeordnet ist. Eine derartige Anordnung weist den Vorteil auf, dass der magnetische Fluss in jedem Pol getrennt über die separate Stromversorgung einstellbar ist. Bei herkömmlichen Maschinen ist es in der Praxis schwierig, sicherzustellen, dass in allen Polen die gleichen magnetischen Verhältnisse herrschen, da ansonsten störende Magnetgeräusche entstehen. Indem der magnetische Fluss in den Polen getrennt eingestellt werden kann, kann eine optimale Laufruhe erreicht werden.

Das erfindungsgemäße elektrische Antriebssystem kann auch so beschaffen sein, dass die akustische Signatur durch die Einstellung des magnetischen Flusses veränderbar ist. Dies ist besonders vorteilhaft bei Marineanwendungen, bei denen die akustische Signatur einer Maschine zu einer unerwünschten Identifikation führen könnte.

Da jeder Pol an eine separate Stromversorgung angeschlossen ist, ergeben sich Vereinfachungen bei der Fertigung. Im Fall einer Unterbrechung der Stromzufuhr zu einem Leiter kann zumindest ein Notbetrieb des elektrischen Antriebssystems sichergestellt werden.

Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird auch gelöst durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 11.

Erfindungsgemäß ist jedem Pol eine separate Stromversorgung zugeordnet. Der Begriff "elektrische Maschine" umfasst sowohl Generatoren als auch Motoren. Es besteht daher keine Beschränkung auf Propeller- oder Jetantriebe, vielmehr kann dieses Prinzip bei jeglichen Maschinen mit supraleitender Erregerwicklung eingesetzt werden. Die erfindungsgemäße elektrische Maschine weist den Vorteil auf, dass der magnetische Fluss in jedem Pol getrennt über die separate Stromversorgung einstellbar ist. Bei herkömmlichen Maschinen ist es in der Praxis schwierig, sicherzustellen, dass in allen Polen die gleichen magnetischen Verhältnisse herrschen, da ansonsten störende Magnetgeräusche entstehen. Indem der magnetische Fluss in den Polen getrennt eingestellt werden kann, kann eine optimale Laufruhe erreicht werden.

Die elektrische Maschine kann auch so beschaffen sein, dass die akustische Signatur durch die Einstellung des magnetischen Flusses veränderbar ist. Da jeder Pol an eine separate Stromversorgung angeschlossen ist, ergeben sich Vereinfachungen bei der Fertigung. Im Fall einer Unterbrechung der Stromzufuhr zu einem Leiter kann zumindest ein Notbetrieb der elektrischen Maschine sichergestellt werden.

Das Prinzip, dass jeder Pol eine separate Stromversorgung erhält und der magnetische Fluss durch die Stromversorgung für jeden Pol getrennt geregelt werden kann, ist darüber hinaus auch für Generatoren anwendbar.

Die Erfindung eignet sich besonders für höherpolige Generatoren, die beispielsweise als Wasserkraftgenerator, Windkraftgenerator oder bei einem langsam laufenden Dieselmotor eingesetzt werden. Die Polzahl der Maschine kann ein geradzahliger Wert zwischen 2 und 128 sein, insbesondere kann die Polzahl einem der folgenden Werte entsprechen: 2, 4, 6, 24, 48, 128.

Für derartige Generatoren wird eine sehr hohe Menge an HTS-Material in den Polen verwickelt, das jedoch bei der Herstellung Qualitätsschwankungen unterliegt. Verschiedene Spulen gleicher Windungszahl weisen daher bei gleichem Erregerstrom einen unterschiedlichen magnetischen Fluss auf, was zu einer Verschlechterung der Qualität der erzeugten Spannung führt. Mit der erfindungsgemäß vorgesehenen Regelung des Erregerstroms jedes einzelnen Poles oder Polpaares kann der magnetische Fluss homogenisiert werden.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Die Figuren sind schematische Darstellungen und zeigen:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem das elektrische Antriebssystem in einer Gondel angeordnet ist;

2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der elektrische Antrieb einen Waterjet antreibt; und

3 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem jeder Pol des elektrischen Antriebssystems oder einer elektrischen Maschine mit einer separaten Stromversorgung versehen ist.

Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das elektrische Antriebssystem in einer Gondel angeordnet.

Eine derartige Anordnung wird auch als Pod-Antrieb bezeichnet. Eines der Ziele ist dabei die Gewichtsminimierung. Die Gondel (Pod), die im Wesentlichen aus dem Hochtemperatur-Supraleiter-Motor (HTS-Motor), dem Gondelgehäuse mit Gleitlagern und Drucklager, dem Propeller mit Welle, dem Pod-Schaft und der Pod-Aufhängung mit Azimut-Modul besteht. Das Aktivteil des Motors, der aus dem Läufer und dem Ständer (Stator) ohne Welle besteht wird durch die HTS-Technologie um wenigstens 30% reduziert.

Die Anordnung ist so ausgelegt, dass der hydrodynamische Propellerwirkungsgrad wenigstens 60% beträgt. Das Verhältnis des Gondeldurchmessers zum Propellerdurchmesser ist ein wichtiges Kriterium für den Pod-Antrieb und liegt zwischen 0,3 und 0,33. Die Länge der Gondel wird möglichst kurz gewählt.

Der geschätzte Wirkungsgrad der Maschine bei Volllast beträgt ca. 97,5% einschließlich des notwendigen Kryokühlers. Für den Aktivteil wird eine Polpaarzahl von 3 gewählt. Dadurch wird eine optimale Gestaltung des Gesamtantriebs mit Umrichter erzielt, die im Hinblick auf die Drehmomenterzeugung und -pulsation und die Belastung durch Harmonische optimiert ist. Auch im Hinblick auf die konstruktiv möglichen Radien der HTS-Polwicklung, die auf dem Polkernradius untergebracht werden muss, ist eine Polpaarzahl von 3 zweckmäßig.

Der Umrichter muss motorischen und generatorischen Betrieb zulassen, um bei Bremsvorgängen Energie aus dem Pod-Antrieb herausnehmen zu können.

Der in 1 dargestellte HTS-Motor besteht im Wesentlichen aus den folgenden Komponenten: die Hochtemperatur-Supraleiter-Wicklung 1 ist Teil des Läufers 2, der von einem Läuferkryostaten 3 umgeben ist. Der Läufer 2 ist von dem Ständer (Stator) 4 umgeben, dazwischen befindet sich ein Luftspalt. Das Eisenjoch 5 ist ebenfalls Bestandteil des Ständers 4.

Der HTS-Motor ist über eine Kryo-Heatpipe 6 und einen Kaltkopf 7 an einen Kompressor 8 mit Kühler angeschlossen. Die Stromversorgung des HTS-Motors erfolgt über elektrische Leitungen 9. Über eine Propellerwelle 10 ist ein Propeller 11 an den in einer Gondel 12 untergebrachten HTS-Motor angeschlossen.

Zwischen dem rotierenden Kaltteil und dem bei warmer Umgebungstemperatur angetriebenen Propeller ist ein Drehmomentübertragungselement als konstruktives Bauelement angeordnet, das aus Kunststoff, verstärkt mit Kohle- und/oder Glasfasern, besteht. Das Bauelement besitzt eine niedrige Wärmeleitfähigkeit von < 1 W/(mK). Auf der Antriebsseite ist eine elastische Kupplung eingesetzt.

2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem der elektrische Antrieb einen Waterjet antreibt.

Der Antrieb des Waterjets erfolgt über eine HTS-Synchronmaschine. Im Vergleich zu dem zuvor beschriebenen Pod-Antrieb sind andere Randbedingungen zu beachten. Der Antriebsmotor wird im Schiffszwischenboden installiert. Dementsprechend ist ein geringer Durchmesser des Aktivteils des Antriebsmotors anzustreben. Ferner sollte der elektrische Wirkungsgrad hoch sein.

Der in 2 dargestellte Waterjet-Antrieb besteht im Wesentlichen aus dem schematisch dargestellten HTS-Motor 13, der innerhalb des Schiffsrumpfes 14 angeordnet und über eine Welle 15 mit dem Waterjet 16 verbunden ist. An der Durchführung der Welle 15 durch den Schiffsrumpf 14 befindet sich ein Stevenrohr 17.

Im Vergleich dazu ist in 2 ferner ein konventioneller Motor 18 als Direktantrieb sowie ein konventioneller Motor 19 mit Getriebe gestrichelt dargestellt.

Es ist erkennbar, dass wegen des geringen Bauraums des HTS-Motors die Welle 15 für den Waterjet im Vergleich zu herkömmlichen Motoren beträchtlich reduziert werden kann. Die Länge der Welle hängt einerseits von der Neigung gegenüber dem Schiffsrumpf, andererseits auch von der Bauhöhe des Antriebsmotors ab. Durch die Reduzierung der Wellenlänge wird eine Verringerung des kritischen Trefferbereichs erzielt.

In diesem Ausführungsbeispiel ist die HTS-Maschine eine vierpolige (zwei Polpaare) Ausführung. Bei der Festlegung der Polpaarzahl ist die optimale Gestaltung des Gesamtantriebes mit Umrichter zu berücksichtigen, der im Hinblick auf die Drehmomenterzeugung und die -pulsation sowie die Belastung durch Harmonische optimiert ist. Außerdem sind die konstruktiv realisierbaren Radien der HTS-Polwicklung zu berücksichtigen.

3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem vier Teilspulen bzw. Pole 2023 einer rotierenden Hochtemperatur-Supraleiter-Feldwicklung eines elektrischen Antriebssystems oder einer elektrischen Maschine jeweils mit einer separaten Stromversorgung 2427 versehen sind. Über die getrennten Stromversorgungen kann der magnetische Fluss in den Polen 2023 getrennt eingestellt werden, so dass eine optimale Laufruhe erreicht wird.

Durch diese Einstellungsmöglichkeit kann die akustische Signatur des elektrischen Antriebssystems oder der Maschine verstellt werden. Diese Verstellmöglichkeit ist besonders vorteilhaft bei Anwendungen bei einem schwimmenden Gerät, da die akustische Signatur ansonsten zu einer unerwünschten Identifikation führen kann.

Die Anwendung ist jedoch nicht auf Propeller- oder Jetantriebe beschränkt bzw. ein schwimmendes Gerät beschränkt, vielmehr eignet sie sich für sämtliche Maschinen mit supraleitender Erregerwicklung. Die elektrische Maschine kann auch als Generator ausgebildet sein, insbesondere als Windkraftgenerator, Wasserkraftgenerator oder als Generator für einen langsam laufenden Dieselmotor. Die Fertigung vereinfacht sich dabei erheblich, da Fertigungstoleranzen durch die Einstellmöglichkeit ausgeglichen werden können.

Falls bei der in 3 dargestellten Schaltung an einer Stelle eine Unterbrechung auftritt, kann zumindest ein Notbetrieb der Maschine mit den übrigen Spulen durchgeführt werden. Bei der herkömmlichen Serienschaltung ist hingegen der komplette Läufer stromlos. Durch die separate Stromversorgung der einzelnen Pole wird ein redundantes System geschaffen. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass die hohen Läuferinduktivitäten L in einer Größenordnung von 100 H und mehr, die zu großen Zeitkonstanten führen, vermieden werden. Durch die Aufteilung auf beispielsweise vier oder allgemein n Spulen muss jede der Stromversorgungen 2427 nur eine Spule 2023 mit der Induktivität L/4 bzw. L/n im allgemeinen Fall versorgen, wodurch die Zeitkonstanten auf ein Viertel bzw. ein n-tel reduziert werden.


Anspruch[de]
  1. Elektrisches Antriebssystem für Propeller- und Jetantriebe in schwimmenden Geräten mit wenigstens einem Antriebsmotor, umfassend einen Aktivteil mit einem Läufer mit einer rotierenden Hochtemperatur-Supraleiter-Feldwicklung und einem Stator, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (2) mehrpolig ausgebildet ist und das Aspektverhältnis der Länge des Aktivteils zum Außendurchmesser des Stators (4) größer als 2 ist.
  2. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aspektverhältnis zwischen 4 und 6 liegt.
  3. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse des Aktivteils im Vergleich zu herkömmlichen Motoren um wenigstens 30% reduziert ist.
  4. Elektrisches Antriebssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es für Drehzahlen < 1000 U/min, vorzugsweise <= 600 U/min, ausgelegt ist.
  5. Elektrisches Antriebssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Pole mit Hochtemperatur-Supraleiter-Feldwicklung einem der folgenden Werte entspricht: 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, wobei 4 oder 6 Pole bevorzugt werden.
  6. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Pole auf dem Polkern axial segmentiert sind.
  7. Elektrisches Antriebssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Mittel zum kryogenen Kühlen der Hochtemperatur-Supraleiter-Feldwicklung (1) aufweist, durch das jeder Pol der HTS-Feldwicklung (1) einzeln oder mehrere Pole segmentiert oder alle Pole gemeinsam gekühlt werden.
  8. Elektrisches Antriebssystem nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Pol (2023) eine separate Stromversorgung (2427) zugeordnet ist.
  9. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Fluss in jedem Pol (2023) getrennt über die separate Stromversorgung (2427) einstellbar ist.
  10. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die akustische Signatur durch die Einstellung des magnetischen Flusses veränderbar ist.
  11. Elektrische Maschine mit einem Läufer mit einer mehrpoligen rotierenden Hochtemperatur-Supraleiter-Feldwicklung und einem Stator, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Pol (2023) eine separate Stromversorgung (2427) zugeordnet ist.
  12. Elektrische Maschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Fluss in jedem Pol (2023) getrennt über die separate Stromversorgung (2427) einstellbar ist.
  13. Elektrische Maschine nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die akustische Signatur durch die Einstellung des magnetischen Flusses veränderbar ist.
  14. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine als Generator ausgebildet ist und vorzugsweise an einer Windkraftanlage oder einer Wasserkraftturbine oder an einem Dieselmotor einsetzbar ist.
  15. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Pol-zahl eine gerade Zahl zwischen 2 und 128 ist.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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