船舶驱动装置 本发明涉及一种船舶驱动装置，其具有至少一个船用螺旋桨和至少一个可驱动所述至少一个船用螺旋桨的电动机以及一变流馈电的电源，该电源可向所述至少一个电动机供电并包括至少一个作功机械和至少一个被其驱动的发电机，其中，所述至少一个电动机和所述至少一个发电机设计成交流同步电机。
业已公知的船用柴油机电力推进装置的供电源具有一些安设在船体的适当位置上的同步发电机。它们可向同步电动机或异步电动机变流供电。所述驱动船用螺旋桨的电动机例如可作为舷内发动机设置并通过轴装置驱动所述船用螺旋桨。
此外，还公知有吊舱式驱动装置，它们具有设置在可转动的发动机吊舱内的异步电动机或永久励磁的同步电动机。该发动机吊舱设置在船体外并可设计成带有一个或两个船用螺旋桨。电动机的损耗热在此仅仅通过发动机吊舱的外表面排放到海水中。所述异步电动机和发电机具有空气-水-热交换器。
从上述类型的现有技术出发，本发明的目的在于，对上述类型的船舶驱动装置作进一步改进，使之每千瓦安装功率有更小的损耗，并相应地使绕组上地励磁磁场更强。
上述目的按照本发明这样来实现，即，所述至少一个设计成交流同步电机的电动机和/或所述至少一个设计成交流同步电机的发电机具有一无铁芯槽式气隙交流绕组作为定子绕组，其聚束导线由一些绝缘的细铜丝构成，该定子绕组设置在一个位于一个转子和一个叠片状的磁轭之间的环形间隙中并借助一塑料结构被增强和/或用树脂浇铸或浸渍，该定子绕组还与一个配属于它的冷却装置连接，以便排出由其产生的损耗热量。
基于上述气隙交流绕组的设计，取消了对铁芯槽的接地，并另外使得相对于定子导线的电位差和场强更小。在该气隙交流绕组上可以有更高的绝缘间距，这一点对于高压电动机来说特别有利。
当所述至少一个设计成交流同步电机的电动机和/或所述至少一个设计成交流同步电机的发电机在其转子上具有一旋转的由高温超导体导线制成的励磁绕组，该励磁绕组设置在一个真空绝缘的低温恒温器中并可被深度冷却到15至77K时，励磁磁通可达到两倍特斯拉，而非一倍。同时，允许有大的径向空气间隙或环形间隙，并由此可使冷却介质与所述气隙交流绕组直接接触。
按照本发明的船舶驱动装置的一有利设计，所述至少一个电动机的和/或所述至少一个发电机的无铁芯槽式气隙交流绕组装入由绝缘材料制成的一环形容器中，该环形容器被所述叠片状的磁轭包绕。在磁轭为叠片状的情形下，仅仅通过所述叠片状的磁轭来散走所述气隙交流绕组的损耗热就不再足够，因此需要采用本发明的上述措施。
比较有利的是，所述容纳无铁芯槽式气隙交流绕组的环形容器由玻璃纤维强化的塑料制成。
所述与无铁芯槽式气隙交流绕组相配置的冷却装置可有利地借助一冷却剂循环回路来设计，其中，冷却剂在所述容纳气隙交流绕组的环形容器的一端侧流入所述容器中，并在其另一端侧从该容器中流出，其中，所述位于环形容器的这一端侧和另一端侧之间的冷却剂在所述气隙交流绕组和所述环形容器之间流过，必要时还流过所述气隙交流绕组中的其它纵向通道。
所述与无铁芯槽式气隙交流绕组相配置的冷却装置可相宜地采用一种绝缘的冷却液体，例如冷却油，MIDEL等作为冷却剂。
为将所述与无铁芯槽式气隙交流绕组相配置的冷却装置的冷却剂循环中的损耗热排走，可相宜地在所述冷却剂循环中设置一热交换器，该热交换器借助所述船舶的冷却水系统来循环冷却。
所述设置在所述与无铁芯槽式气隙交流绕组相配置的冷却装置的冷却剂循环中的热交换器也可选择借助海水来循环冷却。
所述与无铁芯槽式气隙交流绕组相配置的冷却装置的冷却剂循环中的热交换器可固定地设置在船体中。
按照本发明的船舶驱动装置的另一有利的实施方式，该船舶驱动装置被设计成吊舱式驱动装置，其至少一个电动机设置在该吊舱式驱动装置的一发动机吊舱中。
构成所述与无铁芯槽式气隙交流绕组相配置的冷却装置的冷却剂循环的冷却管道相宜地设计成柔性的。
为了支持将热量从所述至少一个电动机的叠片状磁轭中排出，所述磁轭优选被热套装到所述吊舱式驱动装置的发动机吊舱的壳体中。
按照本发明的船舶驱动装置的另一相宜的实施形式，所述与无铁芯槽式气隙交流绕组相配置的冷却装置的冷却剂循环中的热交换器设置在所述吊舱式驱动装置的一个可旋转的方位模块中。
当所述与无铁芯槽式气隙交流绕组相配置的冷却装置的冷却剂循环中的热交换器设置在所述吊舱式驱动装置的一个支柱模块中，并且该热交换器的管道与该支柱模块的壁传热连接时，可简便地采用海水将损耗热从所述冷却剂循环中带走。
为了简化对于所述与无铁芯槽式气隙交流绕组相配置的冷却装置的维护和修理工作，比较适宜的是，一个设置在所述与无铁芯槽式气隙交流绕组相配置的冷却装置的冷却剂循环中的循环泵设置在所述吊舱式驱动装置的可旋转的方位模块之中或之上。按照本发明的船舶驱动装置的另一有利的实施形式，与所述至少一个电动机的和/或所述至少一个发电机的无铁芯槽式气隙交流绕组相配置的所述冷却装置具有至少一个设置在一转子轴上的通风叶轮，借助该通风叶轮可使一种冷却气体，例如冷却空气流流入所述至少一个电动机或发电机的气隙交流绕组与转子之间的环形间隙和/或所述气隙交流绕组与所述叠片状的磁轭之间的环形间隙中。借助这一冷却空气流，可将在转子和磁轭之间的环形间隙中产生的损耗热从该环形间隙中排走。
相宜地可在所述转子的两个端侧分别设置一通风叶轮。其中每个通风叶轮设计成适合于形成一大约流到电动机的一半轴向尺寸处的冷却空气流。
为便于将损耗热从转子和磁轭之间的环形间隙中排出，比较有利的是，所述无铁芯槽式气隙交流绕组设计成带有沿其径向延伸的冷却开槽，借助它们可将所述气隙交流绕组中产生的损耗热排放到所流过的冷却气体中。
所述无铁芯槽式气隙交流绕组的径向冷却开槽可相宜地借助一些聚四氟乙烯充填体来构成，在组装所述气隙交流绕组时可将这些聚四氟乙烯充填体插入定子线棒之间，并在完成浇注或浸渍后去除。
所述船舶驱动装置可相宜地具有一导向板装置，借助它将由所述两个通风叶轮产生的冷却气流沿去往所述至少一个电动机和/或发电机的轴向中部区域的方向导引到所述转子和所述无铁芯槽式气隙交流绕组之间的环形间隙中，其中，所述冷却气流通过所述气隙交流绕组的径向冷却开槽从所述转子和所述气隙交流绕组之间的环形间隙被导引到所述气隙交流绕组与所述叠片状的磁轭之间的环形间隙中，然后被重新引导回所述转子的端侧。
当在所述至少一个电动机和/或发电机的一壳体中对于每个通风叶轮分别设计有一吸气口时，所述通风叶轮可以比较顺利地通过所述吸气口抽吸冷却空气。
被加热后的冷却空气可由此方便地导引出，即，在所述至少一个电动机和/或发电机的所述壳体中设有一个或多个排气口，冷却气体在离开所述转子和所述磁轭之间的环形间隙后，可穿过该排气口从所述至少一个电动机和/或发电机的壳体中排出。
所述吸气口和所述排气口可有利地设置在位于所述至少一个电动机和/或发电机的壳体中的所述转子的其中一个端侧或两个端侧。
按照本发明的船舶驱动装置的另一相宜的实施方式，所述冷却气流在一个冷却循环中流动并借助气体-水-热交换器循环冷却。
在所述至少一个电动机和/或发电机的壳体内，在所述至少一个电动机和/或发电机的一个端侧或两个端侧与所述壳体的一个端壁或两个端壁之间的一个或两个轴向间隙中可有利地分别设有至少一个气体-水-热交换器，该热交换器与所述船舶的一个冷却循环连接，所述从转子和磁轭之间的环形间隙流出的已被加热的冷却气流从该热交换器旁流过，之后，所述冷却气流由所述至少一个通风叶轮被吸回到所述环形间隙中。在这一实施方式中，可取消任何附加的冷却气流循环。
也可以选择将所述气体-水-热交换器设置在所述至少一个电动机和/或发电机的壳体外。
下面借助附图所示实施方式对本发明予以详细说明，附图中：
图1是按照本发明的船舶驱动装置的一实施方式的纵剖面原理示图；
图2是按照本发明的船舶驱动装置的另一实施方式的纵剖面原理示图；
图3a是按照本发明的船舶驱动装置的一电动机或发电机的纵剖面示图；
图3b是按照本发明的船舶驱动装置的一气隙交流绕组的横断面示意图；
图4是按照本发明的船舶驱动装置的一电动机或发电机的另一实施方式的纵剖面示图。
图1以横断面的形式示出作为本发明第一种实施形式的设计成吊舱式驱动装置1的船舶驱动装置，它具有一设置在一船体3下方的发动机吊舱2。所述船体在图1和图2中以虚线示出并仅仅局部示出。
在船体3内，所述吊舱式驱动装置1具有一可旋转的方位模块4。该方位模块4穿过船体3借助于一支柱模块5与一发动机吊舱2固定结合。
所述吊舱式驱动装置1相对于船体3可绕一垂直的轴线转动。
在图1中示出的吊舱式驱动装置1具有一设置在所述发动机吊舱2中的电动机6。借助该电动机6可驱动一可旋转地设置在发动机吊舱2后端的船用螺旋桨7。
所述电动机6设计成交流同步电机并具有一转子8。该转子配备有图中未详细示出的可旋转的由高温超导体导线制成的励磁绕组。所述转子8被容纳在一设计成真空绝缘的低温恒温器9中。它可将该转子8的可旋转的由高温超导体导线制成的励磁绕组深度冷却到15至77K。
此外，所述设计成交流同步电机的电动机6具有一气隙交流绕组或气隙交流定子绕组10，该绕组设计成没有铁芯槽或铁芯齿。这种无铁芯槽式气隙交流绕组10具有由一些绝缘的细铜丝构成的聚束导线，并设置在转子8和一个叠片状的磁轭12之间的一环形间隙11中。
为了在取消了所述铁芯槽或铁芯齿、高成分绝缘材料以及与所述叠片式的磁轭12有较大间距的情况下，仍能保证将气隙交流绕组10中产生的损耗热足够地排放出，所述气隙交流绕组10配备有一冷却装置13。
出于机械方面的原因，所述无铁芯槽式气隙交流绕组10配备有一个增强其强度的塑料结构和/或用一种适当的树脂等来浇铸或浸渍。
在图1和图2所示的设计为吊舱式驱动装置1的船舶驱动装置的实施方式中，所述无铁芯槽式气隙交流绕组10被容纳在一个环形容器14中。该环形容器14由一种绝缘材料、例如一种玻璃纤维增强的塑料(GFK)来制成。
这一在图1和图2所示实施方式中构成所述增强塑料结构的环形容器14被所述同样环形构造的叠片状的磁轭12包围。
所述与环形容器14或其所容纳的无铁芯槽式气隙交流绕组10相配置的冷却装置13具有一冷却剂循环15。该冷却剂循环15将冷却后的冷却介质17输入环形容器14的一端侧16，然后将所述被气隙交流绕组10所产生的损耗热加热的冷却介质17重新在环形容器14的另一端侧18进行收集并导出。
所述冷却剂17穿过环形容器14和气隙交流绕组10之间的环形间隙以及必要时穿过气隙交流绕组10中的其它纵向通道地沿轴向流过气隙交流绕组10。
作为冷却剂17可采用一种绝缘的冷却液体，例如冷却油，MIDEL等。
在图1所示吊舱式驱动装置1的实施形式中，所述冷却装置13的冷却剂循环15具有一热交换器19。它设置在所述吊舱式驱动装置1的可转动的方位模块4之中或之上。所述热交换器19被船体内的一冷却水系统20循环冷却。
所述热交换器19也可不设置在所述吊舱式驱动装置1的可转动的方位模块4中或之上，转而设置在船体3内的另一合适位置上。
所述冷却剂循环15另外具有一循环泵21，该循环泵21在图1和图2所示实施方式中设置在所述吊舱式驱动装置1的可转动的方位模块4中。该循环泵21可相应地用较少的费用来维护和修理以及更换，这是因为它设置在所述吊舱式驱动装置1的可转动的方位模块4中容易接近之故。
所述冷却剂循环15的冷却管设计成软管。
图2所示吊舱式驱动装置1与图1所示的区别在于，所述与环形容器14或其中所设气隙交流绕组10相配置的冷却装置13的冷却剂循环15中的热交换器19设置在所述吊舱式驱动装置1的支柱模块5中。图2所示实施方式的该热交换器19的蛇形管22与该支柱模块5的壁传热连接。这样，该蛇形管22就可将其中流动的冷却剂17所带有的气隙交流绕组10的损耗热传递给包围该支柱模块5的海水中。
在图1和图2所示的吊舱式驱动装置1的实施方式中，所述叠片状磁轭12被热套装到所述发动机吊舱2的壳体13中。这样，磁轭12中产生的损耗热就可通过壳体23直接传递给包围该发动机吊舱2的海水中。
在图3a和图4所示的本发明船舶驱动装置的实施方式中，所述电动机6以适当的方式设置在船舶上或之中。在所述转子8和所述叠片状磁轭12之间的环形间隙11中装有所述无铁芯槽式气隙交流绕组10。该转子8的旋转的励磁绕组被容纳在所述低温恒温器9中。
所述气隙交流绕组10具有沿其径向延伸的冷却开槽24。这些径向冷却开槽24借助一些聚四氟乙烯充填体来构成，在组装所述气隙交流绕组10时可将这些聚四氟乙烯充填体插入定子线棒之间，并在完成浇注或浸渍后去除。
借助这些穿过所述气隙交流绕组10的径向冷却开槽24，就使得所述转子8的外环周和所述气隙交流绕组10的内环周之间形成的一内部环形间隙25与所述气隙交流绕组10的外环周与所述环形叠片状的磁轭12的内环周之间形成的一外部环形间隙26相互连通。
所述气隙交流绕组10的径向冷却开槽24的结构设计、布置和走向可从图3a和图4以及图3b中清楚地看出。
所述在图3a至图4所示电动机6的结构也可类似地适用于发电机，该发电机可设置在船体3的任意位置上。
所述电动机6的转子8装在一转轴27上，在转子8的两端侧28、29，在所述转轴27上分别安装有一通风叶轮30、31。
分别借助所述通风叶轮30、31可将冷却空气流32从转子8的端侧28、29导引到所述气隙交流绕组10的内环周与转子8的外环周之间的内部环形间隙25中。所述通风叶轮30、31的通风容量可选择成，使冷却空气流32能大致到达转子8的轴向中部区域。
所述冷却气流32通过所述气隙交流绕组10的径向冷却开槽24被导引到所述气隙交流绕组10的外环周与所述叠片状的磁轭12的内环周之间的外部环形间隙26中。所述冷却气流32然后在所述转子8的两个端侧28、29或靠近这两个端侧之处流出所述外部环形间隙26。
在冷却空气流32穿过所述内部环形间隙25、所述气隙交流绕组10的径向冷却开槽24和所述外部环形间隙26时，来自于所述气隙交流绕组10和叠片状磁轭12的损耗热被传递给所述冷却空气并从环形间隙11中排出。
在图3a所示电动机6的实施形式中，在所述两个通风叶轮30、31的区域内分别设有一导向板装置33，借助它将流入内部环形间隙25中的冷却空气与由所述外部环形间隙26中流出的被加热的冷却空气分隔开。在图3a所示电动机6的实施方式中，所述两个导向板装置33分别延伸至一个吸气口34、35。这两个吸气口34、35设计在按照图3a和图4所示实施方式容纳电动机6的一壳体38的端壁36和37上。
由所述外部环形间隙26流出的被加热的冷却空气流32通过设置在所述壳体38上的与所述端壁36和37靠近的排气口39、40从所述壳体38中排出。
在所述吸气口34、35和所述排气口39、40之间可设置一导通连接路径。借助一个设置在该导通连接段中的热交换器可将冷却空气冷却至可借助所述通风叶轮30、31将其重新导入所述内部环形间隙25中。
图4所示实施形式的电动机6与图3a所示实施形式的电动机6的区别在于，在所述转子8或电动机6的两个端壁28、29与所述壳体38的两个端壁36、37之间的两个轴向间隙41、42中分别设有一个气体-水-热交换器43和44。所述冷却空气流32在壳体38内通过所述两个轴向间隙41、42近乎按两个循环流动，其中，被来自于所述气隙交流绕组10和叠片状磁轭12的损耗热所加热的、从所述外部环形间隙26流出的冷却空气流通过这两个气体-水-热交换器43和44来冷却。之后，所述冷却后的冷却空气流32由所述两个通风叶轮30，31重新吸回到所述内部环形间隙25中。
图4所示实施形式的导向板装置33设计成，使所述通风叶轮30、31仅仅吸入那些已从所述气体-水-热交换器43和44流过的冷却空气。
所述两个气体-水-热交换器43和44与所述船舶的一冷却循环回路45连接。