技术领域
[0001] 本
发明涉及一种根据
权利要求1所述的、具有多个电驱动轴的船舶动力系统，以及一种根据权利要求16所述的、对这种船舶动力系统的有利的应用。
背景技术
[0002] 船舶上的电驱动设备（例如在全电动的船舶上）通常包括一个或者多个电驱动
电动机，分别用于驱动推进单元（例如螺旋桨），它们分别通过变流器由船舶的
电网（也经常被称为“行驶电网”）馈电。该电网又由一个或者多个柴油发
电机馈电。其中，这种电网具有固定预设
电压的振幅和
频率，例如具有中等电压，其额定电压为6.6kV，此时的额定频率为60Hz。同样地，在变流器和电网之间还连接有
变压器。该变流器将（可能被降压的）电网电压转换成具有不同于电网电压的振幅和频率的、为运行驱动电动机所需的电压。
[0003] 船舶的船载
低电压用电器（例如导航-和控制仪、扩音设备、照明设备）由单独的船载电网供电，该电网通常在额定频率为50Hz时具有400V的额定电压，或者在额定频率为60Hz时具有440V的额定电压。船载电网能够独立于行驶电网由自身的船载电网发电机馈送
电能。可替换地，能够通过船载电网变流器（Bordnetzumrichter），并且可能通过变压器由行驶电网为船载电网供电。该船载电网变流器、并且可能还有变压器将行驶电网的电压转换成具有船载电网的振幅和频率的电压。
[0004] 该解决方案的一个大的优点在于，如果变流器的尺寸相应地大，就能够通过该变流器避免由于负载冲击而对行驶电网产生反作用（例如当一个螺旋桨在困难的海中航行情况时从
水中浮出又潜入时）。除了许多其它的优点之外，这种驱动方案却具有以下缺点，即，需要在行驶电网中有较多数量的变流器用于电压转换，伴随着相应的空间需求和成本。
[0005] 另一种已知的、不具有这种变流器的电驱动解决方案在于，在中间不接入变流器的情况下将发电机和驱动电动机相互耦合。在这种驱动解决方案中，在中间不连接变流器的情况下直接利用由一个或者多个转速可变的
发动机产生的、振幅可变并且频率可变的电压来运行一个或者多个转速可变的驱动电动机。
[0006] 于是间接地通过控制和/或调节用于对发电机进行驱动的
内燃机实现对电动机的控制和/或调节，并且因此实现对推进单元的控制和/或调节。这些驱动电动机在此固定地与发电机电耦合，也就是说，发电机的旋转运动使得电驱动电动机进行相应的成比例的旋转运动。于是在电机的帮助下模仿了机械轴的功能。这种驱动解决方案经常被称为“电动轴”。
[0007] 还已知的是，通过船载电网变流器，并且可能还通过变压器使得电能从该电动轴退耦，也就是说船载电网变流器并且可能还有变压器将由该一个（多个）发电机产生的、振幅可变并且频率可变的电压转换成用于船载电网的、具有恒定振幅和恒定频率的电压。
[0008] 例如双体船或三体船这样的速度超过40节的多船体船舶特别适于快递摆渡和海军应用，其中重要的是高速。因此这些船舶越来越受欢迎。这些船舶为了产生推进力例如具有喷水式
推进器，喷水式推进器机械地直接与
柴油发动机或燃气
涡轮机耦合并且由它们驱动。通过机械的
直接驱动却会对船舶设计形成限制，这些限制阻碍了以船舶构造最优化的方式设计船舶（以及其它的还有
流体动力和功能性方面）。
发明内容
[0009] 因此，本发明的目的是，提供一种船舶动力系统、特别是适于高速多船体船舶的船舶动力系统，其特征在于高可靠性和高能效，并且使得能够最优化地设计船舶。
[0010] 该目的通过根据权利要求1所述的船舶动力系统得以实现。该船舶动力系统的有利的设计方案是权利要求2至15的内容。对该船舶动力系统的一种特别有利的应用是权利要求16的内容。
[0011] 根据本发明的船舶动力系统具有至少一个第一和第二电驱动轴，分别用于驱动推进单元、特别是喷水式推进器，其中，每个电驱动轴包括：至少一个由内燃机驱动的、转速可变的发电机，用于产生振幅可变并且频率可变的电动机电压；和至少一个利用这个电动机电压供电的并且与推进单元耦合的、转速可变的驱动电动机。在此，第一和第二驱动轴能够从第一运行状态切换至第二运行状态，在第一运行状态中，第一和第二驱动轴相互
电隔离，在第二运行状态中，第一和第二驱动轴这样相互电耦合，即，能够从其中一个驱动轴的至少一个发电机向另一个驱动轴的至少一个驱动电动机传输
能量。
[0012] 通过应用电驱动轴，和机械直接驱动相比，在船舶设计时有大得多的构造
自由度，这是因为内燃机不能布置在推进单元的附近，而是要与之分隔开地布置在船舶的另一个
位置。即使与由变流器馈电的柴油电驱动相比，也有许多优点，这是因为通过省去变流器而能够节约空间和重量，这特别是在高速多船体船舶中，例如双体船和三体船中很重要。由于能够在第二运行状态下将电能从这一个驱动轴传输到另一个驱动轴，所以在其中一个驱动轴中，当能量产生出现问题时能够由另一个驱动轴的至少一个发电机提供能量。这样一来就能够让船舶有很高的
稳定性，这特别是对于海军船舶来说很重要。此外还能够最优化船舶动力系统的整体能量消耗，这是因为例如在低速范围内（其中，内燃机以较低的效率工作）有针对性地关闭一个驱动轴的能量产生装置，并且由另一个驱动轴的一个或者多个发电机产生并且传输为了运行其驱动电动机所需的电能。
[0013] 根据本发明的一种特别有利的设计方案，船舶动力系统还具有第三电驱动轴，用于驱动另一个推进单元、特别是喷水式推进器，其中，第三驱动轴包括：至少一个由内燃机驱动的、转速可变的发电机，用于产生振幅可变并且频率可变的电动机电压；和至少一个利用这个电动机电压供电的并且与另一个推进单元耦合的、转速可变的驱动电动机，并且其中，第一和第三驱动轴能够从第一运行状态切换至第二运行状态，在第一运行状态下，第一和第三驱动轴相互电隔离，在第二运行状态下，第一和第三驱动轴这样相互电耦合，即，能够从其中一个驱动轴的至少一个发电机向另一个驱动轴的至少一个驱动电动机传输能量。这样一来还能够进一步提高推进力（并且因此例如提高船舶的最高速度）、可靠性和能效。
[0014] 优选地，至少一个发电机具有超导体绕组、特别是高温超导体（HTS）绕组。超导体绕组可以是
定子绕组或者是发电机的旋转式
转子绕组。相比传统的机器，超导体技术中的发电机具有更大的功率
密度（也就是说相对于构造体积而言的功率）。由此能够进一步最优化船舶设计。由于重量较轻，所以在驱动功率相同的情况下能够提高船舶的最高速度和/或有效负载。此外，具有超导体绕组的发电机通常具有相比传统的不具有超导体绕组的发电机大得多的在转子和定子之间的磁空隙。这主要是因为，超导体通过
真空低温恒温器或类似的冷却装置冷却，真空低温恒温器或类似冷却装置的壁在空隙中延伸。较大的磁空隙使得该发电机相比传统的发电机具有小得多的同步电抗。这导致在电功率相同的情况下，相比传统的发电机，高温超导体发电机具有明显更陡的
电流-电压-特征曲线。这样一来，在负载加载或冲击时，不会出现由发电机产生的电压的扰动。由此能够减少电波中的电压-和频率
波动。于是不需要对用于稳定驱动轴的电压和驱动电动机或者说推进单元的转速的电波投入大地进行调节。
[0015] 即使该至少一个驱动电动机具有超导体绕组、特别是高温超导体绕组（HTS），在构造尺寸较小的情况下，它也可以设计为功率强并且
扭矩高，这特别是对于例如像双体船和三体船这样的高速船舶非常重要。
[0016] 优选地，超导体绕组是旋转式转子绕组，这是因为其中，需进行冷却的表面能够保持比超导体定子绕组中的表面更小。
[0017] 能够通过电
导线连接装置损耗特别小地实现驱动轴的耦合，该电导线连接装置优选地包括超导体、特别是高温超导体（HTS）。
[0018] 根据一种特别有利的设计方案，第二和第三驱动轴用作为船舶在低速范围（例如从零到30节）时的主驱动装置，并且第一驱动轴单独地或者与第二和第三驱动轴联合地作为船舶在较高速范围直至最高速（例如至45节）时的主驱动装置。
[0019] 在此，第一驱动轴的内燃机有利地设计为燃气
涡轮机，并且第二和第三驱动轴的内燃机有利地设计为柴油发动机。
[0020] 该船舶动力系统优选地包括被供给了其中一个所述驱动轴的、振幅可变并且频率可变的电动机电压的船载电网变流器，该船载电网变流器将该电动机电压转换成用于船载电网的、振幅恒定并且频率恒定的电压。在此，特别的优点来自于，即驱动轴的至少一个发电机具有超导体绕组，并且因此让驱动轴具有特别坚固的特征。由于这个发电机或者说这些发电机的特征曲线是陡的，因此避免了电波上的电压-和频率波动，于是也能够避免由船载电网变流器产生的电压发生不可靠的波动，并且因此避免船载电网变流器的安全系统关闭或者船载电网变流器的尺寸过大。
[0021] 为了进一步提高可靠性，该船舶动力系统也可以包括被供给了第二驱动轴的、振幅可变并且频率可变的电动机电压的第一船载电网变流器，该第一船载电网变流器将电压转换成用于第一部分船载电网的、振幅恒定并且频率恒定的电压，并且包括被供给了第三驱动轴的、振幅可变并且频率可变的电动机电压的第二船载电网变流器，该第二船载电网变流器将该电压转换成用于第二部分船载电网的、振幅恒定并且频率恒定的电压。
[0022] 在此，还能够通过以下方式提高可靠性，即，这两个部分船载电网能够相互耦合。
[0023] 根据另一个有利的设计方案，该船舶动力系统包括至少一个附加的船载电网发电机，其用于为船载电网或者其中一个部分船载电网供给振幅恒定并且频率恒定的电压。由此能够确保对船载电网的电压供给，即使电驱动轴被关闭（例如在港口）或者为了驱动目的需要驱动轴的全部发电机功率时也是这样。
[0024] 如果驱动轴的至少一个发电机能够由驱动该发电机的内燃机选择性地以固定的或者可变的频率驱动，那么这些组件就有更多的使用可能性。例如，至少一个发电机能够用于为其它的船舶在港口供给电流。
[0025] 根据一种特别有利的设计方案，驱动轴能够从一个运行状态切换至另一个运行状态，在前一种运行状态中，该驱动轴的至少一个发电机在中间未接入船载电网变流器的情况下与该驱动轴的至少一个驱动电动机电耦合，并且产生振幅和频率可变的电压，在后一种运行状态中，驱动轴的至少一个发电机通过船载电网变流器与驱动轴的至少一个驱动电动机电耦合，其中，该船载电网变流器产生振幅和频率可变的电压。
[0026] 随后，因为内燃机驱动发电机所要求的转速小（特别是当转速要求低于内燃机的最小转速要求时），所以能够从正常运行时的第一个运行状态转换到第二个运行状态，其中，船载电网变流器接通到电驱动轴中，也就是说接通到驱动轴的至少一个发电机和至少一个驱动电动机之间的电连接中。借助船载电网变流器，并且可能借助一个或者多个变压器就能够用具有低于由发电机产生的电压的频率的电压馈电给驱动电动机。然后，该驱动电动机即使在转速低时也能够以较高的转矩驱动推进单元。这样一来，为了低转速不需要可调
螺距螺旋桨，而是可以使用固定螺距螺旋桨。
[0027] 可替换地和/或作为补充地，该驱动轴能够从一个运行状态切换至另一个运行状态，在前一个运行状态中，该驱动轴的至少一个发电机在中间未接入船载电网变流器的情况下与该驱动轴的至少一个驱动电动机电耦合，并且产生振幅和频率可变的电压，在后一个运行状态中，船载电网或者部分船载电网通过船载电网变流器与驱动轴的至少一个驱动电动机电耦合，其中，该船载电网变流器产生振幅和频率可变的电压。这样一来，该驱动电动机同样也能够在转速低时以较高的转矩驱动推进单元。此外，在电动轴的发电机有故障时，能够由船载电网为驱动电动机供电。
[0028] 基于上面提及的优点，本发明特别适合应用在多船体船舶中，特别是应用在双体船或三体船中。
附图说明
[0029] 下面借助
实施例在附图中更详尽地阐述本发明以及根据
从属权利要求所述特征的本发明的更多有利的设计方案；图中示出：
[0030] 图1示出根据本发明的船舶动力系统的第一个实施例，
[0031] 图2示出在负载接通的情况下，高温超导体发电机的电流-电压-特征曲线，[0032] 图3示出在第一个运行状态下的根据本发明的船舶动力系统的第二个实施例，[0033] 图4示出在第一个特别运行状态下的根据图3的实施例，和
[0034] 图5示出在第二个特别运行状态下的根据图3的实施例。
具体实施方式
[0035] 图1中所示的根据本发明的船舶动力系统1包括三个电驱动轴11，12，13，分别用于驱动一个喷水式推进器（Waterjet）2形式的推进单元。
[0036] 第一驱动轴11包括：由燃气涡轮机3驱动的转速可变的发电机4，用于产生振幅可变并且频率可变的电动机电压；和由该电动机电压供电的并且与喷水式推进器2耦合的转速可变的驱动电动机5。
[0037] 第二和第三驱动轴12，13分别包括：由柴油发动机6驱动的转速可变的发电机4，用于产生振幅可变并且频率可变的电动机电压；和由这个电动机电压供电的并且与喷水式推进器2耦合的转速可变的驱动电动机5。
[0038] 在驱动轴11，12，13中，分别有一个发电机4和一个驱动电动机5通过汇流导体（Sammelleiter）7相互电连接。其中，该发电机4和驱动电动机5的接头分别通过一个
开关9连接到汇流导体7上。汇流导体7和开关9是开关设备8的组成部分。其中，第一驱动轴11的汇流导体7能够通过导线连接装置14与第二驱动轴12的汇流导体7相连，并且能够通过导线连接装置15与第三驱动轴13的汇流导体7相连。其中，导线连接装置14，15的接头分别通过一个开关16连接到汇流导体7上。
[0039] 通过导线连接装置14，15和开关16能够将第一驱动轴11选择性地与第二和/或第三驱动轴12，13耦合。
[0040] 在发电机4和驱动它的燃气涡轮机3或者柴油发动机6之间以及在喷水式推进器2和驱动它的驱动电动机5之间还能够额外地连接一个机械式传动器。此外，代替分别只包括唯一一个发电机4和驱动电动机，这些驱动轴11，12，13也可以包括多个电动机和/或驱动电动机。
[0041] 利用由电驱动轴12，13的发电机4产生的振幅可变并且频率可变的电压会通过变压器21额外地分别运行一个船载电网变流器22，它分别为了一个部分船载电网20将这种可变的电压转换为振幅恒定并且频率恒定的电压。由该部分船载电网20为船舶的未详尽示出的低电压用电器（例如导航-和控制仪，扩音设备，照明装置）供电。该部分船载电网20通常在额定频率为50Hz的情况下具有400V的额定电压，或者在额定频率为60Hz的情况下具有440V的额定电压。这两个部分船载电网20能够通过开关23相互耦合，使得即使这两个驱动轴12，13中的其中一个有故障或者关闭时也能够为这两个部分船载电网20供电。
[0042] 在关闭电动轴12，13时，例如当船舶在港口，并且不需要驱动功率，或者为了驱动需要发电机4的全部功率时，分别有一个由内燃机24驱动的附加的港口发电机25用于优选地通过一个未详尽示出的连接在后方的变流器分别为一个部分船载电网20或者相互耦合的部分船载电网20供给振幅恒定并且频率恒定的电压。作为补充和/或可替换地，作为港口发电机25的代替，也可以通过
电池或者通过
燃料电池为部分船载电网20馈电。
[0043] 在正常运行时，该船舶动力系统1处于第一个运行状态下，其中，开关9闭合，并且开关16断开。
[0044] 驱动电动机5在中间未接入变流器的情况下利用由相应的发电机4产生的振幅可变并且频率可变的电压运行。于是，间接地通过控制和/或调节用于驱动发电机4的燃气涡轮机3或者柴油发动机6能够实现对驱动电动机5的转速进行控制和/或调节，并且因此对喷水式推进器2的转速进行控制和/或调节。
[0045] 其中，第二和第三驱动轴12，13作为船在低速范围的主驱动装置（例如至30节），并且第一驱动轴11单独地或者与第二和第三驱动轴联合作为船在较高速范围直至最高速（例如45节）的主驱动装置。这些柴油发动机的功率例如是1MW至20MW，特别是10MW，并且燃气涡轮机的功率例如是5MW至30MW，特别是20MW。
[0046] 其中，发电机4设计为具有旋转式高温超导体励磁绕组（也就是转子中的高温超导绕组）的同步电机。这种电机具有低的同步电抗，因此它的电流-电压-特征曲线的陡峭度很高。例如，为此图2示出
同步发电机的特征曲线，其具有旋转式高温超导体励磁绕组，并且为了零到380kW的完全的负载冲击情况具有400kW的功率。这种电机例如具有纵轴同步电抗xd=0.15。正如能够从电流曲线I和电压曲线U的变化过程中看出的那样，在时间点tz接入负载时，电压U不会下降。其示出，即使在负载波动极大的情况下，这种电机的运行性能都极其稳定。
[0047] 于是，对于船载电网变流器22而言，在喷水式推进器一方出现负载冲击时（例如在困难的海中航行情况时可能会出现），不会明显地对它的输入电压产生反作用。因此，和使用传统的不具有高温超导体绕组的同步电机作为驱动轴11，12，13中的发电机相比，能够利用小得多的动态储备装备船载电网变流器22。此外，在驱动轴11，12，13中，可以不必为了稳定各个驱动电动机5或者喷水式推进器3的转速（或者电压和频率）而费时费力地进行调节。
[0048] 有利的是，驱动电动机5也设计为具有旋转式高温超导体励磁绕组（也就是转子中的高温超导体绕组）的功率强并且扭矩高的同步电机。
[0049] 通过闭合开关16，为了特别的运行情况，能够将第一驱动轴11和第二驱动轴12以及第一驱动轴11和第三驱动轴13从第一个运行状态切换至第二个运行状态，在第一个运行状态中，它们相互电隔离，在第二个运行状态中，它们这样相互电耦合，使得能够将能量从其中一个驱动轴的发电机4传输到另一个驱动轴的驱动电动机5。此外，通过第一驱动轴11的汇流导体7还能够在第二和第三驱动轴12，13之间进行能量传输。
[0050] 这样一来，一方面即使在它们的能量产生器（也就是说燃气涡轮机3或柴油发动机6）有故障时也能够为一个驱动轴供给能量，由此特别是在海军船舶中能够明显提高稳定性。另一方面，能够根据需求利用数量刚好的能量产生器产生能量，使得它们在一个运行点以良好的效率工作。
[0051] 通过同步由发电机4产生的电压的振幅、频率和
相位，也能够同时由不同驱动轴的发电机4为一个驱动电动机5馈电。
[0052] 由于驱动轴11，12，13的电流-电压-特征曲线的陡峭度，在船舶动力系统的第二运行状态下也可以不必为了稳定驱动电动机5或者喷水式推进器3的转速（或者电压和频率）和船载电网变流器22的
输出电压而费时费力地进行调节。
[0053] 优选地，将船舶动力系统1应用在三体船中。其中，驱动轴11，12，13连同喷水式推进器3位于三体船的中间的船体中。当然，一个船舶也可以具有多于三个这种喷水式推进器3，它们具有相应数量的电驱动轴。
[0054] 图3中所示的船舶动力系统30与图1中所示的船舶动力系统1的区别一方面在于，它具有螺旋桨34作为推进单元，而不是喷水式推进器，并且第一电驱动轴11具有柴油发动机6用于驱动发电机4，而不是燃气涡轮机。在转速较低并且功率较小时，螺旋桨34必须能够运行。在那里，柴油发动机6具有较差的效率。具有汇流导体7的行驶电网例如是中等电压行驶电网，其具有6.6kV/60Hz的电压，并且船载电网20具有660V/60Hz的电压。
[0055] 船舶动力系统30与图1中所示船舶动力系统1的区别另一方面在于，第二和第三驱动轴12，13能够从图3中所示的正常运行状态（其中，驱动轴12，13分别通过变压器21和船载电网变流器22分别与一个部分船载电网20电耦合，并且其中，驱动轴12，13的发电机4在中间未接入船载电网变流器22的情况下与相应的驱动轴12，13的驱动电动机5电耦合）切换至图4中所示的第一特别运行状态，在该第一特别运行状态中，驱动轴12，13的发电机4通过变压器21、船载电网变流器22和变压器37与相应的驱动轴12，13的驱动电动机5电耦合。
[0056] 在正常运行状态下，就如上述那样由柴油发动机6这样驱动发电机4，即，这些柴油发动机产生振幅可变并且频率可变的电动机电压。一方面利用这种可变的电压供给相应的驱动电动机5。然后另一方面通过相应的变压器21和船载电网变流器22将这种可变的电压转换成部分船载电网20的振幅和频率恒定的电压。
[0057] 当对柴油发动机6的转速要求低于它的最低转速要求时，船舶动力系统30可以从正常运行状态转换为第一种特别运行状态。然后，发电机4由柴油发动机6以它的最低转速驱动，使得它们产生振幅和频率恒定的电动机电压。这个电压通过相应的连接的变压器21、船载电网变流器22和变压器37转换成振幅和频率可变的电压，用于供给相应的驱动电动机5，其中，被转换的电压的频率小于由发电机4产生的电压的频率。
[0058] 为此，船载电网变流器22在输出端一侧能够或者通过开关31与部分船载电网20相连或者通过变压器37和开关33与驱动电动机5相连。驱动电动机5又能够通过开关33或者（通过变压器37和开关31）与船载电网变流器22的输出端相连，或者（通过开关35）与相应的驱动轴12，13的汇流导体7相连。在输入端一侧，船载电网变流器22能够通过开关36、变压器21和开关38与相应的驱动轴12，13的汇流导体7相连。
[0059] 在图2中所示的第一特别运行状态中，部分船载电网20能够或者由相应的港口发电机25供电，或者通过未详尽示出的附加的船载电网变流器供电，该变流器例如能够通过变压器21和开关38连接到汇流导体7上。
[0060] 如果变压器21的尺寸够大，可替换地也能够直接通过变压器21和开关38将部分船载电网20连接到汇流导体7上，并且因此在中间未接入船载电网变流器的情况下直接由汇流导体7供电。在这种情况下，就也可以与船载电网变流器22并行地运行，通过该变流器为驱动电动机5供电。
[0061] 在图5中所示的第二特别运行状态下，驱动电动机5分别通过一个船载电网变流器22由部分船载电网20馈电。为了稳定该部分船载电网20，它们有利地通过开关23相互耦合。
[0062] 为此，船载电网变流器22在输入端一侧能够通过开关36或者与相应的汇流导体7相连，或者与相应的部分船载电网20相连。在输出端一侧，船载电网变流器22能够或者通过开关31与部分船载电网20相连或者通过变压器37和开关33与驱动电动机5相连。
[0063] 该船载电网变流器22在输入端一侧获得振幅和频率恒定的电压，并且将其转换成振幅和频率可变的电压，用于供给相应的驱动电动机5。
[0064] 第二特别运行状态一方面可以用来在发电机4有故障时通过港口发电机25为驱动电动机5供电。
[0065] 但是作为第一特别运行状态的代替，第二特别运行状态也能够用来在转速低时（这会导致对柴油发动机6的转速要求低于它的最低转速要求）供电。
[0066] 在这种情况下，船载电网变流器22在输入端一侧不是由（部分）船载电网20馈电，而是由发电机4通过汇流导体7馈电，于是发电机4产生振幅和频率恒定的电压。例如，驱动发电机4的柴油发动机6就以其最小转速运行。然后，该船载电网变流器22就将其输入端上的振幅和频率恒定的电压转换成振幅和频率可变的电压，用于供给相应的驱动电动机5，其中，被转换的电压的频率小于由发电机4产生的电压的频率。
[0067] 在第二特别运行状态中，部分船载电网20能够或者由港口发动机25供电，或者通过未详尽示出的附加的船载电网变流器供电，该变流器例如能够通过变压器21和开关38连接到汇流导体7上。
