Beschreibung Schiffsantrieb mit Kühleinrichtungen für Stator und Rotor seiner Synchronmaschine Die Erfindung bezieht sich auf einen Schiffsantrieb mit einer Synchronmaschine, welche a) einen Rotor mit einer tiefzukühlenden, insbesondere sup- raleitenden mehrpoligen Rotorwicklung, die thermisch di- rekt oder indirekt an eine Rotorkühleinrichtung angekop- pelt ist, sowie b) einen den Rotor umschließenden Stator mit einer zu kühlenden, normalleitenden Statorwicklung, einer die Statorwicklung zumindest teilweise aufneh- menden Trägerstruktur, welche einen im Wesentlichen hohlzylindrischen Außenkörper aus weichmagnetischem Material sowie an dessen Innenseite axial und radial verlaufende, stegartige Tragzähne aufweist, zwischen denen zumindest Teile der Statorwicklung angeordnet sind, einem Außengehäuse mit einem den Außenkörper umschlie- ßenden, hohlzylindrischen Gehäuseteil und einer Statorkühleinrichtung zur Abführung der von der Statorwicklung erzeugten Wärme an Wasser als ein Kühl- medium enthält.

Ein entsprechender Schiffsantrieb mit Synchronmaschine ist der WO 03/019759 A2 zu entnehmen.

Die Synchronmaschine des bekannten Schiffsantriebs enthält einen Rotor mit einer mehrpoligen Rotorwicklung, die aus Lei- tern mit Hoch-Tc-Supraleitermaterial ausgebildet ist. Die Wicklung befindet sich dabei in einem ein kryogenes Kühlmit- tel aufnehmenden, vakuumisolierten Kryostaten, wo sie auf einer Betriebstemperatur zwischen 15K und 77K zu halten ist.

Die Statorwicklung der Maschine ist als eine sogenannte Luft- spaltwicklung zwischen nicht-magnetischen Tragzähnen ausge- bildet. Um eine effektive Kühlung der Wicklungsteile zu ge- währleisten, sind radial, axial und/oder in Umlaufsrichtung verlaufende Kühlkanäle vorgesehen, die von Kühlwasser als Kühlmedium durchströmt sind. Für eine hinreichend effektive Kühlung der Statorwicklung der bekannten Maschine bedarf es zur Aufnahme dieser Kanäle bzw. zur Bereitstellung eines hin- reichend großen Kühlmittelquerschnitts einer verhältnismäßig großen Ausdehnung der Tragzähne in radialer Richtung.

Bei manchen Maschinentypen ist jedoch diese radiale Ausdeh- nung beschränkt. Bei entsprechenden Maschinentypen mit ver- hältnismäßig kleinen Außendurchmessern ist dann eine effekti- ve Abführung der von der Statorwicklung erzeugten Wärme an ein flüssiges Kühlmittel mittels einer derartigen Statorküh- leinrichtung kaum möglich. Entsprechende Maschinentypen wer- den insbesondere für Propeller-und Jetantriebe in schwimmen- den Geräten wie Schiffen gefordert.

Gute See-Eigenschaften eines Marine-Überwasserschiffes sind durch hohe Geschwindigkeit und gute Manövrierfähigkeit ge- kennzeichnet. Hohe Dauermarschgeschwindigkeit für große Be- weglichkeit über weite Seeräume sind notwendig. Große Höchst- geschwindigkeiten und Beweglichkeit sind-manchmal nur für kurze Zeit-gefordert. Die Dauermarschgeschwindigkeit liegt um den Bereich von 20 Knoten und die Höchstgeschwindigkeit soll über 30 Knoten betragen.

Eine wichtige Eigenschaft ist die Seeausdauer, die sowohl vom Vorrat an Kraftstoff sowie Wasser und Proviant als auch von der Betriebssicherheit der Anlagen und der Einsatzfähigkeit der Besatzung abhängt. Heute ist die hohe Dauergeschwindig- keit bei Seegang verbunden mit guten Seeverhalten eine wich- tige Forderung zur Überbrückung weiter Seeräume geworden. Die Schiffe müssen weltweit einsatzbereit sein.

Die Systeme und Komponenten der Fahr-und Bordnetze müssen zur Verbesserung der See-Eigenschaften eine hohe funktionelle Verfügbarkeit bieten. Die Konzeption muss so aufgebaut wer- den, dass im Falle eines, durch welche Umstände auch immer hervorgerufenen Schadens, die Beschädigung der Komponenten und deren Vernetzung durch entsprechenden Sensorik erkannt und beschädigte Systeme vom Fahr-und Bordnetz getrennt wer- den, so dass das intakte Netz möglichst unterbrechungsfrei weiterarbeiten kann.

Nachfolgend sei auf einige für die Auslegung des Antriebs eines Schiffes zu berücksichtigende Gesichtspunkte eingegan- gen : I. Propeller-Antrieb Überwasser-Schiffe werden in der Regel heute mit Propeller- schrauben angetrieben. Im Schiffsinneren sind Dieselmotoren oder Gasturbinen angeordnet, die ihre mechanische Energie über Wellenanlagen/Getriebe an die Propeller weitergeben.

Für Marineantriebe werden aus den bisherigen Betriebserfah- rungen besonders strenge Forderungen gestellt, nämlich schnelle Startbereitschaft, hohe Kurzhöchstleitungen bei Überlast, geringes Gewicht, gute Wartungsmöglichkeiten sowie Ein-und Ausbau- wege, geringer Betriebsstoffverbrauch, hohe Betriebssicherheit.

So erwies sich der Dieselmotor aufgrund seiner relativ schnellen Betriebsbereitschaft, seiner raum-und Personal sparenden Bau-und Betriebsart und wegen des geringen spezi- fischen Kraftstoffverbrauchs als idealer Antrieb für kleinere Marineschiffe.

II. Waterjet-Antrieb Entsprechende Antriebssysteme werden insbesondere für schnel- le seegehende Schiffe vorgesehen. Sie umfassen einen Antrieb durch wenigstens einen Wasserstrahl, den sogenannten Water- jet", der in einem Pumpenaggregat mit Austrittsdüse (n) er- zeugt wird. Hierzu kann ein Laufrad am Ende einer Pumpenwelle vorgesehen werden, die mit einem Motor wie etwa einem Elekt- romotor, beispielsweise mit Hoch-Tc-Supraleitern oder mit einem Dieselmotor oder einer Gasturbine verbunden ist (vgl. z. B. auch WO 03/101820 A1).

III. Voll-elektrisches Schiff (VES) Das elektrische Bordnetz von heutigen Schiffen setzt sich aus folgenden Komponenten und Systemen zusammen, nämlich aus 'elektrischer Energieerzeugung, 'elektrischer Energieverteilung und 'elektrischem Energieverbraucher.

Seit einigen Jahren wird die Realisierbarkeit von voll-elek- trischen Marine-Überwasserschiffen untersucht. Das vollelek- trische Schiff (VES) beinhaltet den Einsatz von wirtschaftli- chen, elektrischen Energieerzeugern für den Antrieb des Schiffes durch elektrische Maschinen (Fahrnetz) und die Ver- sorgung des Bordnetzes.

Kleinere Versuchsträger sind bereits seit einigen Jahren in Betrieb oder befinden sich derzeit in Bau. Die elektrischen Fahr-und Bordnetze sind zumeist in Niederspannung ausge- führt.

Als elektrische Energieerzeuger kommen folgende zukünftige Techniken in Betracht : Brennstoffzellentechnik Gasturbinen-Generator-Segmente Dieselmotor-Generator-Segmente

Der Leistungsbedarf der elektrischen Energie-Erzeugeraggre- gate liegt bei den zukünftigen Schiffen im Bereich von 20- 50 MW je nach Anforderungen an das Bordnetz und an die Ge- schwindigkeit des Schiffes. Bei diesen Leistungen ist eine Verteilung der elektrischen Energie nur noch mit Mittelspan- nungssystem sinnvoll. Hier sind jedoch auch DC-Verteilungs- netze im Gespräch, da die Brennstoffzellentechnik von Haus aus eine Gleichspannung liefert.

Die angewandten Bordnetzspannungen für zukünftige Marine- Überwasserschiffe liegen im Niederspannungs-und im Mittel- spannungsbereich. Die Bordnetzfrequenz beträgt 60 Hz (z. T.

50 Hz).

Insbesondere im Rahmen der Entwicklung voll-elektrischer Schiffe ist auch an Antriebe gedacht, die ihre wenigstens eine elektrische Antriebsmaschine an der Unterseite des Schiffskörpers gondelartig angebracht aufweisen. Solche An- triebe werden auch als"POD-Antriebe"bezeichnet. Entspre- chende Antriebe, insbesondere mit Synchronmaschinen unter Verwendung von Hoch-Tc-Supraleitern, sind allgemein bekannt (vgl. z. B. WO 03/019759 A2, EP 0 907 556 B1, WO 03/047962 A2).

Oberstes Ziel der Gestaltung solcher POD-Antriebe ist zu- nächst die Gewichtsminimierung.

Weiterhin besteht das Ziel, einen hydrodynamischen Propeller- wirkungsgrad von > 60 % zu erreichen. Das Verhältnis Gondel- durchmesser/Propellerdurchmesser ist für den POD-Antrieb da- bei ein wichtiges Kriterium und sollte optimal bei 0, 3... 0, 33 liegen (Verhältnisse unter 0,3 bringen nur noch geringfügige hydrodynamische Vorteile bei außergewöhnlich hohem Aufwand für den POD).

Die Länge der Gondel sollte dabei verhältnismäßig kurz sein.

Bekannte Permanentmagnet-Maschinen, konventionelle Asynchron- und Synchronmaschinen erreichen die Anforderungen bezüglich dieser Voraussetzungen des Aspektverhältnisses und des Ge- wichtes nicht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, einen Schiffs- antrieb unter Verwendung einer Synchronmaschine mit den ein- gangs genannten Merkmalen dahingehend anzugeben, bei dem eine sichere Kühlung der Rotor-und insbesondere der Statorwick- lung mit vermindertem Aufwand ermöglicht wird, insbesondere auch bei geringer radialer Ausdehnung der Wicklung, wie es für Maschinen von Schiffen gefordert wird.

Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnah- men gelöst. Dementsprechend soll bei der Synchronmaschine des Schiffsantriebs mit den eingangs genannten Merkmalen eine Kühlung deren Gehäuseteils wenigstens in Teilbereichen vorge- sehen sein und soll eine thermische Ankopplung der Stator- wicklung an das Kühlmedium (Wasser) über die Trägerstruktur und den Gehäuseteil erfolgen.

Die Tragzähne müssen deshalb zwangsläufig zumindest teilweise aus einem Material mit einer hierfür ausreichenden thermi- schen Leitfähigkeit bestehen.

Den erfindungsgemäßen Maßnahmen liegt die Überlegung zugrun- de, dass die Statorwicklung der Synchronmaschine vorteilhaft über Wärmeleitung in ihren Tragzähnen praktisch vollständig zu entwärmen ist. Die Wärmeabfuhr erfolgt also aus der im Allgemeinen Cu-Leiter aufweisenden Statorwicklung über deren unumgängliche Isolation und die hierfür hinreichend wärmelei- tenden Tragzähne unter Abgabe der Wärme an den umhüllenden Außenkörper. Dieser umhüllende Außenkörper besteht aus Grün- den einer erforderlichen magnetischen Flussführung aus einem weichmagnetischen Material wie insbesondere Eisen, welches für eine ausreichende magnetischen Flussführung einen ver- hältnismäßig großen Querschnitt aufweisen muss und daher in

der Lage ist, ausreichend Wärme aufzunehmen und abzugeben.

Die Abgabe erfolgt von da aus zumindest über den ihm umhül- lenden Gehäuseteil und gegebenenfalls über weitere Teile des Außengehäuses an ein ihn von außen her benetzendes Kühlmedi- um, vorzugsweise direkt oder indirekt an das Kühlmedium Was- ser wie z. B. Meerwasser oder Frischwasser.

Besonders vorteilhaft ist auch, dass von den Wickelköpfen der Statorwicklung, welche wegen ihrer hochkomplizierten dreidi- mensionalen Geometrie im Allgemeinen nicht in die Träger- struktur eingelegt werden können, die Wärmeabfuhr durch Wär- meleitung über die Cu-Leiter der Statorwicklung zum geraden Aktivteil der Wicklung (im Bereich des sie umhüllenden weich- magnetischen Außenkörpers) erfolgt. Von dort aus wird mittels der wärmeleitfähigen Tragzähne diese Wärme wie auch die Wärme aus dem geraden Aktivteil zu dem weichmagnetischen Außenkör- per hin abgeführt, der über den Gehäuseteil von dem Kühlmedi- um entwärmt wird. Der Wärmetransport in das Kühlmedium er- folgt somit im Wesentlichen nur über die Tragzähne und den Außenkörper, die zusammen die Trägerstruktur bilden, sowie zumindest über den Gehäuseteil des Außengehäuses.

Demgegenüber reicht bei bekannten Maschinen der Querschnitt der vergleichsweise schlechter wärmeleitfähigen Tragzähne ih- rer Trägerstruktur nicht aus, um eine äquivalente Entwärmung zu gewährleisten.

Vorteilhaft ist auch, dass auf Zusatzaggregate wie eine Zwangskühlung der Statorwicklung im Bereich der Tragzähne verzichtet werden kann.

Da es sich bei der Statorwicklung der Synchronmaschine bevor- zugt um eine mehrpolige Wicklung vom Luftspalttyp handelt, die im Allgemeinen eine hohe Induktion der Rotorwicklung er- fordert, ist letztere Wicklung vorteilhaft tief zu kühlen, wobei sie thermisch direkt oder indirekt an eine hierfür ge- eignete Rotorkühleinrichtung bzw. deren Kühlmittel angekop-

pelt ist. Vorzugsweise kann dabei die Rotorwicklung mit Sup- raleitern, insbesondere mit solchen, die Hoch-Tc-Supraleiter- material enthalten, erstellt sein.

Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Schiffsan- triebs mit mindestens einer Synchronmaschine gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.

So kann der Stator eine axiale Ausdehnung des Aktivteils sei- ner Statorwicklung aufweisen, die mindestens das Zweifache ihres Außendurchmessers, vorzugsweise mindestens das Vierfa- che und insbesondere mindestens das Sechsfache beträgt. Das bedeutet, dass die Statorwicklung nur eine geringe radiale Ausdehnung aufweist. Entsprechende Maschinentypen kommen vor- zugsweise für Schiffsanwendungen (Waterjet-oder Propeller- /POD-Typ) in Frage. Aufgrund der geringen radialen Ausdehnung der Statorwicklung solcher Maschinen ist nämlich nur indirekt eine effektive Entwärmung wie gemäß der Erfindung realisier- bar.

Für die Kühlung des Außengehäuses bzw. seines Gehäuseteils der Synchronmaschine kommen praktisch alle bekannten Kühlar- ten unter Verwendung von flüssigem Kühlmittel oder Kühlmit- telgemischen in Frage. So kann eine Kühlung mittels einer Badkühlung vorgesehen sein. Stattdessen ist auch eine for- cierte Strömung des Kühlmediums Wasser oder eines weiteren/ anderen, thermisch an das Kühlmedium Wasser angekoppelten Kühlmediums zumindest an oder in dem Gehäuseteil möglich. Da- bei kann das verwendete Kühlmedium in diskreten Kühlkanälen, z. B. in an der Außenseite des Gehäuses angebrachten Kühl- schlangen, strömen.

Ferner kann vorteilhaft mit dem Gehäuseteil ein weiteres, sich in einem eigenen Kühlsystem befindendes Kühlmedium ver- bunden sein, das thermisch an das Kühlmedium Wasser angekop- pelt ist. Dabei kann für das Kühlmedium Wasser ein zusätzli- cher Kühlkreislauf vorgesehen sein. Zwischen dem Kühlmedium

Wasser und dem weiteren Kühlmedium der Maschine erfolgt dann in bekannter Weise ein Wärmeaustausch. Entsprechende Kühl- techniken sind insbesondere für Schiffsanwendungen von Vor- teil.

Außerdem ist es als vorteilhaft anzusehen, wenn die Rotor- kühleinrichtung an das Kühlmedium Wasser der Statorkühlein- richtung thermisch angekoppelt ist. Dabei kann man insbeson- dere vorsehen : 'einen ersten Kühlkreislauf der Statorkühleinrichtung, 'einen zweiten Kühlkreislauf der Rotorkühleinrichtung und einen dritten Kühlkreislauf mit dem Kühlmedium Wasser, der thermisch direkt oder indirekt an den ersten und den zwei- ten Kühlkreislauf angekoppelt ist.

Auf diese Weise lässt sich eine effektive Nutzung des vorhan- den Wassers, sei es das Frisch-oder Brauchwasser des Schif- fes oder das es umgebende Meerwasser, gewährleisten.

Bevorzugt werden für die Trägerstruktur der Synchronmaschine des Schiffsantriebs keine Statorzähne aus Eisen wie bei be- kannten Maschinen, sondern mit einem Material mit einer höhe- ren thermischen Leitfähigkeit (Wärmeleitfähigkeit ) einge- setzt. Die Wärmeleitfähigkeit von Eisen ist nämlich begrenzt und liegt im Bereich von 40 bis 60 W/(K-m) in Abhängigkeit von einer eventuellen Zulegierung weiterer Materialien.

Durch den Verzicht auf Tragzähne aus ferromagnetischem Eisen stellt dann die Statorwicklung praktisch eine Luftspaltwick- lung dar, wobei über die Trägerstruktur für diese Wicklung die Verlustwärme aus der Luftspaltwicklung abgeführt wird.

Hierbei spielt es keine Rolle, ob ein oder mehrere, z. B. elektrisch versetzte Statorsysteme als Luftspaltwicklung ver- wirklicht sind.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Synchronmaschine gehen aus den vorstehend nicht angesproche- nen Unteransprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen, in der bevorzugte Ausführungs- beispiele von erfindungsgemäßen Synchronmaschinen angedeutet sind. Dabei zeigen jeweils in leicht schematisierter Form deren Figur 1 einen Längsschnitt durch einen POD- Propellerantrieb eines Schiffes mit einer sol- chen Maschine, deren Figur 2 einen Querschnitt durch die Maschine gemäß Fi- gur 1, deren Figur 3 in einer Ausschnittsvergrößerung aus Figur 2 eine Statornut der Maschine sowie deren Figur 4 einen Querschnitt durch eine Waterjet-Maschine eines Schiffes.

Dabei sind in den Figuren sich entsprechende Teile jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.

Bei dem erfindungsgemäßen Schiffsantrieb mit wenigstens einer Synchronmaschine wird von an sich bekannten Antrieben ausge- gangen. Es kann sich dabei insbesondere um einen Antrieb vom Propeller-/POD-Typ oder auch vom Waterjet-Typ handeln. Für das nachfolgende Ausführungsbeispiel sei ein Propeller-/POD- Typ angenommen. Dessen Synchronmaschine weist einen Rotor mit einer tiefzukühlenden, insbesondere supraleitenden mehrpoli- gen Rotorwicklung auf, die thermisch z. B. direkt an eine Ro- torkühleinrichtung angekoppelt ist. Unter einer direkten An- kopplung sei dabei eine Kühlung mittels eines Kühlmediums verstanden, das in direktem Wärmekontakt mit den zu kühlenden Teilen der Rotorwicklung steht. Es ist jedoch auch eine indi- rekte Kühlung möglich, wobei zwischen den zu kühlenden Teilen der Rotorwicklung und einer Rotorkühleinrichtung oder einem Kühlmedium eine wärmeleitende Verbindung über feste Teile be- steht. Den Rotor umschließt ein Stator mit einer zu kühlen-

den, normalleitenden Wicklung, wobei sich die Statorwicklung zumindest teilweise in einer Trägerstruktur befindet. Diese Trägerstruktur enthält einen hohlzylindrischen Außenkörper aus weichmagnetischem Material sowie an dessen Innenseite axial und radial verlaufende, stegartige Tragzähne, zwischen denen zumindest Teile der Statorwicklung angeordnet sind. Der weichmagnetische Außenkörper ist von einem Außengehäuse um- schlossen, das im Bereich des Außenkörpers einen hohlzylind- rischen Gehäuseteil bildet. Die in der Statorwicklung erzeug- te Wärme wird über eine spezielle Statorkühleinrichtung an Wasser als Kühlmedium abgeführt. Auf diese Statorkühleinrich- tung wird nachfolgend näher eingegangen.

Die Statorkühleinrichtung der Synchronmaschine ist besonders für solche Maschinentypen einsetzbar, die ein großes Aspekt- verhältnis der Statorwicklung aufweisen, d. h., wobei der Sta- tor eine axiale Ausdehnung des Aktivteils seiner Statorwick- lung aufweist, die ein Vielfaches des Außendurchmessers be- trägt. Entsprechende Maschinentypen haben dann praktisch kei- nen Platz für diskrete Kühlkanäle im Bereich von Tragzähnen zwischen ihren Windungsteilen. Ein entsprechender Maschinen- typ ist insbesondere der für das Ausführungsbeispiel der Fi- guren 1 bis 3 ausgewählte Propeller-/POD-Antrieb. Für nicht- erfindungsgemäße, in der Zeichnung nicht näher ausgeführte Details des Antriebs wird auf bekannte Ausführungsformen ver- wiesen (vgl. z. B. WO 03/019759 A2 oder EP 0 907 556 B1).

In der Figur sind bezeichnet mit 2 eine POD-Antriebseinheit eines Schiffes, mit 3 eine Motorgondel, mit 4 ein Rumpf eines Schiffes, mit 5 eine Haltevorrichtung für die Motorgondel an dem Schiffsrumpf, mit 6 eine Synchronmaschine, mit 7 ein Ro- tor dieser Maschine, mit 8 eine Rotorwelle, in Wellenlagern 9 gelagert ist, mit 10 ein an der Welle befestigter Schiffspro- peller, mit 11 eine Luftspalt-und Drehstromwicklung als Sta- torwicklung, mit 12 Wickelköpfe dieser Wicklung, mit 13 ein weichmagnetisches Eisenjoch als Außenkörper einer Träger- struktur 14, mit 15 ein Außengehäuse der Maschine mit einem

den weichmagnetischen Außenkörper 13 umschließenden Gehäuse- teil 15a, mit 16 ein zwischen der Luftspalt-/Statorwicklung 11 und der Außenseite des Rotors 7 vorhandener Luftspalt, mit A die Achse des Rotors 7 bzw. der Rotorwelle 8, mit W Wärme- ströme und mit K ein Kühlmedium wie z. B. Wasser. Das Kühlme- dium K soll sich dabei bevorzugt auf einer Ausgangstemperatur zwischen 275K und 310K, insbesondere zwischen 275K und 295K, befinden. In der gewählten Darstellung der Figur ist die Sta- torwicklung 11 weitgehend durch sich axial, d. h. in Richtung der Achse A erstreckende, stegartige Tragzähne 21i der Trä- gerstruktur 14 abgedeckt ; nur ihre stirnseitigen Wickelköpfe 12 sind ersichtlich. Die angedeuteten Wärmeströme W verlaufen innerhalb der Wicklung 11 und in den Tragzähnen 21i.

Wie in der Figur durch die gepfeilten Linien der Wärmeströme W angedeutet sein soll, wird die in den elektrischen Leitern der Wicklung 11 hervorgerufene Wärme aus dem Wicklungsbereich zunächst in den sie in ihrem axialen Teil umschließenden weichmagnetischen Außenkörper 13 übertragen und von dort zu- mindest über den den Außenkörper umschließenden Gehäuseteil 15a an das Kühlmedium K abgegeben. Das Gehäuse ist insbeson- dere in diesem Bereich vorteilhaft aus einem gut-wärmeleit- fähigen Material aufgebaut, dessen thermische Leitfähigkeit größer als die von Eisen ist und insbesondere über 60 W/(K-m) liegt. Hierfür besteht es vorteilhaft aus Metalllegierungen wie speziellen Bronzen, oder z. B. unter Zumischung oder- legierung von Werkstoffen wie von Aluminium (A1) oder Magne- sium (Mg). So kann z. B. ein entsprechender Al-Guss bis zum 210/(K-m) haben bzw. ein entsprechender Mg-Guss etwa 150 W/(K-m) aufweisen. Diese Materialien ermöglichen zugleich eine Leichtbauweise und können auch eine weitere Vergrößerung der wärmeaustauschenden Oberfläche gegenüber dem Kühlmedium K bilden.

Figur 2 zeigt den Querschnitt durch die Maschine 6 nach Figur 1 mit dem sie umschließenden Außengehäuse 15 bzw. dessen Ge- häuseteil 15a. Die hier ersichtlichen einzelnen Tragzähne

zwischen einzelnen Teilen der Statorwicklung 11 sind mit 21i bezeichnet. Sie bilden zusammen mit dem weichmagnetischen Au- ßenkörper 13 die Trägerstruktur 14 für die Wicklung 11.

In Figur 3 ist eine Ausschnittsvergrößerung aus der Figur 2 im Bereich einer Statornut 20 veranschaulicht. In der Figur sind ferner bezeichnet mit 21a und 21b zwei der die Statornut in Umfangsrichtung seitlich begrenzenden Tragzähne 21i, mit 22j Wicklungsleiter oder ein-paket, beispielsweise Cu-Lei- ter, der Statorwicklung 11, mit 23 eine Leiterisolation um die einzelnen Leiter 22j, mit 24 eine Hauptisolation, mit 25 ein Halteschieber am Boden der Nut 20 und mit 26 ein Zwi- schenschieber in einem mittleren Bereich der Nut, z. B. gemäß der DE 102 27 559 A1. Dabei spielt es keine Rolle, wie viel Leitermaterial im Stator parallelgeschaltet ist oder wie vie- le Statorsysteme insgesamt zur Anwendung kommen. Wichtigster Wärmewiderstand ist die Leiterisolation der Wicklungsleiter 22j sowie die Hauptisolation 24 zwischen dem Leiterpaket und den seitlichen Tragzähnen 21a und 21b. Über diese Isolationen gelangt die von den Leitern 22j hervorgerufene Wärme zu den vorteilhaft gut-wärmeleitend ausgebildeten Tragzähnen 21a und 21b und von dort über den die Nut nach außen hin umgebenden weichmagnetischen Außenkörper 13 und den Gehäuseteil 15a des Außengehäuses 15 an das Kühlmedium K. Dabei wird es als güns- tig erachtet, wenn auch der Zwischenschieber 26 aus einem gut-wärmeleitfähigen, aber elektrisch schlecht leitenden Ma- terial hergestellt wird wie z. B. aus einem Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder einer anderen gut-wärmeleitenden Kera- mik.

Bei der Synchronmaschine der Antriebseinrichtung nach der Er- findung haben die Tragzähne 21a, 21b (bzw. 21i) drei Funktio- nen, nämlich - Übertragung der mechanischen Momente, - Halterung und Beabstandung der Wicklungsleiter 22j sowie - die thermische Funktion der Wärmeabfuhr/-übertragung.

Als Material für die Tragzähne kommt insbesondere eine der vorgenannten, gut-wärmeleitfähigen Keramiken oder Metalle- gierungen oder aber ein Verbundwerkstoff, insbesondere mit Carbonfasern höchster Wärmeleitfähigkeit, z. B. ein CFK-Ver- bundwerkstoff (carbonfaser-verstärkter Kunststoff), in Frage.

Hierbei ist es besonders vorteilhaft, die Faserrichtung so auszulegen, dass ein optimaler Wärmestrom erfolgen kann. Bei- spielsweise haben die Tragzähne keilförmige Gestalt. Dabei ist es unerheblich, welche konkrete Ausführungsform und Ge- stalt ein einzelner Tragzahn hat, z. B. ob er einstückig aus einem einheitlichen Material oder mehrgeteilt aus verschiede- nen Materialien oder aus einem Sandwichmaterial oder einem Verbundwerkstoff hergestellt ist. Es muss jedoch auf alle Fälle sichergestellt sein, dass der geforderte Wärmestrom W in ausreichender Intensität in der gezeigten Weise abgeleitet werden kann.

Bei der Ausführungsform eines POD-Antriebs eines Schiffes ge- mäß den vorstehenden Figuren 1 bis 3 wurde davon ausgegangen, dass das Außengehäuse 15 mit dem Gehäuseteil 15a unmittelbar von Meerwasser als Kühlmedium K von seiner Außenseite her um- spült ist. Selbstverständlich ist die Maschine auch für ande- re Kühlkreisläufe unter Verwendung des Kühlmediums K ebenso gut geeignet. So kann das den Gehäuseteil kühlende Kühlmedium ein weiteres, von Wasser verschiedenes Kühlmedium sein, das sich in einem eigenen Kühlsystem befindet, wobei dieses Kühl- system bzw. das weitere Kühlmedium thermisch direkt oder in- direkt an das Kühlmedium K, z. B. Frischwasser des Schiffes oder Meerwasser, angekoppelt ist. Es ist auch möglich, dass für dieses weitere Kühlmedium der Maschine ein zusätzlicher Kühlkreislauf vorgesehen wird, wobei dann ein Wärmeaustausch zwischen diesem zusätzlichen Kühlkreislauf und dem Kühlmedium Wasser erfolgt.

Das die Maschine zumindest im Bereich des Gehäuseteils 15a kühlende Kühlmedium kann sich in einem Behälter eines Kühl- mittelbades befinden oder auch forciert an dem Außengehäuse

vorbeiströmen. Eine solche Strömung kann auch in diskreten Kühlmittelkanälen erfolgen, die zumindest in oder an dem Ge- häuseteil angeordnet sind. Beispielsweise können entsprechen- de Kühlmittelschlangen an der Außenseite des Gehäuseteils in gut-wärmeleitender Verbindung mit diesem angebracht sein.

Bevorzugt wird mittels einer solchen direkten oder indirekten Kühlung unter Verwendung des Kühlmediums Wasser, das im All- gemeinen eine Ausgangstemperatur zwischen 275K und 310K, vor- zugsweise zwischen 275K und 295K, aufweist, eine Betriebstem- peratur der Statorwicklung 11 zwischen 275K und 525K, vor- zugsweise zwischen 275K und 455K, eingestellt.

Eine indirekte Kühltechnik ist für die aus Figur 4 ersichtli- che Synchronmaschine 6 vorgesehen. Die Figur zeigt eine Aus- führungsform der Maschine gemäß den Figuren 1 bis 3, die in- nerhalb eines Behältergehäuses 31 über Tragstreben 32 gehal- ten ist. In einem oder mehreren Zwischenräumen 33 zwischen dem Behältergehäuse und dem Außengehäuse 15 der Maschine 6 befindet sich dabei das Kühlmedium K. Die gezeigte Ausfüh- rungsform kann insbesondere für Waterjet-Antriebe von Schif- fen verwendet werden, bei der sich der eigentliche Motor in einem Maschinengehäuse im Schiffszwischenrumpf befindet. Zur Installation und Befestigung des Behältergehäuses 31 an einem Fundament sind außen an dem Behältergehäuse angreifende Prat- zen 34 angedeutet. Die Tragstreben 32 übertragen hier das Drehmoment von der Maschine bzw. deren Außengehäuse auf das Behältergehäuse 31 und über die daran angeordneten Pratzen 34 auf das Fundament, im Beispiel den Schiffszwischenrumpf.

Das zwischen dem Behältergehäuse 31 und dem Maschinengehäuse 15 befindliche Kühlmedium K ist bevorzugt eine Flüssigkeit oder ein Flüssigkeitsgemisch. Das Kühlmedium ist an einen Kühlkreislauf angebunden, z. B. direkt oder indirekt an das Frischwassersystem eines Schiffes. Hierzu können gegebenen- falls Pumpen eingesetzt werden. Es ist auch ein separater Wasserkreislauf denkbar, der mittels Wärmetauscher an das

Meerwasser kühlt. Dieser separate Wärmekreislauf kann Natur- oder Zwangsumlauf haben. Bei einem Naturumlauf müssen ent- sprechend große Querschnitte realisiert sein. Der Naturumlauf kann beispielsweise aufgrund eines Thermosyphon-Effektes er- folgen, bei dem ein den Temperaturen angepasstes Kühlmedium, gegebenenfalls Wasser, verwendet wird.

Bei den vorstehenden Ausführungsformen wurde davon ausgegan- gen, dass es sich bei dem für die Synchronmaschine verwende- ten Maschinentyp um einen Motor mit einem Rotor handelt, der eine mehrpolige Rotorwicklung insbesondere mit Hoch-Te-Supra- leitermaterial aufweist (z. B. gemäß der WO 03/047962 A2). Da- bei ist die Rotorwicklung mittels der Rotorkühleinrichtung im Allgemeinen auf einer Betriebstemperatur zwischen 4K und 120 K, vorzugsweise zwischen 25K und 77K, insbesondere zwischen 25K und 35K, zu halten. Eine entsprechende Maschine kann di- rekt als ein Antriebsmotor oder auch als ein Generator für einen Schiffsantrieb vorgesehen sein (vgl. die vorgenannte WO-A2-Schrift). Selbstverständlich lässt sich eine solche Ma- schine auch mit Leitern unter Verwendung von klassischem, me- tallischem Supraleitermaterial oder auch mit normalleitenden, gekühlten Leitern aufbauen.

Die vorstehend beschriebene Kühleinrichtung für die Stator- wicklung 11 lässt sich vorteilhaft mit einer für die Kühlung der Rotorwicklung erforderlichen Kühleinrichtung kombinieren.

Da im Allgemeinen die Betriebstemperatur der Rotorwicklung unter der für die Statorwicklung liegt, kann das für die Küh- lung der Statorwicklung verwendete Kühlmedium Wasser prak- tisch nur zu einer Vorkühlung der Rotorkühleinrichtung heran- gezogen werden. Man sieht deshalb zweckmäßig einen ersten Kühlkreislauf für die Statorkühleinrichtung und einen zweiten Kühlkreislauf für die Rotorkühleinrichtung vor. Das in einem dritten Kühlkreislauf geführte Kühlmedium Wasser wird dann thermisch direkt oder indirekt an den ersten und den zweiten Kühlkreislauf angekoppelt. Gegebenenfalls ist es auch mög-

lich, den Wasserkühlkreislauf in den ersten Kühlkreislauf der Statorkühleinrichtung zu integrieren.

Nachfolgend sei auf einige Gesichtspunkte für die Auslegung eines Waterjet-Antrieb unter Verwendung einer HTS-Synchron- maschine eingegangen.

Die Zielsetzung ist hier im Gegensatz zum POD-Motor anders : Der Antriebsmotor soll im Schiffszwischenboden installiert werden. Priorität hat hier die Optimierung des Durchmessers des Aktivteiles.

Die Länge des Aktivteils ist eher nicht so wichtig.

Ein hohes Gewicht ist eher erwünscht.

Der elektrische Wirkungsgrad sollte hoch sein.

Die Länge der Welle des Waterjet-Antriebes hängt einerseits von der Neigung gegenüber dem Schiffsrumpf, andererseits von der Bauhöhe des Antriebsmotors ab.