EP4385121A1 - Wellengenerator zur generatorischen leistungserzeugung und/oder motorischen leistungsbereitstellung - Google Patents

Wellengenerator zur generatorischen leistungserzeugung und/oder motorischen leistungsbereitstellung

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Publication number
EP4385121A1
EP4385121A1 EP22754364.2A EP22754364A EP4385121A1 EP 4385121 A1 EP4385121 A1 EP 4385121A1 EP 22754364 A EP22754364 A EP 22754364A EP 4385121 A1 EP4385121 A1 EP 4385121A1
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EP
European Patent Office
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stator
rotor
generator
shaft
segments
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP22754364.2A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Klaus KURZ-LIN
André RAMME
Mathias KÜHNER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
A+k Antriebe GmbH
Original Assignee
A+k Antriebe GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by A+k Antriebe GmbH filed Critical A+k Antriebe GmbH
Publication of EP4385121A1 publication Critical patent/EP4385121A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P2207/00—Indexing scheme relating to controlling arrangements characterised by the type of motor
    • H02P2207/07—Doubly fed machines receiving two supplies both on the stator only wherein the power supply is fed to different sets of stator windings or to rotor and stator windings

Definitions

  • the invention relates to a shaft generator for generating power as a generator and/or providing power as a motor, in particular for use in ships, according to the preamble of patent claim 1, and an energy generation and/or drive system with a shaft generator and a drive unit with a shaft according to the preamble of Patent claim 14 and a corresponding ship according to the preamble of patent claim 15.
  • Electromagnetically operated shaft generators for generating power as a generator and/or providing power as a motor are fundamentally known from the prior art.
  • shaft generators are used in the shipping sector for power take-in (PTI) and power take-off (PTO), ie they are operated either as a motor (PTI) or as a generator (PTO) depending on the power required.
  • PTI power take-in
  • PTO power take-off
  • aggregates can preferably be operated to provide (electrical) energy for the ship's on-board system.
  • An additional mechanical power to propel the ship is in This mode is provided directly on the propeller shaft by the shaft generator, which then acts as a shaft motor. This enables e.g.
  • the ship's aggregates (which are usually fueled with diesel oil) can preferably be switched off. Electrical energy, which is required to operate the on-board system, can then be provided emission-free by means of the shaft generator and, if necessary, by means of waste heat recovery from the main engine.
  • the main engine for propelling the ship burns heavy oil, which is cheaper than the diesel oil used in the aggregates.
  • the use of such a shaft generator in the PTI and/or PTO mode has the advantage that in comparison to a ship purely powered by an internal combustion engine, significant emission savings can be achieved, which have a positive effect on the environmental balance of the respective ship.
  • shaft generators By means of the shaft generators, for example, drive energy is electromagnetically tapped directly or indirectly (i.e. via an interposed gear) from a propeller shaft of a ship's propeller or from a main engine (e.g. a diesel engine) of the ship and used to generate energy (PTO mode).
  • a main engine e.g. a diesel engine
  • shaft generators are integrated directly into a shaft train of the propeller shaft, so that the rotor shaft of the shaft generator coincides with the propeller shaft, in other words the rotor of the shaft generator is arranged in one piece and directly on the propeller shaft. Due to the often large dimensioning of a propeller shaft, e.g.
  • a rotor in the order of 40 meters and more, a rotor must be connected to the shaft during manufacture before the propeller shaft is installed in a ship in question in order to mount the rotor on the propeller shaft in such a way to arrange.
  • a disadvantage of this design is that it is not possible to retrofit existing ships that do not yet have a shaft generator, since it is impossible to retrofit a propeller shaft on the ship due to structural conditions and large dimensions of the components. This means that existing ships cannot be retrofitted with sufficient flexibility.
  • shaft generators can also be coupled indirectly or indirectly to the propeller shaft of a ship, for example via a gearbox, in which case the rotor shaft of the shaft generator is in engagement with the propeller shaft via one or more gear stages.
  • this approach has the disadvantage that additional installation space must be made available for the provision of a gear or the like, and the shaft generator can therefore not be designed to be compact.
  • a further disadvantage of existing shaft generators results from the fact that a shaft generator can cause a fire hazard if a fault occurs or can at least cause the ship to brake undesirably. That's how it is b ex. in the event of a short circuit in one of the stator windings, it is possible that a resulting short circuit current through a Breaks down the insulation of the stator windings and/or spreads to other electrical and/or electronic components of the shaft generator and causes a fire hazard there. It is also possible that an undesired braking torque is exerted on the propeller shaft due to a defect in the stator and/or rotor of the shaft generator.
  • the invention has therefore set itself the task of providing a shaft generator and an energy generation and/or drive system with a shaft generator and a drive unit with a shaft in order to overcome the above-mentioned difficulties and, above all, to ensure safe operation with the smallest possible space requirement.
  • a shaft generator for generating power and/or providing power as a motor which comprises a stator and a rotor, the rotor being designed to be arranged around a shaft of a drive unit, in particular bearing-free, and the stator being designed to be arranged around the rotor.
  • the shaft generator according to the invention is characterized in that it comprises at least two frequency converters, the stator can be separated or divided into at least two stator segments and one of the at least two frequency converters is assigned to each of the at least two stator segments.
  • the shaft generator according to the invention is based on the basic idea that existing applications that do not yet have a shaft generator can be retrofitted (retro-fitted) by means of the separability or divisibility of the stator into at least two stator segments.
  • the flexibility of the installation is also significantly increased. All of this was previously not possible with conventional shaft generators.
  • the wave generator according to the invention is characterized in that it directly, d. H. preferably without the interposition of a gear unit, can be connected to a shaft of a drive unit, so that a particularly space-saving and compact design is made possible, which can also be integrated later.
  • the wave generator according to the invention has the advantage that, in the event of a fault, the faulty component s, e.g. B. a short circuit or interturn short in one of the stator segments, which can be isolated as individually as possible. A particularly reliable operation of the shaft generator can thereby be made possible.
  • the at least two stator segments are particularly preferably designed to be reversibly separable and can thus be opened or separated manually and/or (partially) automatically in the event of a fault. It appears advantageous if the at least two stator segments are automatically separated from one another in the event of a fault, so that an immediate reaction to avoid consequential damage is possible. This can be done, for example, via a robot controller.
  • the at least two stator segments can each be individually displaced relative to the rotor after opening or separating, in order to be decoupled from the rotor in this way. This means that an error or fault (e.g. an undesired blocking) can be eliminated immediately. Because the at least two stator segments can be separated individually, it is possible to continue operating the shaft generator at partial load, ie with the remaining stator segment, even after a fault has occurred in one of the stator segments. It is also possible to subsequently replace a faulty stator segment, so that the shaft generator is particularly durable.
  • an error or fault e.g. an undesired blocking
  • the stator can be divided into at least two stator segments, it is possible to reduce short-circuit currents and/or undesired braking torques, since the faulty component (or stator segment) can be removed individually. The malfunction is then ended without the drive unit having to be switched off for this purpose.
  • the at least two stator segments increase the redundancy of the shaft generator according to the invention.
  • the at least two stator segments can preferably be operated as separate electrical systems. Due to the fact that the at least two stator segments can be divided, they can preferably be operated both parallel to one another and also independently of one another. In the event of a fault, the shaft generator can continue to operate at partial load. At the same time, the fault currents and/or an error-based braking torque can be proportionally reduced by removing a faulty segment.
  • the rotor is preferably placed or mounted without bearings, ie without its own bearing, around any shaft of a drive unit. can be arranged.
  • this embodiment has the particular advantage that the rotor can be operated almost maintenance-free. No maintenance of an existing bearing is required.
  • the shaft generator according to the invention is also characterized by a fast reaction time in the range from one to a few milliseconds and a highly efficient efficiency of >98%.
  • a fast reaction time in the range from one to a few milliseconds
  • a highly efficient efficiency of >98% As an overall efficiency, i. H. an efficiency of > 95% based on the provided mechanical wave energy up to the energy conversion to electrical energy at an output of the respective frequency converter can be specified.
  • the shaft generator according to the invention it is possible, for example, to drive ships that were previously only equipped with a purely combustion engine drive unit in an emission control regulated water area, e.g to be operated at least by an electric motor-supported drive of the shaft by means of the shaft generator, which is then operated in a purely motorized mode.
  • the shaft generator according to the invention can preferably be used in the shipping sector for power take-in (PTI) and power take-off (PTO), ie, depending on the required power, it can be operated either as a motor (PTI) or as a generator (PTO).
  • PTI power take-in
  • PTO power take-off
  • aggregates can then preferably be operated to provide (electrical) energy for an on-board system of the ship.
  • a (possibly additional) mechanical power to propel the ship is provided in this mode by the shaft generator, which then acts as a shaft motor, directly on the propeller shaft.
  • This enables, for example, an electrified boost (or thrust) operation when entering a ship into a port or when maneuvering the ship in the port, without the Combustion performance of the combustion-based drive unit must be increased.
  • the ship's aggregates which are usually fueled with diesel oil
  • Electrical energy which is required to operate the on-board system, can then be provided emission-free by means of the shaft generator and, if necessary, by means of waste heat recovery from the drive unit.
  • the integration of the shaft generator according to the invention in an energy management system appears to be particularly preferred, in order to enable hybrid operation, comprising the shaft generator and a (for example combustion-based) drive unit.
  • the shaft generator can preferably include two frequency converters or more than two frequency converters.
  • the stator can also comprise two stator segments or more than two stator segments. The wording is to be interpreted as equivalent in each case, regardless of the respective component.
  • shaft generator for generating power as a generator and/or providing power as a motor is to be understood here to mean that the shaft generator according to the invention can be operated both purely as a generator and as a motor, ie as a shaft motor.
  • the term “shaft generator” in the present case includes both generator and motor operation.
  • the shaft generator is preferably in the form of an electromagnetic machine, for example as a permanent magnet excited synchronous machine or as an externally excited synchronous machine.
  • shaft generators can also be designed as other electromagnetic machines, for example as asynchronous machines, transverse flux machines, direct current machines or the like, with a different electromagnetic design being required in each case.
  • Toric operation of the shaft generator is a rotation of the shaft of a drive unit (not belonging to the shaft generator), e.g. a combustion engine of a ship, used to provide electrical power at the output of the respective frequency converter via electromagnetic energy conversion.
  • the rotor rotates in the stator due to the externally excited rotation of the shaft and thereby generates an electromagnetic rotating field that has a definable electromagnetic power density.
  • a frequency-stable electrical output power can then be provided by means of the frequency converter and used by various consumers.
  • electromagnetic poles of the stator are fed with electrical power via the frequency converter.
  • the rotor which can be rotated with the shaft, is caused to rotate by the rotary field that is thereby excited within the stator. Since the rotor is arranged immovably around the shaft in relation to the latter, the shaft rotates together with the rotor and can thus, for example, drive a ship's propeller.
  • the wording “is set up to be arranged around a shaft of a drive unit, in particular without bearings” describes that the rotor can preferably be placed around an existing shaft at a later date.
  • the rotor can preferably be mounted on a respective shaft in such a way that it cannot rotate in relation to the shaft, that is to say it is fixedly connected to it (preferably in a reversibly detachable manner).
  • no bearing is provided between the rotor and the shaft. It is therefore particularly preferred if the rotor can be arranged in a stationary manner around an existing shaft.
  • the stator is set up to be arranged around the rotor” describes that the stator can preferably be arranged around the rotor without contact.
  • the rotor is thus preferably mounted on a shaft, and the stator is then if possible fixed concentrically around the rotor. Due to the subdivision into at least two stator segments, the stator is not permanently arranged around the rotor after it has been arranged, but rather is arranged reversibly around it.
  • the stator segments can preferably be removed or separated from the rotor individually. In this preferably concentric arrangement, viewed in the radial direction, there is an air gap between an inner lateral surface of the essentially hollow-cylindrical stator and the essentially annular rotor. In this arrangement, the stator and rotor preferably do not touch.
  • the term “rotor” is understood to mean a rotating part of an electrical machine, in this case the shaft generator.
  • the rotor can also be referred to as a rotor, armature, inductor or flywheel.
  • the rotor is usually surrounded by the stationary stator (also called stand) and separated from it only by a small air gap.
  • the rotor can be constructed, for example, cylindrically.
  • the rotor can comprise electrical laminations which are electrically insulated from one another and have a layered structure. Distributed over a circumference of the rotor, grooves which accommodate so-called rotor windings can be let into the electrical laminations parallel to an axis of rotation of the rotor.
  • the number of rotor windings is determined from a desired number of pole pairs of the wave generator, with two rotor windings being provided for each pole pair.
  • the rotor can also include permanent magnets (or permanently magnetized permanent magnets during production) instead of rotor windings, which provide one or more pole pairs.
  • permanent magnets are used, for example, in permanent magnet machines, which belong to the synchronous machines.
  • the advantage here is a higher degree of efficiency, since no electrical energy is required to generate the rotor magnetic field during operation.
  • the term "stator” is understood to mean the immovable part of the shaft generator.
  • the stator is also often referred to as a stand.
  • the stator In the assembled state of the at least two stator segments, the stator preferably essentially has the shape of a hollow cylinder. Distributed over a circumference of the stator, a plurality of stator windings can be arranged parallel to an axis of rotation of the rotor. Particularly in the medium and high-power range, it is preferred that rod-shaped (wire) strands, mostly made of copper, are used instead of individual windings in order to provide a corresponding flow cross section.
  • the strands are each provided in the form of individual conductor loops that are insulated from one another.
  • the strands can have a cross-section in the centimeter range. The number of pole pairs selected for the shaft generator determines the number of stator windings.
  • the "number of pole pairs p" means the number of pairs of magnetic poles within rotating electrical machines, i.e. a multiple of two poles.
  • frequency converter is to be understood as meaning a power converter that generates a different type of AC voltage (differing in amplitude and/or frequency) from a supply AC voltage.
  • both an output frequency and an output amplitude can preferably be variable.
  • frequency converters can be supplied with single-phase AC voltage, three-phase AC voltage or DC voltage and from this generate a three-phase AC voltage with a predeterminable frequency.
  • the shaft generator By means of the shaft generator according to the invention, it is thus possible to ensure consistent and safe operation of the same by simply, quickly and reliably removing the faulty component, and to achieve significant emission savings compared to a ship purely powered by an internal combustion engine. At the same time, a more flexible, cheaper, easier and / or space-saving installation of such a shaft generator, and in particular the possibility of a quick, simple and flexibly configurable retrofitting provided with a compact, space-saving design. In addition, it is possible, in particular due to the simple, compact design and reduced number of parts, to save manufacturing and material costs as well as total weight to a considerable extent.
  • the rotor can also be separated into at least two rotor segments.
  • This configuration is particularly advantageous when it comes to retrofitting the shaft generator, since the rotor can be subsequently arranged around any shaft of any drive unit or fixed in a rotationally fixed manner due to the separability into segments.
  • This allows the rotor to be positioned particularly freely on an existing shaft.
  • An existing shaft does not have to be specially modified in order to be able to arrange a rotor on it.
  • One possibility for a reversible, non-rotatable connection of the at least two rotor segments to a shaft can be provided, for example, via one or more bracing elements, screws or the like.
  • non-reversible connections such as welding, soldering or gluing are at least conceivable. In this case, however, the rotor can no longer be reversibly detached from the shaft.
  • the advantages and configurations that were mentioned in connection with the at least two stator segments apply in a corresponding manner to the at least two rotor segments, without being mentioned again at this point.
  • the at least two stator segments are each designed to be displaced radially and/or axially. An electromagnetic decoupling of the relevant segment is thus possible in a simple manner.
  • the relevant segment is spaced apart from the remaining components of the wave generator and consequently no longer interacts electromagnetically with them.
  • the at least two rotor segments are each designed to be displaced radially and/or axially. It is thus possible for a stator segment and/or a rotor segment to be individually separated and displaced axially and/or radially in relation to the other stator segments and/or rotor segments.
  • a radial displaceability is understood to mean that the segment in question can be moved away in a translatory manner to a radial direction about the axis of rotation of the rotor.
  • An axial displaceability is understood to mean that the segment in question can be moved away in a translatory manner in relation to the axis of rotation of the rotor. It is thus possible to separate the relevant segment from the shaft generator. In the event of a fault, for example, a faulty segment can first be separated from the shaft generator and then moved away from it in order to enable complete decoupling from the electromagnetic system of the shaft generator. The respective segments can also be moved away in different directions. In addition, it is also fundamentally conceivable that a respective segment can be moved away transversely to a radial direction and/or transversely to an axial direction or along a curved path. It should be noted that the term "segment" as used herein can refer to one or more stator segments and/or rotor segments alike.
  • the radial and/or axial displaceability can be ensured, for example, via a rail guide on which the at least two stator segments and/or the at least two rotor segments are arranged.
  • the shaft generator particularly preferably has at least one Rail guide on which the at least two stator segments and / or the at least two rotor segments are arranged relative to each other and can be moved so axially and / or radially opposite each other.
  • the at least two stator segments and/or the at least two rotor segments can preferably be moved relative to one another in opposite directions along a preferably linear path (for example the rail guide).
  • Other displacement systems or traversing systems such. B. , Robot arms, crane guides or the like, on which the at least two stator segments and/or the at least two rotor segments are arranged in order to be moved in this way, are conceivable and possibly advantageous.
  • the at least two stator segments are each designed to be operated independently of one another as a motor and/or generator by means of the respective frequency converter.
  • the two stator segments thus preferably each form independent systems that can be operated independently of one another.
  • the wave generator can thus continue to be operated with only one half of the stator, for example, if the relevant other half of the stator has a defect and consequently has to be removed.
  • the provision of the subsystems is possible in particular in that the individual stator segments each have stator windings with a closed number of pole pairs per stator segment. For example, a relevant stator segment may have 2, 4, 6, 8 or 10 pole windings (i.e. 1, 2, 3, 4 or 5 pole pairs).
  • the provision of the individual subsystems is also made possible by the shaft generator comprising at least two converters.
  • a frequency converter is assigned to each stator segment, so that each stator segment can be operated on its own using its own frequency converter.
  • the converter in question it is particularly preferably possible for the converter in question to use it to detect faults in the stator segment in question becomes. If the frequency converter in question detects an error, e.g.
  • the stator can be separated into 4, 6, 8 or 10 stator segments and/or the rotor can be separated into 4, 6, 8 or 10 rotor segments.
  • the stator and/or the rotor can also be segmented at a higher level, so that the stator and/or the rotor can each also be made separable into more than two subsystems that can be operated independently of one another.
  • the stator and/or the rotor each have a number of segments that corresponds to an even multiple of two. In principle, it is conceivable that the stator and the rotor have different numbers of segments from one another.
  • stator can be divided into four segments and the rotor can be divided into two segments.
  • stator and/or the rotor can also be divided into 3, 5, 7, 9 and more odd-numbered segments.
  • the at least two stator segments and/or the at least two rotor segments are each designed in the form of a hollow cylinder segment.
  • the term “hollow cylinder segments” is understood here to mean that the respective segments have the shape of a hollow cylinder divided (mirror-) symmetrically along its longitudinal axis. If the stator can be divided into two stator segments, for example, each stator segment has the shape of a half-shell of a hollow cylinder, for example.
  • the stator and preferably also the rotor are preferably divided into segments in such a way that the stator and preferably the rotor along are separated by a sectional plane which is spanned by the axis of rotation of the rotor and the radial direction orthogonal thereto.
  • each of the at least two frequency converters is designed to operate the respective stator segment of the at least two stator segments as a motor and/or as a generator. It is therefore possible by means of the respective frequency converter to control the shaft generator from - 100% (corresponds to purely motor operation) to 0% (corresponds to idling of the shaft generator) and up to + 100% (corresponds to purely regenerative operation of the shaft generator). preferably to allow stepless.
  • a self-contained subsystem is formed by the respective frequency converter and the respective associated stator segment. With such a subsystem, together with the rotor, both generator and motor operation of the shaft generator can be made possible, at least in partial load.
  • the shaft generator it is conceivable for the shaft generator to have a power range from 500 kilowatts to 15,000 kilowatts. In principle, other power ranges are also conceivable.
  • the shaft generator can therefore preferably provide 500 kilowatts to 15,000 kilowatts of electrical power as a generator or provide 500 kilowatts to 15,000 kilowatts of electrical power as a motor in the form of mechanical power, which is made available at the shaft.
  • the air gap of the shaft generator according to the invention is larger than an air gap when stationary of technology, which usually has a size of 1 to 1.5 millimeters.
  • the air gap is large compared to the prior art, the electromagnetic losses are to be assessed as low, so that a high degree of efficiency of the shaft generator of >98% is nevertheless provided.
  • the invention has recognized that dispensing with a bearing has more advantages than there are efficiency disadvantages (due to greater magnetic losses) associated with an air gap that consequently has to be designed to be larger.
  • the stator has a diameter of at least 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450 to at least 500 centimeters. In principle, an even larger dimensioned configuration of the stator is also conceivable. B eg. the stator can also have a diameter of at least 600, 700, 800, 900 centimeters and more. It should be made clear that in the present case all intermediate sizes of the stator that are not explicitly mentioned are also included.
  • the shaft generator has a total weight of 3000 to 30000 kilograms.
  • a heavier or lighter design of the shaft generator is also conceivable. It depends in particular on the respective material selection, which is subject to the technical ability, and the desired application of the shaft generator.
  • stator and the rotor and the at least two frequency converters form components of an electrical synchronous machine.
  • the shaft generator is therefore preferably designed as a permanent magnet excited or externally excited synchronous machine.
  • the invention also includes an energy generation and/or drive system with a shaft generator according to the invention and a drive unit with a shaft, the rotor (preferably bearing-free) being arranged around the shaft, the stator being arranged around the rotor and the shaft being connected by means of the drive unit and/or the shaft generator can be rotated.
  • the shaft of such a drive unit can b spw. have a length of up to 40 meters and more and be arranged, for example, in a hull area of a ship.
  • Shaft generators according to the invention or energy generation and/or drive systems with such shaft generators are particularly preferably used in the shipping sector, in particular on sea freight ships, transport ships, naval ships, cruise ships, yachts, tank ships, research ships.
  • the use of the shaft generators according to the invention or the energy generation and/or propulsion systems with such shaft generators is in no way limited to shipping, but can in principle be used wherever a rotatable shaft of a propulsion system of any kind is used.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a shaft generator and a shaft of a drive unit in an operational state
  • FIG. 2 shows a perspective view of a shaft generator with separate stator segments that are radially displaced relative to one another;
  • Fig. 3 separated and mutually radially displaced rotor segments together with a shaft of a drive unit in a perspective view.
  • FIG. 5 shows a perspective view of stator segments which are separated and radially displaced relative to one another.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a shaft generator 01 according to the invention.
  • the shaft generator 01 has a stator 02 and a rotor 03 .
  • the rotor 03 is bearing-free, i. H. without a bearing, arranged fixedly on a shaft 04 or connected to it in a rotationally fixed manner.
  • the shaft 04 is e.g. a ship engine, can be driven.
  • the stator 02 is arranged concentrically around the rotor 03 .
  • the rotor 03 is separated from the stator 02 without contact via an air gap (not shown in detail) and can rotate in the stator 02 .
  • the stator 02 has at least two stator segments 05, 06.
  • the stator 02 comprises a first stator segment 05 and a second stator segment 06.
  • the stator segments 05, 06 are each designed in the shape of a half shell.
  • the stator segments 05, 06 can be separated from one another, with the stator segments 05, 06 being reversibly detachably joined together in the state shown in Figure 1, so that in In this state, the stator 02 essentially has the shape of a hollow cylinder.
  • the two stator segments 05, 06 can, for example, be connected to one another to form the stator 02 via a reversible clamping or screw connection, which can be provided on the respective end tabs 07 of the stator segments 05, 06.
  • the tabs 07 are provided as radially protruding sections on the respective end sections of the stator segments 05, 06 (see also FIGS. 4 and 5).
  • Other connections are also conceivable in principle, which ensure that the stator segments 05, 06 can be separated from one another again, preferably individually, after they have been assembled to form the stator 02.
  • the shaft generator 01 comprises at least two frequency converters, not shown in FIG. H. at least a first frequency converter 08 and a second frequency converter 09.
  • FIG. 1 only shows the first terminal box 08a for connecting the first frequency converter 08 and the second terminal box 09a for connecting the second frequency converter 09.
  • One of the at least two frequency converters 08, 09 is assigned to each of the at least two stator segments 05, 06.
  • the first frequency converter 08 is assigned to the first stator segment 05; H. electrically connected to it.
  • the second frequency converter 09 is assigned to the second stator segment 06; H. electrically connected to it.
  • the respective frequency converter 08, 09, together with the respective stator segment 05, 06 forms a self-contained electromagnetically active system which, in conjunction with the rotor 03, can be operated independently of one another both as a generator and as a motor.
  • the shaft generator 01 has a rail guide 10, which in the present case is aligned orthogonally to an axis of rotation 11 of the rotor 03 or to the axis of rotation 11 of the shaft 04.
  • a guide 12 is provided on each of the at least two stator segments 05, 06.
  • the respective GE guide 12 is firmly connected at one end to the relevant stator segment 05, 06, for example. Welded to it.
  • the respective guide 12 engages in the rail guide 10 so that the guide 12 is movably arranged on the rail guide 10 .
  • By means of the rail guide 10 it is possible to move or move the respective separate stator segment 05, 06 away from the rotor 03 individually in the radial direction.
  • FIG. 2 shows, for example, that the two stator segments 05, 06 are each moved in the radial direction opposite to one another along the rail guide 10 away from the rotor 03.
  • the stator segments 05, 06 are each electromagnetically decoupled from the rotor 03. In the event of a malfunction in one of the stator segments 05, 06, it is thus possible to effectively decouple them.
  • the rotor 03 can thus continue to rotate with the shaft 04 without electromagnetic feeding into the stator, which could cause a fire hazard in the event of a fault.
  • the rotor 03 is shown in an isolated view, ie without the stator 02, but with the shaft 04.
  • the rotor 03 can also be separable into at least two rotor segments 13, 14 according to the invention.
  • the rotor 03 therefore has a first rotor segment 13 and a second rotor segment 14 .
  • the two rotor segments 13 , 14 separate the rotor 03 into two halves with mirror symmetry.
  • the rotor 03 or the rotor segments 13, 14 have permanent magnet poles, each with alternating polarity, arranged along an outer circumference of the respective rotor segment 13, 14, ie on a respective partial lateral surface.
  • the rotor 03 forms part of a permanently excited synchronous machine.
  • the rotor segments 13, 14 are each designed with a spoke-like inner area.
  • the rotor 03 is therefore not designed as a continuous circular disc, but rather has the shape of a wheel rim with a large number of recesses. These essentially serve to reduce the weight and reduce an initial moment of inertia when the rotor 03 starts up.
  • FIGS. 4 and 5 the stator 02 is shown again in an isolated representation.
  • FIG. 4 shows the stator 02 in an assembled state, as was already shown in FIG.
  • FIG. 5 shows the stator 02 in a state in which the at least two stator segments 05, 06 are separated from one another and are each moved away from one another in the radial direction along the rail guide.
  • the stator 02 comprises a multiplicity of stator windings 15 which are distributed along an inner lateral surface of the stator 02 and are each arranged insulated from one another.
  • the number of stator windings 15 is determined by the number of pole pairs of the wave generator 01.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wellengenerator (01 ) zur generatorischen Leistungserzeugung und/oder motorischen Leistungsbereitstellung, umfassend einen Stator (02) und einen Rotor (03), wobei der Rotor (03) dazu ausgebildet ist, um eine Welle (04) einer Antriebseinheit, insbesondere lagerfrei, angeordnet zu werden, und der Stator (02) dazu ausgebildet ist, um den Rotor (03) angeordnet zu werden, wobei der Wellengenerator (01 ) zumindest zwei Frequenzumrichter (08, 09) umfasst, der Stator (02) in zumindest zwei Statorsegmente (05, 06) trennbar ist und jedem der zumindest zwei Statorsegmente (05, 06) einer der zumindest zwei Frequenzumrichter (08, 09) zugeordnet ist.

Description

'Wellengenerator zur generatorischen Leistungserzeugung und/oder motorischen Leistungsbereitstellung'
Die Erfindung betrifft einen Wellengenerator zur generatorischen Leistungserzeugung und/oder motorischen Leistungsbereitstellung, insbesondere zur Anwendung in Schiffen, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 , sowie ein Energieerzeugungs- und/oder Antrieb ssystem mit einem Wellengenerator und einer Antrieb seinheit mit einer Welle nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 14 und ein entsprechendes Schiff nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 15.
Aus dem Stand der Technik sind elektromagnetisch betriebene Wellengeneratoren zur generatorischen Leistungserzeugung und/oder motorischen Leistungsbereitstellung grundsätzlich bekannt. So werden Wellengeneratoren im Schifffahrtsbereich beispielsweise zum Power Take In (PTI) und Power Take Off (PTO) eingesetzt, d. h. j e nach geforderter Leistung entweder motorisch (PTI) oder generatorisch (PTO) betrieben. Im PTI- Modus können vorzugswei se Aggregate zur Bereitstellung einer (elektrischen) Energie für das Bordsystem des Schiffes betrieben werden. Eine zusätzliche mechanische Lei stung zum Antrieb des Schiffes wird in diesem Modus durch den Wellengenerator, der sodann al s Wellenmotor fungiert, unmittelbar an der Propellerwelle bereitgestellt. Dies ermöglicht b spw. einen elektrifizierten Boost-Betrieb beim Einfahren eines Schiffes in einen Hafen oder beim Manövrieren des Schiffes im Hafen, ohne dass die Verbrennungsleistung der Hauptmaschine erhöht werden muss. Im PTO-Modus können hingegen vorzugsweise die Aggregate des Schiffes (die zumeist mit Dieselöl befeuert werden) abgeschaltet sein. Eine elektrische Energie, die zum Betreiben des Bordsystems nötig ist, kann dann mittels des Wellengenerators und ggf. mittels Abwärmerückgewinnung aus der Hauptmaschine emissionsfrei bereitgestellt werden. Die Hauptmaschine zum Antrieb des Schiffes verbrennt dabei Schweröl, welches billiger ist als das Dieselöl, welches in den Aggregaten eingesetzt wird. Der Einsatz eines derartigen Wellengenerators im PTI- und/oder PTO-Modus hat den Vorteil, dass hierdurch im Vergleich zu einem rein Verbrennungsmotor-betriebenen Schiff bedeutsame Emissionseinsparungen erzielt werden können, die sich positiv auf die Umweltbilanz des j eweiligen Schiffes auswirken.
Mittels der Wellengeneratoren wird also beispielsweise eine Antrieb senergie unmittelbar oder mittelbar (d. h. über ein zwischengeschaltetes Getriebe) von einer Propellerwelle eines Schiffspropellers oder von einer Hauptmaschine (bspw. einem Dieselmotor) des Schiffes elektromagnetisch abgegriffen und zur Energieerzeugung verwendet (PTO- Modus). Insbesondere ist es dabei bekannt, dass Wellengeneratoren direkt in einen Wellenstrang der Propellerwelle eingebunden bzw. in diesen integriert sind, so dass die Rotorwelle des Wellengenerators mit der Propellerwelle übereinstimmt, mit anderen Worten also der Rotor des Wellengenerators einstückig und unmittelbar auf der Propellerwelle angeordnet ist. Aufgrund der oftmals großen Dimensionierung einer Propellerwelle, bspw. in der Größenordnung von 40 Metern und mehr, muss ein Rotor vor dem Einbau der Propellerwelle in ein betreffendes Schiff bereits im Zuge der Herstellung der Welle mit dieser verbunden werden, um den Rotor derart auf der Propellerwelle anzuordnen. Ein Nachteil dieser Bauart ist darin zu sehen, dass ein Nachrüsten bestehender Schiffe, die noch keinen Wellengenerator aufweisen, nicht möglich ist, da es aufgrund konstruktiver Gegebenheiten und großer Dimensionierungen der Bauteile unmöglich ist, eine Propellerwelle nachträglich nochmals auf dem Schiff aufzubauen. Somit können bestehende Schiffe nicht mit einer hinreichenden Flexibilität nachgerüstet werden.
Zur zumindest ansatzweisen Lösung dieses Nachteils können Wellengeneratoren bspw. auch über ein Getriebe mit der Propellerwelle eines Schiffes indirekt bzw. mittelbar gekoppelt werden, wobei in einem derartigen Fall die Rotorwelle des Wellengenerators über eine oder mehrere Getriebestufen mit der Propellerwelle in Eingriff steht. Dieser Lösungsansatz hat allerdings wiederum den Nachteil, dass zusätzlicher Bauraum für ein Vorsehen eines Getriebes oder Ähnlichem bereitgestellt werden muss, und somit der Wellengenerator nicht kompakt gestaltet werden kann.
Insbesondere aufgrund des immer stärker werdenden globalen Druckes in sämtlichen Industriesektoren, Emissionen durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe (wie bspw. Schweröl und Dieselöl) weitestgehend zu minimieren, ist es für die Schifffahrt als Motor des Welthandels wünschenswert, eine Möglichkeit eines emi ssionseinsparenden Betriebes mittels eines Wellengenerators auch als nachrüstbare Lösung bereitzustellen, um so zum einen eine maximale Nutzungsdauer der bestehenden Schiffe ausnutzen zu können und zum anderen geforderten Emi ssionsschutzzielen nachzukommen.
Ein weiterer Nachteil bestehender Wellengeneratoren ergibt sich dadurch, dass ein Wellengenerator im Auftreten eines Fehlerfalles eine Brandgefahr hervorrufen kann oder zumindest einen ungewünschten Bremsfall des Schiffes verursachen kann. So ist es b spw. bei einem Kurzschluss in einer der Statorwicklungen möglich, dass bei sich weiterdrehender Propellerwelle ein resultierender Kurzschlussstrom durch eine Isolierung der Statorwicklungen durchschlägt und/oder in weitere elektrische und/oder elektronische Komponenten des Wellengenerators übergreift und dort eine Brandgefahr verursacht. Ebenfalls ist es möglich, dass durch einen Defekt im Stator und/oder Rotor des Wellengenerators ein ungewünschtes Bremsmoment auf die Propellerwelle ausgeübt wird. Die genannten Fehlerfälle gilt es grundsätzlich zu vermeiden, da ein Brand ursächlich für eine Schiffshavarie sein kann und ein ungewünschter Bremsfall weitere Nachteile nach sich ziehen kann. Ferner sind solche Fehlerfälle bestehender Wellengeneratoren grundsätzlich nur durch ein Abschalten der Hauptmaschine und ein nachträgliches Warten des Wellengenerators lösbar, wodurch allerdings das betreffende Schiff manövrierunfähig ist, was es insbesondere auf hoher See zu vermeiden gilt.
Aufgrund des Vorgenannten besteht ein Bedarf, einen Wellengenerator derart weiterzuentwickeln, dass ein flexibler, kostengünstiger, einfacher und/oder bauraumsparender Einbau eines solchen sowie ein sicherer Betrieb möglich ist und insbesondere die Möglichkeit einer Nachrüstbar- keit bereitgestellt werden kann. Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, einen Wellengenerator und ein Energieerzeugungs- und/oder Antriebssystem mit einem Wellengenerator und einer Antriebseinheit mit einer Welle bereitzustellen, um die oben genannten Schwierigkeiten zu überwinden und um vor allem den sicheren Betrieb bei kleinstmöglichem Platzbedarf zu gewährleisten.
Diese Aufgabe wird auf überraschend einfache und wirkungsvolle Weise durch einen Wellengenerator nach der Lehre des unabhängigen Patentanspruchs 1 , ein Energieerzeugungs- und/oder Antriebssystem mit einem Wellengenerator und einer Antrieb seinheit mit einer Welle nach der Lehre des unabhängigen Patentanspruchs 14, sowie ein entsprechendes Schiff nach der Lehre des unabhängigen Patentanspruchs 15 gelöst.
Erfindungsgemäß ist ein Wellengenerator zur generatorischen Leistungserzeugung und/oder motorischen Leistungsbereitstellung vorgeschlagen, der einen Stator und einen Rotor umfasst, wobei der Rotor dazu ausgebildet ist, um eine Welle einer Antrieb seinheit, insbesondere lagerfrei, angeordnet zu werden, und der Stator dazu ausgebildet ist, um den Rotor angeordnet zu werden. Der erfindungsgemäße Wellengenerator ist dadurch gekennzeichnet, dass er zumindest zwei Frequenzumrichter umfasst, der Stator in zumindest zwei Statorsegmente trennbar bzw. teilbar ist und j edem der zumindest zwei Statorsegmente einer der zumindest zwei Frequenzumrichter zugeordnet ist.
Der erfindungsgemäße Wellengenerator beruht auf dem Grundgedanken, dass mittels der Trennbarkeit bzw. Teilbarkeit des Stators in zumindest zwei Statorsegmente ein Nachrüsten (Retro-Fit) bestehender Anwendungen, die noch keinen Wellengenerator aufweisen, möglich ist. So ist es bspw. möglich, in ein Schiff ohne Wellengenerator den erfindungsgemäßen Wellengenerator nachträglich einzubauen, ohne dass eine Modifikation des sonstigen Antriebsstranges erforderlich ist. Eine besonders effiziente und schnelle Installation des Wellengenerators ist so gewährleistet. Auch wird die Flexibilität des Einbaus entscheidend erhöht. All dies war bislang mit konventionellen Wellengeneratoren nicht möglich. Ebenfalls zeichnet sich der erfindungsgemäße Wellengenerator dadurch aus, dass er unmittelbar, d. h. vorzugsweise ohne ein Zwischenschalten eines Getriebes, mit einer Welle einer Antrieb seinheit verbindbar ist, so dass ein besonders bauraumsparendes und kompaktes Design ermöglicht wird, das auch nachträglich integrierbar ist.
Ebenfall s weist der erfindungsgemäße Wellengenerator den Vorteil auf, dass im Fehlerfall eine einfache und schnelle Beseitigung des fehlerbehafteten Bauteil s, z. B . eines Kurz- oder Windungsschlusses in einem der Statorsegmente, durch deren möglichst einzelne Trennbarkeit möglich ist. Hierdurch kann ein besonders sicherer Betrieb des Wellengenerators ermöglicht werden. Besonders bevorzugt sind die zumindest zwei Statorsegmente reversibel trennbar ausgeführt und können so im Fehlerfall manuell und/oder (teil-) automatisch geöffnet bzw. getrennt werden. Vorteilhaft erscheint es, wenn die zumindest zwei Statorsegmente im Fehlerfall automatisch voneinander getrennt werden, so dass eine unmittelbare Reaktion zur Vermeidung von Folgeschäden möglich ist. Dies kann bspw. über eine Robotersteuerung erfolgen. Besonders bevorzugt können die zumindest zwei Statorsegmente nach dem Öffnen bzw. Trennen j eweils einzeln relativ zu dem Rotor verschoben werden, um so von dem Rotor entkoppelt zu werden. Somit ist eine sofortige Beseitigung eines Fehlerfalles bzw. Störfalles (z. B . ein unerwünschtes Blockieren) möglich. Durch die j eweils einzelne Trennbarkeit der zumindest zwei Statorsegmente ist es möglich, auch nach dem Auftreten eines Fehlerfalles in einem der Statorsegmente den Betrieb des Wellengenerators in Teillast, d. h. mit dem verbleibenden Statorsegment, weiterzuführen. Auch ein Ersetzen eines fehlerhaften Statorsegments ist nachträglich möglich, so dass der Wellengenerator besonders langlebig ist. Zudem ist durch die Teilbarkeit des Stators in die zumindest zwei Statorsegmente eine Reduzierung von Kurzschlussströmen und/oder unerwünschten Bremsmomenten möglich, da das fehlerbehaftete Bauteil (bzw. Statorsegment) einzeln entfernt werden kann. Der Störfall ist sodann beendet, ohne dass hierfür die Antriebseinheit abgeschaltet werden muss. Mit anderen Worten erhöhen die zumindest zwei Statorsegmente die Redundanz des erfindungsgemäßen Wellengenerators. Die zumindest zwei Statorsegmente können vorzugsweise nämlich als voneinander getrennte elektrische Systeme betrieben werden. Durch die Teilbarkeit der zumindest zwei Statorsegmente sind diese vorzugsweise sowohl parallel zueinander also auch unabhängig voneinander betreibbar. Im Fehlerfall kann der Betrieb des Wellengenerators in Teillast aufrechterhalten werden. Gleichzeitig können durch das Entfernen eines fehlerbehafteten Segmentes die Fehlströme und/oder ein fehlerbasiertes Bremsmoment anteilig reduziert werden.
Besonders vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Wellengenerator ist auch, dass der Rotor vorzugsweise lagerfrei, d. h. ohne eine eigene Lagerung, um eine beliebige Welle einer Antriebseinheit platziert bzw. angeordnet werden kann. Gegenüber dem Stand der Technik, in dem der Rotor zumei st aufwendig mittels einer eigenen Lagerung um die Welle herum angeordnet werden muss, hat diese Ausführung insbesondere den Vorteil, dass der Rotor nahezu wartungsfrei betrieben werden kann. Es ist also keine Wartung einer bestehenden Lagerung erforderlich.
Ebenfalls zeichnet sich der erfindungsgemäße Wellengenerator durch eine schnelle Reaktionszeit im Bereich von einer bis wenigen Millisekunden sowie einen hocheffizienten Wirkungsgrad von > 98 % aus. Als ein Gesamtwirkungsgrad, d. h. ein Wirkungsgrad ausgehend von der bereitgestellten mechanischen Wellenenergie bis zur Energiekonversion zu elektrischer Energie an einem Ausgang des j eweiligen Frequenzumrichters, kann eine Größenordnung von > 95 % angegeben werden.
Durch den erfindungsgemäßen Wellengenerator ist es bspw. möglich, Schiffe, die bislang nur mit einer rein verbrennungsmotori schen Antrieb seinheit ausgerüstet waren, in einem emi ssionsschutzregulierten Gewässergebiet, bspw. in einer küstennahen Grenzzone, emissionsfrei oder zumindest emissionsminimiert durch einen rein elektromotorischen Antrieb der Welle oder zumindest durch einen elektromotorisch unterstützten Antrieb der Welle mittels des Wellengenerators, der sodann in einem rein motorischen Betrieb betrieben wird, zu betreiben. Der erfindungsgemäße Wellengenerator kann vorzugsweise im Schifffahrtsbereich zum Power Take In (PTI) und Power Take Off (PTO) eingesetzt, d. h. j e nach geforderter Leistung entweder motorisch (PTI) oder generatorisch (PTO), betrieben werden. Im PTI-Modus können sodann vorzugsweise Aggregate zur Bereitstellung einer (elektri schen) Energie für ein Bordsystem des Schiffes betrieben werden. Eine (ggf. zusätzliche) mechanische Leistung zum Antrieb des Schiffes wird in diesem Modus durch den Wellengenerator, der sodann als Wellenmotor fungiert, unmittelbar an der Propellerwelle bereitgestellt. Dies ermöglicht bspw. einen elektrifizierten Boost- (bzw. Schub-) Betrieb beim Einfahren eines Schiffes in einen Hafen oder beim Manövrieren des Schiffes im Hafen, ohne dass die Verbrennungsleistung der verbrennerbasierten Antriebseinheit erhöht werden muss. Im PTO-Modus können hingegen vorzugsweise die Aggregate des Schiffes (die zumeist mit Dieselöl befeuert werden) abgeschaltet sein. Eine elektrische Energie, die zum Betreiben des Bordsystems nötig ist, kann dann mittels des Wellengenerators und ggf. mittels Abwärmerückgewinnung aus der Antrieb seinheit emissionsfrei bereitgestellt werden.
Besonders bevorzugt erscheint die Einbindung des erfindungsgemäßen Wellengenerators in ein Energie-Managementsystem, um so einen hybriden Betrieb, umfassend den Wellengenerator und eine (bspw. verbrennerbasierte) Antrieb seinheit, zu ermöglichen.
Die Formulierung „zumindest zwei“ beschreibt, dass es von dem entsprechenden Bauteil zwei oder mehrere Bauteile geben kann. So kann der Wellengenerator vorzugsweise zwei Frequenzumrichter oder mehr als zwei Frequenzumrichter umfassen. Auch kann der Stator zwei Statorsegmente oder mehr als zwei Statorsegmente umfassen. Die Formulierung ist unabhängig von dem j eweiligen Bauteil j eweils gleichwertig aufzufassen.
Unter dem Begriff „Wellengenerator“ zur generatorischen Leistungserzeugung und/oder motori schen Leistungsbereitstellung ist vorliegend zu verstehen, dass der erfindungsgemäße Wellengenerator sowohl rein generatorisch als auch rein motorisch, dann also al s Wellenmotor, betrieben werden kann. Der Begriff „Wellengenerator“ umfasst vorliegend sowohl den generatorischen also auch motori schen Betrieb . Der Wellengenerator ist vorzugsweise in der Art einer elektromagnetischen Maschine, bspw. als eine permanentmagneterregte Synchronmaschine oder als eine fremderregte Synchronmaschine, ausgeführt. Grundsätzlich können Wellengeneratoren auch als andere elektromagnetische Maschinen, bspw. als Asynchronmaschinen, Transversalflussmaschinen, Gleichstrommaschinen oder Ähnliches, ausgeführt sein, wobei j eweils eine verschiedene elektromagnetische Auslegung erforderlich ist. Im genera- torischen Betrieb des Wellengenerators wird eine Drehung der Welle einer (nicht zu dem Wellengenerator gehörenden) Antrieb seinheit, bspw. ein Verbrennungsmotor eines Schiffes, dazu genutzt, über elektromagnetische Energiewandlung elektrische Leistung am Ausgang der j eweiligen Frequenzumrichter bereitzustellen. Dabei dreht sich der Rotor aufgrund der fremderregten Drehung der Welle in dem Stator und erzeugt dadurch ein elektromagnetisches Drehfeld, das eine definierbare elektromagnetische Leistungsdichte aufweist. Mittels der Frequenzumrichter kann sodann eine frequenzstabile elektrische Ausgangsleistung bereitgestellt und von verschiedenen Verbrauchern genutzt werden. Im motorischen Betrieb des Wellengenerators (sodann also des Wellenmotors) werden elektromagnetische Pole des Stators über die Frequenzumrichter mit elektrischer Leistung gespei st. Durch das dadurch erregte Drehfeld innerhalb des Stators wird der mit der Welle drehbare Rotor dazu veranlasst, sich zu drehen. Da der Rotor gegenüber der Welle unbeweglich um diese angeordnet ist, dreht sich die Welle gemeinsam mit dem Rotor und kann somit bspw. einen Schiffspropeller antreiben.
Die Formulierung „dazu eingerichtet ist, um eine Welle einer Antriebseinheit, insbesondere lagerfrei, angeordnet zu werden“ beschreibt, dass der Rotor vorzugsweise nachträglich um eine bestehende Welle herum platziert werden kann. Der Rotor ist vorzugsweise derart auf einer j eweiligen Welle montierbar, dass er sich gegenüber der Welle nicht drehen kann, mit dieser also (vorzugsweise reversibel lösbar) fix verbunden ist. Zwischen dem Rotor und der Welle ist, anders als im Stand der Technik, keine Lagerung vorgesehen. Es ist also besonders bevorzugt, wenn der Rotor um eine bestehende Welle herum ortsfest an dieser angeordnet werden kann.
Die Formulierung „der Stator dazu eingerichtet ist, um den Rotor angeordnet zu werden“ beschreibt, dass der Stator vorzugsweise kontaktlos um den Rotor angeordnet werden kann. Der Rotor wird also vorzugsweise auf einer Welle montiert, und der Stator wird daraufhin möglichst konzentrisch um den Rotor fix angeordnet. Der Stator ist aufgrund der Unterteilung in zumindest zwei Statorsegmente nach dem Anordnen um den Rotor nicht dauerhaft, sondern reversibel um diesen angeordnet. Die Statorsegmente können vorzugsweise einzeln von dem Rotor entfernt bzw. getrennt werden. Zwischen einer Innenmantelfläche des im Wesentlichen hohlzylinderförmigen Stators und dem im Wesentlichen kreisringförmigen Rotor besteht in dieser, vorzugswei se konzentrischen, Anordnung in radialer Richtung betrachtet ein Luftspalt. Stator und Rotor berühren sich in dieser Anordnung also vorzugsweise nicht.
Unter dem Begriff „Rotor“ wird vorliegend ein rotierender Teil einer elektrischen Maschine, vorliegend des Wellengenerators, verstanden. Alternativ kann der Rotor auch als Läufer, Anker, Induktor oder Polrad bezeichnet werden. Der Rotor ist üblicherweise von dem feststehenden Stator (auch Ständer genannt) umgeben und nur durch einen feinen Luftspalt von diesem getrennt. Der Rotor kann in einigen Bauformen bspw. zylindrisch aufgebaut sein. Der Rotor kann gegeneinander elektrisch isolierte und geschichtet aufgebaute Elektrobleche umfassen. Über einen Umfang des Rotors verteilt können in die Elektrobleche parallel zu einer Rotationsachse des Rotors Nuten eingelassen sein, die sogenannte Rotorwicklungen aufnehmen. Aus einer gewünschten Polpaarzahl des Wellengenerators bestimmt sich die Anzahl der Rotorwicklungen, wobei j eweils zwei Rotorwicklungen pro Polpaar vorzusehen sind. Grundsätzlich kann der Rotor auch Permanentmagnete (bzw. bei der Herstellung dauerhaft magnetisierte Permanentmagnete) anstelle von Rotorwicklungen umfassen, durch die ein oder mehrere Polpaare bereitgestellt werden. Derartige Permanentmagnete kommen beispielsweise in Permanentmagnet-Maschinen, welche zu den Synchronmaschinen gehören, zum Einsatz. Vorteil hierbei ist ein höherer Wirkungsgrad, da zum Erzeugen des Rotor-Magnetfeldes im Betrieb keine elektrische Energie benötigt wird. Unter dem Begriff „Stator“ wird vorliegend der unbewegliche Teil des Wellengenerators verstanden. Der Stator wird oftmals auch als Ständer bezeichnet. Im zusammengefügten Zustand der zumindest zwei Statorsegmente hat der Stator vorzugsweise im Wesentlichen die Form eines Hohlzylinders. Über einen Umfang des Stators verteilt, können parallel zu einer Rotationsachse des Rotors mehrere Statorwicklungen angeordnet sein. Insbesondere im Mittel- und Hochleistungsbereich ist es bevorzugt, dass anstelle einzelner Wicklungen stabförmige (Draht-) Litzen, zumeist aus Kupfer, eingesetzt werden, um so einen entsprechenden Durchflussquerschnitt bereitzustellen. Die Litzen sind jeweils in Form einzelner, untereinander isolierter Leiterschleifen vorgesehen. Die Litzen können einen Querschnitt im Zentimeterbereich einnehmen. Die gewählte Polpaarzahl des Wellengenerators bestimmt die Anzahl der Statorwicklungen.
Unter der „Polpaarzahl p“ ist die Anzahl der Paare von magnetischen Polen innerhalb von rotierenden elektrischen Maschinen, folglich also ein Vielfaches von zwei Polen, zu verstehen.
Unter dem Begriff „Frequenzumrichter“ ist ein Stromrichter zu verstehen, der aus einer speisenden Wechselspannung eine andere Art von Wechselspannung (abweichend in Amplitude und/oder Frequenz) erzeugt. Dabei kann vorzugsweise sowohl eine Ausgangs-Frequenz als auch eine Ausgangs-Amplitude veränderbar sein. Frequenzumrichter können j e nach Bauart mit Einphasenwechselspannung, Dreiphasenwechselspannung oder Gleichspannung gespeist werden und daraus eine Dreiphasenwechselspannung mit einer vorbestimmbaren Frequenz erzeugen.
Mittels des erfindungsgemäßen Wellengenerators ist es somit möglich, den gleichbleibenden und sicheren Betrieb desselben durch einfache, schnelle und zuverlässige Beseitigung des fehlerbehafteten Bauteils sicherzustellen, sowie, im Vergleich zu einem rein Verbrennungsmotorbetriebenen Schiff, bedeutsame Emissionseinsparungen zu erzielen. Gleichzeitig wird ein flexibler, kostengünstiger, einfacher und/oder bauraumsparender Einbau eines solchen Wellengenerators ermöglicht, sowie insbesondere die Möglichkeit einer schnellen, einfachen und flexibel ausgestaltbaren Nachrüstbarkeit bei kompaktem, bauraumsparendem Design bereitgestellt. Zudem ist es möglich, insbesondere aufgrund der einfachen, kompakten und in der Teilevielfalt reduzierten Bauweise, in erheblichem Maße Herstellungs- und Materialkosten sowie Gesamtgewicht einzusparen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung, welche einzeln oder in Kombination realisierbar sind, sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass ferner der Rotor in zumindest zwei Rotorsegmente trennbar ist. Diese Ausgestaltung ist besonders von Vorteil, wenn es um die Nachrüstbarkeit des Wellengenerators geht, da der Rotor aufgrund der Trennbarkeit in Segmente nachträglich um eine beliebige Welle einer beliebigen Antrieb seinheit angeordnet bzw. an dieser drehfest fixiert werden kann. Dadurch ist eine besonders freie Platzierung des Rotors auf einer bestehenden Welle möglich. Eine bestehende Welle muss also nicht extra modifiziert werden, um an ihr einen Rotor anordnen zu können. Eine Möglichkeit einer reversiblen, drehfesten Verbindung der zumindest zwei Rotorsegmente mit einer Welle kann bspw. über ein oder mehrere Verspannelemente, Schrauben oder Ähnliches bereitgestellt werden. Auch andere Arten von reversibel lösbaren, drehfesten Befestigungen sind möglich. Auch nicht reversible Verbindungen, wie Schweißen, Löten oder Kleben, sind grundsätzlich zumindest vorstellbar. Dabei kann der Rotor j edoch nicht mehr reversibel von der Welle gelöst werden. Die Vorteile und Ausgestaltungen, die im Zusammenhang mit den zumindest zwei Statorsegmenten genannt wurden, gelten in entsprechender Weise für die zumindest zwei Rotorsegmente, ohne an dieser Stelle nochmals genannt zu werden. In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass die zumindest zwei Statorsegmente jeweils dazu ausgebildet sind, radial und/oder axial verschoben zu werden. So ist eine elektromagnetische Entkopplung des betreffenden Segmentes auf einfache Weise möglich. Durch die Verschiebung wird das betreffende Segment von den restlichen Komponenten des Wellengenerators beabstandet und interagiert mit diesen folglich nicht mehr elektromagnetisch. Ebenfalls i st es in einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung denkbar, dass die zumindest zwei Rotorsegmente j eweils dazu ausgebildet sind, radial und/oder axial verschoben zu werden. Somit ist es möglich, dass ein Statorsegment und/oder ein Rotorsegment einzeln getrennt und axial und/oder radial gegenüber den anderen Statorsegmenten und/oder Rotorsegmenten verschoben wird. Unter einer radialen Verschiebbarkeit wird verstanden, dass das betreffende Segment translatorisch zu einer Radialrichtung um die Drehachse des Rotors wegbewegt werden kann. Unter einer axialen Verschiebbarkeit wird verstanden, dass das betreffende Segment translatorisch zu der Drehachse des Rotors wegbewegt werden kann. Somit ist ein Trennen des betreffenden Segmentes von dem Wellengenerator möglich. Im Fehlerfall kann also beispielsweise ein fehlerhaftes Segment von dem Wellengenerator zuerst getrennt und dann von diesem wegbewegt werden, um somit eine vollständige Entkopplung von dem elektromagnetischen System des Wellengenerators zu ermöglichen. Die j eweiligen Segmente können auch in unterschiedliche Richtungen wegbewegt werden. Zudem ist es auch grundsätzlich denkbar, dass ein j eweiliges Segment quer zu einer Radialrichtung und/oder quer zu einer Axialrichtung oder entlang einer Kurvenbahn wegbewegt werden kann. Es sei erwähnt, dass der Begriff „ Segment“ sich hier auf eines oder mehrere Statorsegmente und/oder Rotorsegmente gleichermaßen beziehen kann.
Die radiale und/oder axiale Verschiebbarkeit kann bspw. über eine Schienenführung, auf der die zumindest zwei Statorsegmente und/oder die zumindest zwei Rotorsegmente angeordnet sind, sichergestellt werden. Besonders bevorzugt weist der Wellengenerator also zumindest eine Schienenführung auf, auf der die zumindest zwei Statorsegmente und/oder die zumindest zwei Rotorsegmente relativ zueinander verfahrbar angeordnet sind und so axial und/oder radial gegenüber einander verfahren werden können. Die zumindest zwei Statorsegmente und/oder die zumindest zwei Rotorsegmente sind vorzugsweise relativ zueinander in entgegengesetzte Richtungen entlang einer vorzugsweise linearen Bahn (bspw. der Schienenführung) verfahrbar. Auch andere Verschiebesysteme bzw. Verfahrsysteme, wie z. B . , Roboterarme, Kranführungen oder Ähnliches, an denen die zumindest zwei Statorsegmente und/oder die zumindest zwei Rotorsegmente angeordnet sind, um so verfahren zu werden, sind denkbar und ggf. vorteilhaft.
In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass die zumindest zwei Statorsegmente jeweils dazu ausgebildet sind, mittels des j eweiligen Frequenzumrichters, unabhängig voneinander motorisch und/oder generatorisch betrieben zu werden. Die beiden Statorsegmente bilden also vorzugsweise j eweils eigenständige, unabhängig voneinander betreibbare Systeme. Der Wellengenerator kann somit beispielsweise weiterhin mit lediglich einer Hälfte des Stators betrieben werden, wenn die betreffende andere Hälfte des Stators einen Defekt aufweist und infolgedessen entfernt werden muss. Die Bereitstellung der Teilsysteme ist insbesondere dadurch möglich, dass die einzelnen Statorsegmente j eweils Statorwicklungen mit einer abgeschlossenen Polpaarzahl pro Statorsegment aufweisen. So kann ein betreffendes Statorsegment bspw. 2, 4, 6, 8 oder 10 Polwicklungen (d. h. , 1 , 2, 3 , 4 oder 5 Polpaare) umfassen. Auch wird die Bereitstellung der einzelnen Teilsysteme dadurch ermöglicht, dass der Wellengenerator zumindest zwei Umrichter umfasst. Jedem Statorsegment ist dabei ein Frequenzumrichter zugeordnet, so dass j edes Statorsegment für sich genommen über den eigenen Frequenzumrichter betreibbar ist.
Zudem ist es besonders bevorzugt möglich, dass der betreffende Umrichter zur Fehlerdetektion in dem betreffenden Statorsegment verwendet wird. Detektiert der betreffende Frequenzumrichter einen Fehler, bspw. in Form eines Defektstromes, kann ein automatisches Trennen und Wegbewegen des betreffenden fehlerbehafteten Statorsegments eingeleitet werden und/oder ein Warnsignal ausgegeben werden, woraufhin ein manuelles Trennen und Wegbewegen des betreffenden Statorsegments erfolgen kann.
In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass der Stator in 4, 6, 8 oder 10 Statorsegmente trennbar ist und/oder der Rotor in 4, 6, 8 oder 10 Rotorsegmente trennbar ist. Mit anderen Worten kann eine Segmentierung des Stators und/oder des Rotors auch höherwertig erfolgen, so dass der Stator und/oder der Rotor j eweils auch in mehr al s zwei voneinander unabhängig betreibbare Teilsysteme trennbar ausgeführt sein kann. Vorzugsweise weist der Stator und/oder der Rotor j eweils eine Anzahl an Segmenten auf, die einem geradzahligen Vielfachen von zwei entspricht. Grundsätzlich ist es denkbar, dass der Stator und der Rotor voneinander verschiedene Anzahlen von Segmenten aufweisen. So kann der Stator beispielsweise in vier Segmente teilbar sein und der Rotor in zwei Segmente teilbar sein. Grundsätzlich ist es auch vorstellbar, insofern dies elektrotechnisch auslegbar ist, dass der Stator und/oder der Rotor auch in 3 , 5, 7, 9 und mehr ungeradzahlige Segmente teilbar ist.
In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass die zumindest zwei Statorsegmente und/oder die zumindest zwei Rotorsegmente j eweil s in Form eines Hohlzylindersegmentes ausgestaltet sind. Unter dem Begriff „Hohlzylindersegmente“ wird vorliegend verstanden, dass die j eweiligen Segmente die Form eines entlang seiner Längsachse (spiegel-) symmetrisch geteilten Hohlzylinders aufweisen. Im Falle, dass der Stator bspw. in zwei Statorsegmente teilbar ist, weist ein j eweiliges Statorsegment bspw. die Form einer Halbschale eines Hohlzylinders auf. Der Stator und vorzugsweise auch der Rotor sind vorzugsweise derart in Segmente unterteilt, dass der Stator und vorzugsweise der Rotor entlang einer Schnittebene getrennt sind, die durch die Drehachse des Rotors und die hierzu orthogonale Radialrichtung aufgespannt ist.
In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass j eder der zumindest zwei Frequenzumrichter dazu ausgebildet ist, das j eweilige Statorsegment der zumindest zwei Statorsegmente motorisch und/oder generatorisch zu betreiben. Es ist also mittels des j eweiligen Frequenzumrichters möglich, eine Ansteuerung des Wellengenerators von - 100 % (entspricht einem rein motorischen Betrieb) über 0 % (entspricht einem Leerlauf des Wellengenerators) bis hin zu + 100 % (entspricht einem rein generatorischen Betrieb des Wellengenerators) vorzugsweise stufenlos zu ermöglichen. Durch den j eweiligen Frequenzumrichter und das j eweils zugeordnete Statorsegment wird ein in sich abgeschlossenes Teilsystem ausgebildet. Durch ein derartiges Teilsystem kann gemeinsam mit dem Rotor sowohl ein generatorischer als auch motori scher Betrieb des Wellengenerators zumindest in Teillast ermöglicht werden.
In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass der Wellengenerator einen Leistungsbereich von 500 Kilowatt bis 15000 Kilowatt aufweist. Grundsätzlich sind auch andere Leistungsbereiche denkbar. Der Wellengenerator kann also vorzugsweise generatorisch 500 Kilowatt bis 15000 Kilowatt elektrische Leistung bereitstellen oder motori sch 500 Kilowatt bis 15000 Kilowatt elektrische Leistung in mechanischer Leistung, die an der Welle zur Verfügung gestellt wird, liefern.
In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass in einem betriebsbereiten Zustand des Wellengenerators zwischen dem Stator und dem Rotor ein Luftspalt in der Größe von zumindest 1 , 2, 3 , 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 1 1 , 12, 13 , 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 , 22, 23 , 24, 25, 26, 27, 28, 29 bis zumindest 30 Millimeter besteht. Aufgrund der fehlenden Lagerung zwischen Rotor und Welle ist der Luftspalt des erfindungsgemäßen Wellengenerators größer als ein Luftspalt im Stand der Technik, der zumeist eine Größenordnung von 1 bis 1 , 5 Millimetern aufweist. Obgleich der Luftspalt gegenüber dem Stand der Technik groß ist, sind die elektromagnetischen Verluste als gering zu beurteilen, so dass dennoch ein hoher Wirkungsgrad des Wellengenerators von > 98 % bereitgestellt ist. Es wurde durch die Erfindung insbesondere erkannt, dass ein Verzicht einer Lagerung mehr Vorteile mit sich bringt, al s mit einem konstruktiv infolgedessen größer auszuführenden Luftspalt Effizienznachteile (aufgrund größerer Magnetverluste) verbunden sind.
In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass der Stator einen Durchmesser von zumindest 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450 bis zumindest 500 Zentimeter aufweist. Grundsätzlich ist auch eine noch größer dimensionierte Ausgestaltung des Stators denkbar. B spw. kann der Stator auch einen Durchmesser von zumindest 600, 700, 800, 900 Zentimeter und mehr aufweisen. Es sei klargestellt, dass vorliegend auch sämtliche nicht explizit genannten Zwischengrößen des Stators mit umfasst sind.
In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass der Wellengenerator ein Gesamtgewicht von 3000 bis 30000 Kilogramm aufweist. Auch eine schwerere oder leichtere Ausführung des Wellengenerators ist grundsätzlich denkbar. Es kommt insbesondere auf eine j eweilige, dem fachmännischen Können unterliegende Materialauswahl und den angestrebten Einsatzfall des Wellengenerators an.
In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass der Stator und der Rotor und die zumindest zwei Frequenzumrichter Bauteile einer elektrischen Synchronmaschine ausbilden. Der Wellengenerator i st also vorzugsweise als eine permanentmagneterregte oder fremderregte Synchronmaschine ausgeführt.
Es wird davon ausgegangen, dass die Definitionen und Ausführungen der oben genannten Begriffe für alle in dieser Beschreibung und im Folgenden beschriebenen Aspekte gelten, sofern nichts anderes angegeben ist. Ebenfalls von der Erfindung umfasst ist ein Energieerzeugungs- und/oder Antriebssystem mit einem erfindungsgemäßen Wellengenerator und einer Antriebseinheit mit einer Welle, wobei der Rotor (vorzugsweise lagerfrei) um die Welle angeordnet ist, der Stator um den Rotor angeordnet ist und die Welle mittels der Antrieb seinheit und/oder des Wellengenerators rotierbar i st. Die Welle einer derartigen Antrieb seinheit kann b spw. eine Länge von bis zu 40 Metern und mehr aufweisen und bspw. in einem Rumpfbereich eines Schiffes angeordnet sein.
Besonders bevorzugt finden erfindungsgemäße Wellengeneratoren oder Energieerzeugungs- und/oder Antriebssysteme mit derartigen Wellengeneratoren im Schifffahrtsbereich, insbesondere auf Seefrachtschiffen, Transportschiffen, Marineschiffen, Kreuzfahrtschiffen, Yachten, Tankschiffen, Forschungsschiffen, ihre Anwendung. Allerdings ist die Anwendung der erfindungsgemäßen Wellengeneratoren oder der Energieerzeugungs- und/oder Antrieb ssysteme mit derartigen Wellengeneratoren keineswegs auf die Schifffahrt beschränkt, sondern kann grundsätzlich überall dort ihre Anwendung finden, wo eine rotierbare Welle eines Antriebssystems j edweder Art zum Einsatz kommt.
Weiterhin ist ein Schiff mit einem erfindungsgemäßen Wellengenerator oder einem erfindungsgemäßen Energieerzeugungs- und/oder Antriebssystem, wie an anderer Stelle ausführlich beschrieben, von der Erfindung umfasst.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den LTnteransprüchen. Hierbei können die j eweiligen Merkmale für sich allein oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktion einander entsprechende Elemente. Im Einzelnen zeigen:
Fig. 1 einen Wellengenerator und eine Welle einer Antriebseinheit in einem betriebsbereiten Zustand in perspektivischer Ansicht;
Fig. 2 einen Wellengenerator mit getrennten und zueinander radial verschobenen Statorsegmenten in perspektivischer Ansicht;
Fig. 3 getrennte und zueinander radial verschobene Rotorsegmente mitsamt einer Welle einer Antrieb seinheit in perspektivischer Ansicht;
Fig. 4 zwei Statorsegmente in einer geschlossenen Stellung in einer perspektivischen Ansicht; und
Fig. 5 getrennte und zueinander radial verschobene Statorsegmente in perspektivischer Ansicht.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbei spiel eines erfindungsgemäßen Wellengenerators 01. Der Wellengenerator 01 weist einen Stator 02 und einen Rotor 03 auf. Der Rotor 03 ist vorliegend lagerfrei, d. h. ohne eine Lagerung, auf einer Welle 04 fix angeordnet bzw. drehfest mit dieser verbunden. Die Welle 04 ist bspw. eine Schiffspropellerwelle, die von einer nicht näher gezeigten Antriebseinheit, b spw. einem Schiffsmotor, angetrieben werden kann. Der Stator 02 ist vorliegend konzentrisch um den Rotor 03 herum angeordnet. Der Rotor 03 ist kontaktlos über einen Luftspalt (nicht näher gezeigt) von dem Stator 02 getrennt und kann sich in dem Stator 02 drehen.
Der Stator 02 weist erfindungsgemäß zumindest zwei Statorsegmente 05, 06 auf. Vorliegend umfasst der Stator 02 ein erstes Statorsegment 05 und ein zweites Statorsegment 06. Die Statorsegmente 05, 06 sind j eweils halb schalenförmig ausgebildet. Die Statorsegmente 05, 06 sind voneinander trennbar, wobei die Statorsegmente 05, 06 in dem in Figur 1 gezeigten Zustand reversibel lösbar aneinandergefügt sind, so dass in diesem Zustand der Stator 02 im Wesentlichen die Form eines Hohlzylinders aufweist. Die beiden Statorsegmente 05, 06 können bspw. miteinander über eine reversible Klemm- oder Schraubverbindung, die an j eweils endseitigen Laschen 07 der Statorsegmente 05, 06 vorgesehen sein kann, zu dem Stator 02 verbunden sein. Die Laschen 07 sind vorliegend als radial hervorstehende Ab schnitte an j eweils endseitigen Abschnitten der Statorsegmente 05, 06 vorgesehen (siehe auch Figuren 4 und 5). Auch andere Verbindungen sind grundsätzlich denkbar, die es gewährleisten, dass die Statorsegmente 05, 06 nach dem Zusammenfügen zu dem Stator 02 wieder, vorzugsweise einzeln, voneinander trennbar sind.
Ferner umfasst der Wellengenerator 01 zumindest zwei, in der Fig. 1 zur Erhöhung der Übersichtlichkeit nicht dargestellte Frequenzumrichter, d. h. zumindest einen ersten Frequenzumrichter 08 und einen zweiten Frequenzumrichter 09. In der Fig. 1 sind dabei lediglich der erste Klemmenkasten 08a für den Anschluss des ersten Frequenzumrichters 08 und der zweite Klemmenkasten 09a für den Anschluss des zweiten Frequenzumrichters 09 dargestellt. Jedem der zumindest zwei Statorsegmente 05, 06 ist einer der zumindest zwei Frequenzumrichter 08, 09 zugeordnet. Vorliegend ist dem ersten Statorsegment 05 der erste Frequenzumrichter 08 zugeordnet, d. h. mit diesem elektrisch verbunden. Dem zweiten Statorsegment 06 ist der zweite Frequenzumrichter 09 zugeordnet, d. h. mit diesem elektrisch verbunden. Der j eweilige Frequenzumrichter 08, 09 bildet gemeinsam mit dem j eweiligen Statorsegment 05, 06 ein in sich geschlossenes elektromagnetisch aktives System, das im Zusammenspiel mit dem Rotor 03 unabhängig voneinander sowohl generatorisch als auch motorisch betrieben werden kann.
Ferner weist der Wellengenerator 01 eine Schienenführung 10 auf, die vorliegend orthogonal zu einer Drehachse 1 1 des Rotors 03 bzw. zu der Drehachse 1 1 der Welle 04 ausgerichtet ist. An j edem der zumindest zwei Statorsegmente 05, 06 ist eine Führung 12 vorgesehen. Die j eweili- ge Führung 12 ist jeweils an ihrem einen Ende fest mit dem betreffenden Statorsegment 05, 06 verbunden, bspw. mit diesem verschweißt. An ihrem anderen Ende greift die j eweilige Führung 12 in die Schienenführung 10 ein, so dass die Führung 12 auf der Schienenführung 10 beweglich angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist es möglich, das j eweilige Statorsegment 05, 06 von einem j eweils anderen Statorsegment zu trennen. Mittels der Schienenführung 10 ist es möglich, das j eweilige, getrennte Statorsegment 05, 06 einzeln in radialer Richtung von dem Rotor 03 wegzubewegen bzw. wegzufahren.
In Figur 2 ist beispielsweise dargestellt, dass die beiden Statorsegmente 05 , 06 jeweils in radialer Richtung entgegengesetzt zueinander entlang der Schienenführung 10 weg von dem Rotor 03 verfahren sind. So sind die Statorsegmente 05, 06 jeweils elektromagnetisch von dem Rotor 03 entkoppelt. Bei einer Fehlfunktion in einem der Statorsegmente 05, 06 ist es somit möglich, diese wirksam zu entkoppeln. Der Rotor 03 kann sich somit weiterhin mit der Welle 04 drehen, ohne dass eine elektromagnetische Einspeisung in den Stator erfolgt, die im Fehlerfall eine Brandgefahr verursachen könnte.
In Figur 3 ist der Rotor 03 in isolierter Ansicht, d. h. ohne den Stator 02, jedoch mit der Welle 04 gezeigt. Wie aus Figur 3 hervorgeht, kann auch der Rotor 03 erfindungsgemäß in zumindest zwei Rotorsegmente 13 , 14 trennbar sein. Vorliegend weist der Rotor 03 daher ein erstes Rotorsegment 13 und ein zweites Rotorsegment 14 auf. Die beiden Rotorsegmente 13 , 14 trennen den Rotor 03 spiegelsymmetrisch in zwei Hälften. Der Rotor 03 bzw. die Rotorsegmente 13 , 14 weisen vorliegend entlang eines Außenumfangs des j eweiligen Rotorsegments 13 , 14, d. h. auf einer j eweiligen Teilmantelfläche, angeordnete Permanentmagnetpole mit j eweils abwechselnder Polung auf. In Figur 3 sind keine klar voneinander abgrenzbaren Permanentmagnetpole eingezeichnet, sondern diese lediglich schematisch angedeutet. Der Rotor 03 bildet vorliegend einen Teil einer permanenterregten Synchronmaschine aus. Die Rotorsegmente 13 , 14 sind vorliegend j eweil s mit einem speichenartigen Innenbereich ausgeführt. Der Rotor 03 ist somit nicht als eine durchgängige Kreisscheibe ausgeführt, sondern weist eher die Ausformung einer Radfelge mit einer Vielzahl von Ausnehmungen auf. Diese dienen im Wesentli- chen der Gewichtsreduktion und verringern ein Initialträgheitsmoment bei einem Anlaufen des Rotors 03.
In den Figuren 4 und 5 ist der Stator 02 nochmals in einer isolierten Darstellung angezeigt. In Figur 4 ist der Stator 02 in einem zusammengefügten Zustand, wie dies bereits in Figur 1 dargestellt war, gezeigt. In Figur 5 ist der Stator 02 in einem Zustand, in dem die zumindest zwei Statorsegmente 05 , 06 voneinander getrennt und j eweils entlang der Schienenführung in Radialrichtung voneinander wegbewegt sind, gezeigt. Aus den Figuren ist zu entnehmen, dass der Stator 02 eine Vielzahl von Statorwicklungen 15 umfasst, die entlang einer Innenmantelfläche des Stators 02 verteilt j eweils isoliert voneinander angeordnet sind. Die Anzahl der Statorwicklungen 15 wird durch die Polpaarzahl des Wellengenerators 01 bestimmt.

Claims

23
Patentansprüche ellengenerator (01 ) zur generatorischen Leistungserzeugung und/oder motorischen Leistungsbereitstellung, umfassend einen Stator (02) und einen Rotor (03 ), wobei der Rotor (03 ) dazu ausgebildet ist, um eine Welle (04) einer Antriebseinheit, insbesondere lagerfrei, angeordnet zu werden, und der Stator (02) dazu ausgebildet ist, um den Rotor (03) angeordnet zu werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellengenerator (01 ) zumindest zwei Frequenzumrichter (08, 09) umfasst, der Stator (02) in zumindest zwei Statorsegmente (05, 06) trennbar ist und j edem der zumindest zwei Statorsegmente (05, 06) einer der zumindest zwei Frequenzumrichter (08, 09) zugeordnet ist. ellengenerator (01 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (03 ) in zumindest zwei Rotorsegmente ( 13 , 14) trennbar ist. ellengenerator (01 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Statorsegmente (05, 06) jeweils dazu ausgebildet sind, radial und/oder axial verschoben zu werden. ellengenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Rotorsegmente (13 , 14) j eweils dazu ausgebildet sind, radial und/oder axial verschoben zu werden. ellengenerator (01 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Statorsegmente (05, 06) jeweils dazu ausgebildet sind, mittels des j eweiligen Frequenzumrichters (08, 09) unabhängig voneinander motorisch und/oder generatorisch betrieben zu werden. ellengenerator (01 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (02) in 4, 6, 8 oder 10 Statorsegmente (05, 06) trennbar ist und/oder der Rotor (03 ) in 4, 6, 8 oder 10 Rotorsegmente ( 13 , 14) trennbar ist. ellengenerator (01 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Statorsegmente (05, 06) und/oder die zumindest zwei Rotorsegmente ( 13 , 14) j eweils in Form eines Hohlzylindersegmentes ausgestaltet sind. ellengenerator (01 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass j eder der zumindest zwei Frequenzumrichter (08, 09) dazu ausgebildet ist, das jeweilige Statorsegment (05, 06) der zumindest zwei Statorsegmente (05, 06) motorisch oder generatorisch zu betreiben. ellengenerator (01 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellengenerator (01 ) einen Leistungsbereich von 500 Kilowatt bis 15000 Kilowatt aufweist.
0. Wellengenerator (01 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in einem betriebsbereiten Zustand des Wellengenerators (01 ) zwischen dem Stator (02) und dem Rotor (03 ) ein Luftspalt in der Größe von 1 bis 30 Millimeter besteht. 1. Wellengenerator (01 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (02) einen Durchmesser von 150 bis 500 Zentimeter aufweist. . Wellengenerator (01 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Wellengenerator (01 ) ein Gesamtgewicht von 3000 bis 30000 Kilogramm aufweist. 3. Wellengenerator (01 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (02) und der Rotor (03) und die zumindest zwei Frequenzumrichter (08, 09) Bauteile einer elektrischen Synchronmaschine ausbilden. . Energieerzeugungs- und/oder Antriebssystem mit einem Wellengenerator (01 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 und einer Antriebseinheit mit einer Welle (04), wobei der Rotor (03) um die Welle (04) angeordnet ist, der Stator (02) um den Rotor (03) angeordnet ist und die Welle (04) mittels der Antrieb seinheit und/oder des Wellengenerators (01 ) rotierbar ist. 26 Schiff mit einem Wellengenerator (01 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 oder einem Energieerzeugungs- und/oder Antriebssystem nach Anspruch 14.
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