专利名称：采用超导技术的军舰用电机、用于船舶的电驱动装置以及用于军舰的电动舵推进器的制作方法
技术领域：
本发明涉及采用超导技术的军舰用电机。
本发明还涉及用于船舶的电驱动装置领域并可应用于电动机的结构设计。该电动机由一个定子和一个转子组成并设置在一个呈吊舱形地设置在船体下侧的流线形结构的壳体内，其中，该转子由一根支承在壳体内的轴支承，至少一个螺旋桨与该驱动轴耦连。另外，本发明还涉及一种用于军舰，例如护卫舰、警卫舰或快艇的电动舵推进器，其在一根装有供电线路的舵支柱上具有至少一个电动机和至少一个螺旋桨，这根舵支柱借助一个可转动的船尾-舵支柱连接装置设置在船尾下方。
背景技术：
在过去已经有人建议，利用超导技术来设计传统类型的电机，例如电动机或发电机，以便提高电机的效率并且能够实现一种减少占据空间的设计方案。相应的实验样机已经做出并业已在美国和德国向公众展示过。但迄今为止却还没有将其转换应用到船舶运行实践中，因为一些技术难题，尤其是当应用在军用船舶上时对抗震性能，抗振强度所提出的很高要求，目前被认为还不能解决或者说达到。
在上述类型已知的驱动装置中，转子设计为永久磁铁励磁的转子并由一个带有管状支撑体的支撑结构和一个磁有效部件组成。所述转子设置在一个支承至少一个螺旋桨并支承在驱动装置外壳内的驱动轴上。所述定子作为一个电磁有效部件被传力地嵌设在所述驱动装置的外壳内。对所述电动机的冷却在此通过经外壳向壳外的水散热来进行。为冷却定子的绕组头可在壳体内使空气或一种绝缘油循环(WO97/49605)。作为其替代手段可考虑采用一种特殊的热桥(DE199 02 837 A1)。其他辅助冷却措施可能在于采用设置在驱动装置围阱状的支撑部段中的再冷却器(DE198 26 226 A1)。
在另一种带有吊舱状地设置的电动机的驱动装置中，定子带有径向间隙地设置在外壳内，以便能够利用一种从船体中出来后通过特殊的冷却通道输送来的气态冷却介质来冷却定子和转子(US 5,403,216A)。
由加拿大的专利1.311.657中已知一种可转动的电动舵推进器。该舵推进器设置在一艘破冰船的船尾。所述舵支柱及其与船尾的连接专门设计用于完成破冰任务。
发明内容
本发明的所要解决的技术问题在于提供一种采用超导技术、尤其是高温超导技术的电机，它设计成能应用于实践并且可顺利地应用在军舰上。其中，本发明的主要目的在于为舵推进器提供一种采用超导技术的驱动电动机，以便能够利用超导技术的特殊优点实现一种特别轻便的驱动装置。这样的驱动装置有助于船尾实现流线型形状并可使船舶结构更尖瘦。
一种抗震的电动舵推进器的设计原理已在未在先公开的德国专利申请10143713.7(该申请文本的第2部分)中有记载，其公开内容也应作为本申请的一部分公开内容。
将一个高温超导系统结合在一个电动舵推进器中的一种非抗震的设计方案可在同样未在先公开的发明名称为“用于军舰的电动舵推进器”的德国专利申请10224014.0(该申请文本的第3部分)中了解到。它尤其涉及将一个电动舵推进器弹性地悬挂在一艘护卫舰、警卫舰或快艇的船尾上。但其中并没有描述一种采用超导技术的电动机的抗震式设计。该专利申请的公开内容也应作为本申请的一部分公开内容。这一点也同样适用于WO02/30742A1和DE19647948A1所公开的用于舵推进器的电动机。这些电动机虽然在振动方面与其外壳脱耦，但由于采用了通常的空气冷却方式而做得较大也较重。
本发明的一个特别目的在于，提供一种采用超导技术的电机的各个部件，该电机适用于军舰并且可忍受安装有它的船舶部分的100g以上的加速度。由此也可将一个超导电机不受限制地用在军舰上。
本发明的电机既可以是一个电动机，例如一个用于电动舵推进器的电动机，或者是一个用于传统螺旋桨或喷射水器的电动机。它设置在军舰中用于提高军舰的战斗航速。也可以是一个用于产生电能以提供给一个电动机用的发电机。但无论如何本发明的电机都具有超导电动机或发电机所具备的高效率、小尺寸及重量轻的特殊优点。
本发明的技术解决方案可从独立权利要求1的特征部分的特征以及从属权利要求1至22、附图1至3和
中获得。
对于超导尤其是高温超导设计的电动机或发电机的主要部件，业已存在详细的信息。例如有关低温分配器的信息可从专利文献WO00/13296中获悉；关于在低温转子轴部段与向外伸出的转子轴部段之间的联轴器的信息可从德国专利申请10110674.2中获悉；以及关于冷却头的信息则可从专利文献EP 0865 595 B1中获悉。有关压缩机单元及低温制冷机的配件的细节例如已由Leybold公司的RGS型产品或冷却单元的产品说明书和使用操作规程公开。总之，由不同技术领域公开的各种技术部件，例如核自旋层析造影仪、超导磁开关或其他类似产品都可以按照本发明进行相应变型后以新的组合方式应用于军舰上的电动机和发电机。
从具有权利要求23前序部分特征的驱动装置出发，本发明的所要解决的技术问题在于，这样设计该驱动装置，使之能够承受冲击负荷并因此也适合于应用在有强烈的水下压力波产生的场合下。
为解决该技术问题，按照本发明，所述定子通过转动轴承固定在转子上，并且所述由定子和转子构成的结构单元既弹性支撑在所述壳体上又弹性支撑在所述驱动轴上。
在驱动装置的这样一种设计结构中，电动机的配备有大质量的电磁有效部件构成一个单元，它减震地支承在壳体内以及驱动轴上。在突然有从外面的压力作用在驱动装置的壳体和驱动轴上时，这一压力在时间上延滞发生作用并因此减少震动地作用在电动机的电磁有效部件上。由此减小了所述通过吊舱状地设置的驱动装置的悬挂装置作用在船体上的机械力、尤其是弯曲力矩。所述驱动电动机的电磁有效部件的弹性或减震设置进一步减小了来自于驱动装置的固体(内传播的)声(音)。这种固体声会使一个配备有这种驱动装置的船舶的声波定位变得困难。在驱动电动机的转子和定子之间的这种刚性机械耦合在那些转子配备有用于励磁的永久磁铁的电动机中还具有如下优点即，在转子和定子之间的空气间隙即便在驱动装置受到冲击震动负载时也能保持不变并因此可选择得特别小。
按照本发明的一扩展设计，所述转子由一个管状的支撑体和一个安置在该支撑体上的有效部件组成，该有效部件弹性支撑在驱动轴上，所述定子则支承在转子的支撑体上并弹性地支撑在所述壳体上。所述转子在此相宜地在驱动轴上的支撑设计成沿轴向和径向较软，而在圆周方向上有抗扭刚性。
所述定子在转子的支撑体上的径向刚性支承相宜地利用市场上常见的径向推力轴承来实现，它优选设计为滚动轴承。为支承转子轴则相宜地可采用滑动轴承，且优选是带有静压油循环的滑动轴承。
为实现转子在转子轴上的弹性支承，可采用市场上常见的减震元件，就象例如在一个轴系中的弹性联轴器常用的那种减震元件。对于这种减震元件而言比较重要的是，它们应当设计成沿转子的径向和轴向有弹性，而沿转子的环周方向则有抗扭刚性。
为将定子弹性支撑在驱动装置的壳体上，可采用与为将转子支撑在轴上相同的减震元件。
由于定子弹性支撑在驱动装置的壳体上，在定子和壳体之间会形成一间隙，因此，对定子的冷却不能仅仅通过将热量通过壳体散发到四周的水中来完成。所以必须采取其他辅助冷却措施。为此可采用再冷却器，这些再冷却器设置在将驱动装置与船体连接起来的所述支承围阱的壳壁区域内或船体内。一种液态冷却剂，尤其是水流过这些再冷却器以及在定子叠片组内或一个包绕该叠片组的冷却环内的相应穿孔。这样一种冷却也可与定子的绕组端部对应配置。此外，也可形成一种循环的空气流，使之绕流定子的绕组端部并在驱动装置的支承围阱区域内被再冷却。必要时也可采用驱动装置的舱底空腔、亦即设置在驱动轴端部的壳体部件用于再冷却目的。
本发明所要解决的问题还在于提供一种电动舵推进器，它同样专门设计用于完成其任务，即，作为一艘军舰的动力装置。该电动舵推进器为完成该任务必需能够承受因水下爆炸造成的高的加速度。在此，它必须设计得较轻，以便考虑到军舰有尖瘦的船尾结构。
该技术问题由此来解决，即，所述船尾-舵支柱连接装置、舵支柱和电动机设计成，使得船尾、舵支柱和电动机能够不受损失地承受水下爆炸压力波的冲击，为此，所述舵支柱本身设计为可弹性变形，所述船尾-舵支柱连接装置设计成可允许舵支柱相对于船尾运动，以及所述电动机设计成能接受加速度大于10级。通过这些技术解决措施，所述电动舵推进器设计成能完成所述任务并可用于军舰。该军舰应用在有被鱼雷命中或者鱼雷或水雷在船舶下方爆炸危险的场合。这超过了传统舵的稳固性。
在杂志“Marineforum(海军论坛)”1999年第6期第8至29页上登载了Karl Otto Sadler的论文“Trends im berwasser-Marineschiffbau(水面舰艇的发展趋势)”。从中可了解到一种新型军舰的设计结构。本发明的电动舵推进器应尤其适用于驱动这种新型战舰。
按照本发明的一有利设计，所述电动舵推进器的舵支柱在其各构件之间具有至少一个弹性设计的铰接位置、例如一接头。该接头优选具有带有螺旋连接件的法兰，该螺栓连接件设计成可弹性变形并具有例如盘簧。在所述接头中可比较有利地设置一个由一种弹性材料、例如硅胶制成的弹性的接头中间层，该中间层优选为多层式强化形状。按照本发明所设置的接头形成了用于舵支柱的铰接点，并由此使该舵支柱具有弹性特性。这样一来，就可以降低爆炸压力冲击波在舵支柱的下端作用在电动机上以及作用在舵支柱-船尾过渡处的力。本发明的技术解决方案在此符合需求地很坚固并且可特别有利地有效减小爆炸压力冲击波。
比较有利的是围绕接头在其外面具有一个由弹性材料、尤其是合成橡胶材料制成的接头涨圈。它在舵支柱各构件运动时防止水进入接头中。
此外比较有利的是，不仅所述电动机的壳体设计成具有多个部段并且其中各壳体部段也优选由铝制成，而且所述舵支柱也设计为多于两个部段并且其中各部段也优选由铝制成但也可以由纤维强化塑料制成，局部也可带有钢制或铝制法兰。这样就能显著节省重量，但也可提高舵支柱的弹性。
按照本发明的另一有利设计，所述电动机具有一个弹性的转子支承和一个大的空气间隙，该气隙例如在5至50mm之间。这样，即便在很高的加速度(该加速度可超过100g以上)时也能可靠地阻止电动机的转子碰到定子。通过所述较大的空气间隙和对于转子的弹性支承以及采用滑动轴承替代滚动轴承，按照本发明的电动机可令人惊奇地可承受高的加速度。
所述大的气隙可特别有利地借助高温超导体转子没有效率减小地实现。在此特别有利的是一个空气间隙式交流绕组。采用一个高温超导转子在此具有特殊的优点，即，该转子可设计得特别小并且定子绕组也可相应设计得较小。这样一来，总体上可获得一个特别小的电机，它能设计成可靠地抗爆炸冲击和抗震，而相对于传统电机不会有效率损失。通过上述措施(采用一个高温超导技术的电动机，采用铝或塑料来替代钢)以及后面还要介绍的措施，一个例如7MW的舵推进器的重量可特别有利地从120吨减小到大约65吨。
按照本发明的另一有利的扩展设计，所述在船尾的船尾-舵支柱连接装置具有一些可弹性变形的结构元件，例如易弯的板材，它们构成弹性的承载骨架。这样一来，可降低通过舵支柱作用在船尾上的爆炸压力以及直接作用在船尾上的爆炸压力冲击波。
按照本发明的另一有利设计，所述电动机的供电线路设计成无滑环，例如设计成一个抗扭弹性的拖缆或一个螺旋状地配备有张开导线的电缆。通过放弃一个滑环体，显著减小了舵推进器的重量。此外也消除了一个不可能不顾及的在剧烈运动、例如在受到爆炸压力冲击波时的故障源。虽然通过放弃滑环体将电动舵推进器的转动角度限制在120°至180°之间，但这可以接受，因为该电动舵推进器可由极限位置往回转动，而不必按相同的转动方向继续转动。
按照本发明的另一有利设计，所述电动舵推进器具有一个辅助舵，该辅助舵可独立于所述舵支柱的位置而运动。这样，该舵支柱在正常状况下可被固定，并且可通过所述辅助舵来稍微调节船舶的航向。
所述辅助舵可以公知的方式象一个飞机高度控制机构的升降舵一样设置在所述舵支柱的后缘。然而它的作用在此受到限制，因为它位于所述舵支柱的涡尾流中。特别有利的是，所述辅助舵具有一个侧翼或前翼的形状，并尤其可与一种非对称的横断面结合。该横断面尤其可与一种翼型对应，从而可使该侧翼或前翼取得特别好的效果。
在电动机的一个特别坚固的设计结构中，所述电动机设计成具有两个部份，这两部份可相互独立地被驱动且尤其具有相互独立的电源，并且可相互独立地受到控制和调节。这两个电动机部分中的每一个都可驱动一个螺旋桨，由此形成冗余工作的电动机并能简单地实现相互反向旋转的两个螺旋桨。这能提高驱动装置的效率。这样设计的电动机尤其可有利地用于较小的军舰例如快艇。
为进一步减小重量，所述舵支柱的转动和/或所述辅助舵的运动通过伺服电动机来实现。由此不仅有利地使舵支柱的转动装置具有很小的重量，而且因为取消了平时始终工作的液压马达，也使该舵支柱的转动装置发出很小的噪音。在此特别有利的是，通过该伺服电动机来简便地实现在加速时以及在偏转到所期望的额定位置上时有专门的斜坡形状(Rampenformen)。这样，船舶的转向运动可特别迅速并且受到适当控制地进行。
按照本发明的特别有利的设计，所述船尾-舵支柱连接装置按照特殊方式设计成弹性连接。为此，比较有利地设置一个用于舵支柱的半万向节式的悬挂装置或一个通过球碗、尤其是弹性支撑的球碗对所述舵支柱实现的支撑。所述舵支柱的上部段支承在球碗中具有特别的优点，即，该支承不仅坚固而且允许对于舵支柱有大的避让行程。所述用于舵支柱的半万向节式的悬挂以及通过球碗对所述舵支柱实现的支撑在此都可以借助一些弹性元件、例如弹性垫或液压垫来实现。这些弹性元件有利地水平和垂直地支撑在一个运动的支撑结构上。该支撑结构也有利地具有操纵元件。这样一来，可实现一种确定的带有用于舵支柱的大的避让行程的运动。
按照本发明的进一步改进，最后还可将所述电动机设计成具有冷缩装配在电动机壳内的绕组以及一个用于其外壳壁的冷却装置。由此获得了一种体积特别小的电动机吊舱，它具有较小的会受到冲击波攻击的表面。结合该舵支柱的弹性运动就实现了对电动舵推进器的最佳设计。它以迄今尚未实现的方式满足了对于电动舵推进器所提出的“重量轻、体积小且抗震”要求。
下面借助附图所示实施方式对本发明予以详细说明，附图中图1为一个高温超导设计的电动舵推进器的原理性剖视图；图2为一个带有简化的运动脱耦机构的电动舵推进器的原理性剖视图；
图3为电动机的一个弹性的冷却剂管。
图4为一个驱动装置的纵向剖视图；图5和图6为图4所示装置的具体结构设计示意图。
图7为一个用于军舰的电动舵推进器的整体侧视图；图8为在船尾的两个图1所示舵推进器的视图；图9为用于所述电动舵推进器的球碗悬挂装置的原理图；图10为用于所述电动舵推进器的万向节式悬挂装置的原理图；图11为在两个舵支柱部段之间的接头结构示意图；图12为高温超导电动机的结构示意图。
具体实施例方式
在图1中，附图标记1表示船体轮廓。一个舵推进器支柱2可转动地并可弹性避让地设置在船体中。该电动舵推进器的螺旋桨用附图标记3来表示，在图示实施形式中它是一个简单的牵引式或压力式螺旋桨。这样，可比较有利地在壳体中保留有一个供冷却剂输入的自由轴端。该电动舵推进器的外壳用附图标记4表示。一根同时作为螺旋桨轴的转子轴12借助轴承5和7设置在该外壳4中央。
在所述舵推进器支柱2中，大约在电动机外壳23的上部段之上设置有一个制冷机8的压缩机。该制冷机8与图中未示出的带有用于冷却船舶或电动舵推进器的冷却系统的一个循环冷却系统连接。在该压缩机8和一个冷却头10之间设有柔性的压缩气体进出管9。该压缩气体进出管向该冷却头10提供压缩气体。所述冷却头10与一个本身已公知的低温联轴器11连接。该低温联轴器11将冷却头内已被冷却的冷却剂进一步输送到旋转的低温分配器20上，冷却剂从那儿通过柔性管21进入低温恒温器15中。
在真空绝缘的转子用低温恒温器15中有一个超导绕组14，尤其是一个高温超导绕组，它通过一个用于传递扭矩的低热传导性联结器16与所述比较温热的低温恒温器15连接。所述转子管24通过减震元件17与电动舵推进器的轴12连接并通过轴承19支撑在所述电动机外壳23的端部法兰上。在所述电动机外壳23内的外侧设有定子13，它与转子18之间形成一个相对较大的空气缝隙22。该空气缝隙22设计成这样，即，使得所述转子18和/或定子13的弹性变形以及轴承19的轴承间隙的总和要比这些构件在受到震动影响时产生的运动要小。这样一来，即便在水下发生爆炸，例如直接在电动舵推进器下方发生水下爆炸时，也能保证该电动舵推进器能正常工作。
所述转子管24通过一些减震元件17与转子轴12连接，这些减震元件17比较有利地与在该转子管24和电动机外壳23之间采用的减震元件17相同。由此总体上获得一种冷却损失最小并且抗震强度很高的技术解决方案。
在图2中示出了一种简化的结构设计，其中，电机的各个部件与图1中示出的各部件相同并因此不专门标示出。在图2所示实施形式中，充分利用了超导线圈的高的可能的安匝数。转子仅仅需要很小的导线质量并可设计为带有很少的铁或根本就没有铁。作用在小质量的转子上的冲击力因此也很小或者与工作运行时的力相当。转子不减震地与所述轴连接；低温联轴器通过刚性的管道与冷却剂腔室连通。所述较重的定子和所述低温冷却器通过减震器25悬挂，仅仅一根柔性的冷却头-低温联轴器连接管26是必需的。在转子与气隙定子绕组之间的空气缝隙27在此可以选择达到50mm，使得即便在最大冲击负载的情况下转子28与定子29也不会碰到。由此得到了一种特别轻且结构也特别简单的超导电机。
图3中示出了一种例如为所述电机所需的柔性的冷却剂管。在一个双层壁壳体30的两层壳壁之间存在真空31，该真空还在两个柔性的冷却剂管部件33和34之间继续延伸。这两个柔性的冷却剂管部件33和34分别通过法兰35、36与包围冷却剂32的所述两层壳壁相连接。由此得到一种简单的并仅仅允许较小热损失的冷却剂管结构。
图4示出用于一艘船舶的电动驱动装置100的驱动轴1，其中，该驱动轴在两端分别支承有一个螺旋桨2、3。由驱动轴1驱动的电动机仅仅示出其上半部的剖面。该电动机由一个转子4和一个定子5组成，其中，所述转子具有一个永久磁铁形式的电有效层6并且设置在一个管状的支撑体7上。所述定子5具有一个多部段式的支承壳8，该支承壳8通过转动轴承9固定在转子的支撑体7上。
所述由转子4和定子5组成的结构单元借助一些弹性减震元件10和11一方面支撑在转子轴1上，另一方面支撑在一个容装有电动机和驱动轴的壳体12上。所述驱动轴1在此通过转动轴承13支承在壳体12中。
一个用于将驱动装置100固定在船体上的支承围阱与该壳体12对应配设。该支承围阱14可设计成双层壁或配备有垂直的环形冷却通道16，例如用于导引冷却空气。
为冷却定子5、尤其是绕组端部15，例如可在电动机的其中一个端部将冷却空气从所述支承围阱14中供入所述支撑壳8和支撑体7之间的内腔中，并在电动机的另一侧将其排出。所述冷却空气可在电动机内部在所述转子的电有效层6和所述支撑体7之间沿轴向流动。为冷却定子或定子绕组，所述定子壳8可具有流动通道，来自于所述支承围阱14的冷却水可流过该通道。
按照图5和略有放大的图6，所述由转子24和定子25构成的电动机设置在一个流线型的壳体32中。该壳体32借助支承围阱39呈吊舱状地固定在船体的下方。所述定子的支承壳28通过设计为锥形滚动轴承的转动轴承29固定在转子24的支撑体27上。该支撑体通过减震元件30弹性地支承在驱动轴21上。所述减震元件30在此轴向固定在环形法兰18和19上。
所述定子的支撑壳28通过减震元件31支撑在壳体32上。这些减震元件分别由一个橡胶体17制成。该橡胶体通过螺栓35/36与所述支撑体28和所述壳体32耦连。
所述支承转子的驱动轴21借助滑动轴承33和34支承在壳体32内。所述滑动轴承在此借助密封装置37/38相对于外面的水密封。
在图7中用附图标记1表示电动机吊舱的螺旋桨端，用附图标记2表示该电动机吊舱的中部，附图标记3则表示该电动机吊舱的尾部。所述螺旋桨用4来表示，它优选设计为牵引式推进器。在该电动机吊舱中设有定子绕组5以及转子绕组6，以优选通过表面来散热。在定子绕组5和转子绕组6之间有一个较大的空气间隙7。所述用于转子轴的轴承、优选是用于承受转子及螺旋桨的径向力和轴向力的滑动轴承为图示简单清晰起见在此没有示出。同样没有示出的还有其它一些位于电动机吊舱内的部件。
船舶的船底部段用附图标记8和9来表示。在部段8和9内，船底结构以传统的方式来设计。在部段8和9之间设有一个可弹性变形的结构11，12。在其中间有一个空心体10，该空心体10构成上部船体15的延长段。所述空心体10通过弹簧、例如橡胶缓冲垫15弹性和可运动地相对于弹性的结构部件11，12被支承。在该空心体的上侧设有一个弹性结构13，其优选由金属制成并允许一个大的弹性变形量。这样，当一颗鱼雷在电动舵推进器下方爆炸时，所述电动舵推进器可显著地沿垂直方向运动，由该爆炸压力波所造成的加速度也可明显降低。通过图示结构设计，不仅可实现具有较大避让行程的垂直方向的避让运动，也可实现既在水平方向上又在垂直方向上的具有较大避让行程的避让运动。
所述电动机吊舱的舵支柱至少设计为由两个部段构成，并由此具有部段16和17。在它们之间设有一个弹性的起铰接功能的法兰连接18。所述由部段16和17组成的舵支柱在本实施方式中仅仅由两段组成。但它同样还可由更多部段组成。在所述舵支柱部段16上还固定有一个辅助舵19，该部段16优选由一种纤维增强塑料制成，而所述舵支柱部段17例如同样和所述电动机吊舱的中间部段2一样由铝制成。所述吊舱部段1优选由钢制成，以便能够承受在那儿产生的较大支承力，而所述尾段3为节省重量可同样优选由纤维强化的塑料制成。在此比较有利的是在该部段内装入冷却通道。一种冷却液体可流过这些冷却通道。
在图8中示出位于船尾的两个相邻设置的舵推进器、亦即一艘双螺旋桨船舶的驱动单元。附图标记22和23分别表示这两个舵推进器的螺旋桨。悬挂着两个驱动装置的两个舵支柱在其上部具有至少一个作为铰接头的法兰连接装置24。所述电动舵推进器的悬挂装置原则上和图7中所示一样，在其中部具有一个沿轴向方向和沿水平方向可移动的位于橡胶缓冲垫和一个钢制弹簧结构20之间的空心体21。所述弹性的运动结构单元25在此可提高运动性。
在图7和图8中示出的可供悬挂的舵推进器水平运动和垂直运动的减震结构在此仅仅概略性地和示例性地示出。不言而喻，对其可进行满足专门要求的相应变型设计。在图9和10中示出了另外两个技术解决方案。其中，图9中示出了电动舵推进器支柱的上部悬挂在球窝内，图10则示出了万向节式的相应悬挂。在图9中，附图标记26表示电动舵推进器的支柱支承在一个框架27内。该框架27位于船尾内部并与船尾的结构元件相连接。在该框架27和支柱头26之间设有一些支承在弹簧元件28例如盘簧中的球窝状或球碗状部件29。所述框架27同样有利地弹性固定在船尾的结构元件中。由此形成一种可均匀地向所有方向避让的舵支柱悬挂结构。向所有方向的均匀避让性在图10所示结构中也存在。在此，所述支柱头32通过螺栓31、33与所述支承在船尾结构元件中的框架30连接。该连接也可有利地设计成弹性连接。为进行纵向和水平导引，所述按照图9和图10所示原理悬挂的舵推进器支柱还具有图中未示出的支撑操纵杆。
图11示出一个弹性的、设计为铰接头的位于两个支柱部件之间的接头。两个法兰件36，37之间具有一个由例如多层的纤维强化弹性体材料制成的中间层。该法兰连接区的外部用弹性的波纹管元件39保护起来。该波纹管元件39从连接螺栓头34一旁经过并有利地通过环箍固定在图11中未示出的支柱上。在螺栓头34下方还有例如盘簧35。这样，当承受一个冲击波时，所述接头可短暂“松散开”。这是允许的，因为在外面设有所述接头涨圈39，不会有水进入支柱内部。就象设置在外侧一样，该接头涨圈39也可设置在内侧，由此可形成一种双层密封。
图12示出一个高温超导体电动机示例性地安设在一个舵推进器中。附图标记40表示高温超导体绕组，41表示转子低温恒温器。42则表示空气间隙式绕组，43表示磁轭。附图标记46′表示带有其冷却器的冷却压缩机。液态冷却剂从冷却压缩机46到达冷却头45。从该冷却头又引出所谓的去往转子低温恒温器41的“低温-热管44”。附图标记47表示定子42的电导线。
图7至图10中所示出的悬挂结构仅仅是多种可行设计结构中选择出的几种。这些可行设计结构的共同点始终在于，所述舵支柱可避让爆炸压力波，以平衡由一颗爆炸的鱼雷或水雷所产生的可导致船舶构件加速度超过100g的压力波，并无功能损害地降低该压力波。
权利要求
1.一种采用超导技术、尤其是高温超导技术的电机，例如电动机或发电机，其中，该电机具有一个带有超导体、尤其是高温超导体的转子、一个转子低温恒温器、一个转子轴和一个带有在该低温恒温器和一个制冷机之间的低温导体的低温连接管以及一个没有采用超导技术的定子，其特征在于，该电机设计成能抗震地适用于军舰，其中，该定子(13，29)、转子(18，28)和低温恒温器(15)通过一些弹性元件(17，25)相对于一个电机外壳(4，23)和所述转子轴(12)在运动上脱耦。
2.如权利要求1所述的电机，其特征在于，所述转子(18)、定子(13)和低温恒温器(15)之间具有连接元件(17)和轴承(7)，这些连接元件和轴承可在因震动导致加速时使上述部件作为一个整体运动，其中，该整体运动超越振幅。
3.如权利要求1或2所述的电机，其特征在于，所述电机外壳(4，23)与一个机座弹性连接。
4.如权利要求1或2所述的电机，其特征在于，一个电动舵推进器壳体作为所述电机外壳(4，23)弹性地设置在船体(1)下方。
5.如权利要求1、2或3所述的电机，其特征在于，所述电机外壳(4，23)弹性地安置在一个基架上。
6.如权利要求4或5所述的电机，其特征在于，所述电动舵推进器壳体(4，23)或所述基架例如通过弹性材料垫和/或弹簧可弹性避让地与船体(1)连接。
7.如上述任一项权利要求所述的电机，其特征在于，所述低温连接管具有一个固定的冷却头(10)和一个突伸到转子轴区域内的用于液态冷却剂的分配器(20)。
8.如权利要求7所述的电机，其特征在于，在所述用于液态冷却剂的分配器(20)和所述低温恒温器(15)之间设有一根柔性的尤其是同轴的双层壳结构的低温管(9)。
9.如上述任一项权利要求所述的电机，其特征在于，所述定子(13)具有一个铜线绕组并且所述转子(18)具有一个超导设计的气隙绕组(14)。
10.如上述任一项权利要求所述的电机，其特征在于，所述电机内的冷却剂是液态氖。
11.如权利要求1至9中任一项所述的电机，其特征在于，所述电机内的冷却剂是液态氮。
12.如上述任一项权利要求所述的电机，其特征在于，在所述低温连接的固定部件和旋转部件之间设置用于密封冷却剂的铁磁流体密封。
13.如上述任一项权利要求所述的电机，其特征在于，所述转子轴(12)在电机的低温部件和常温轴段之间具有一些由纤维强化塑料制成的扭矩传递元件(16)。
14.如上述任一项权利要求所述的电机，其特征在于，所述电机具有一些优选设置在一个弹性支撑架上的脉冲管式冷却器作为所述制冷机(8)。
15.如权利要求14所述的电机，其特征在于，所述脉冲管式冷却器结合有一个斯特林线形压缩机。
16.如上述任一项权利要求所述的电机，其特征在于，所述低温连接管在一个支撑管内从所述脉冲管式冷却器或必要时另一个制冷机(8)被引向所述电机的冷却头，或者被设计为缺少金属的软管。
17.如上述任一项权利要求所述的电机，其特征在于，所述冷却头-转子间的低温连接通过一种铁磁流体连接器相对于转子轴密封，并且所述冷却头(10)固定在电机外壳(4)上，其中，在这两个部件之间有一个弹性的冷却剂连接管。
18.如上述任一项权利要求所述的电机，其特征在于，所述低温分配器(20)弹性地支撑在所述转子轴的区域内。
19.如上述任一项权利要求所述的电机，其特征在于，所述电机内的弹性支撑件(17，25)由标准的橡胶弹性元件组成，例如由弹性联轴器区段组成。
20.如上述任一项权利要求所述的电机，其特征在于，所述制冷机(8)与船舶内的一个冷却系统连接。
21.如上述任一项权利要求所述的电机，其特征在于，所述定子铜线绕组设计成用液体来冷却，尤其是用水来冷却。
22.如权利要求21所述的电机，其特征在于，该电机在定子内具有沿径向、轴向或环周方向延伸的冷却管道，该冷却管道内优选流过水。
23.一种用于船舶的电驱动装置(100)，它具有一个呈吊舱形地设置在船体下侧的流线形结构的壳体(12)，在该壳体内设有一个由定子(5)和转子(4)组成的电动机，其中，至少一个螺旋桨(2，3)与一根支承该转子(4)的驱动轴(1)耦连，其特征在于，所述定子(5)通过转动轴承(9)固定在转子(4)上，并且所述由定子(5)和转子(4)构成的结构单元既弹性支撑在所述壳体(12)上又弹性支撑在所述驱动轴(1)上。
24.如权利要求23所述的驱动装置，其特征在于，所述转子(4)由一个管状的支撑体(7)和一个安置在该支撑体上的有效部件(6)组成，该有效部件弹性支撑在该驱动轴(1)上，所述定子(5)支承在转子(4)的支撑体(7)上并弹性支撑在所述壳体(12)上。
25.如权利要求23所述的驱动装置，其特征在于，所述转子(4)在驱动轴(1)上的支撑(6)设计成沿轴向和径向较软，而在圆周方向上有抗扭刚性。
26.如权利要求23至25中任一项所述的驱动装置，其特征在于，所述转动轴承(9)设计成滚动轴承。
27.如权利要求23至26中任一项所述的驱动装置，其特征在于，所述用于支承驱动轴(1)的轴承(13)设计成滑动轴承。
28.一种用于军舰，例如护卫舰、警卫舰或快艇的电动舵推进器，其在一根装有供电线路的舵支柱上具有至少一个电动机和至少一个螺旋桨，这根舵支柱借助一个可转动的船尾-舵支柱连接装置设置在船尾下方，其特征在于，所述船尾-舵支柱连接装置、舵支柱和电动机设计成，使得船尾、舵支柱和电动机能够不受损失地承受水下爆炸压力波的冲击，为此，a)所述舵支柱(16，17)本身设计为可弹性变形，b)所述船尾-舵支柱连接装置设计成可允许舵支柱(16，17)相对于船尾(8，9)运动，c)所述电动机(5，6)设计成能接受加速度大于10级。
29.如权利要求28所述的电动舵推进器，其特征在于，所述舵支柱(16，17)在其各构件之间具有至少一个弹性设计的铰接位置、例如一接头(18)。
30.如权利要求29所述的电动舵推进器，其特征在于，所述接头(18)设计成允许各舵支柱构件作相对垂直运动和弯曲。
31.如权利要求29或30所述的电动舵推进器，其特征在于，所述接头(18)具有可螺旋拧紧的法兰，该螺栓连接件设计成可弹性变形并具有例如盘簧。
32.如权利要求29、30或31所述的电动舵推进器，其特征在于，所述接头(18)具有一个由一种弹性材料、例如硅胶制成的弹性的接头中间层，该中间层优选为多层式强化形状。
33.如权利要求29、30、31或32所述的电动舵推进器，其特征在于，所述舵支柱(16，17)具有多个接头，其中，在各接头之间的各舵支柱构件优选由不同的材料、例如钢、铝或纤维强化塑料制成。
34.如权利要求29至33中任一项所述的电动舵推进器，其特征在于，所述在两个舵支柱构件之间的接头(18)至少外面具有一个由弹性材料制成的接头涨圈(39)。
35.如权利要求28至34中任一项所述的电动舵推进器，其特征在于，所述电动机(5，6)的壳体(1，2，3)设计成具有多个部段，其中，所述各壳体部段(1，2，3)由铝制成。
36.如权利要求28至35中任一项所述的电动舵推进器，其特征在于，所述螺旋桨(4)设计为尤其可自动调节，它由塑料制成。
37.如权利要求28至36中任一项所述的电动舵推进器，其特征在于，所述电动机(5，6)具有一个弹性的转子轴承和一个例如在5至50mm之间的较大空气间隙(7)。
38.如权利要求28至37中任一项所述的电动舵推进器，其特征在于，所述电动机(5，6)设计为三相交流同步电机并具有至少一个旋转的、由高温超导体导线构成的励磁绕组(40)，并且各个旋转的、由高温超导体导线构成的励磁绕组(40)设置在一个真空绝热的低温恒温器(41)中，利用该低温恒温器可将所述旋转的、由高温超导体导线构成的励磁绕组(40)深度冷却到一个在15K至77K之间的温度。
39.如权利要求38所述的电动舵推进器，其特征在于，所述设计为三相交流同步电机的电动机(5，6)具有一个由铜制绞合线制成的带有空气间隙的三相绕组，该三相绕组设置在一个转子和一个分成薄片的磁轭(43)之间的一个环形缝隙中。
40.如权利要求38或39所述的电动舵推进器，其特征在于，所述旋转的励磁绕组(40)的高温超导体导线由多股带状导线构成，它例如用材料Bi2Ba2Sr2Cu3Ox制成或者是具有相近特性的材料制成。
41.如权利要求38、39或40所述的电动舵推进器，其特征在于，所述电动机的定子空气间隙式绕组设计成无铁齿。
42.如权利要求28至41中任一项所述的电动舵推进器，其特征在于，所述电动机以滑动轴承为其轴承，并且所述在定子与转子之间的空气间隙在5至50mm之间。
43.如权利要求28至42中任一项所述的电动舵推进器，其特征在于，所述在船尾的船尾-舵支柱连接装置具有可弹性变形的结构元件，例如易弯的板材，它们构成弹性的承载骨架。
44.如权利要求28至43中任一项所述的电动舵推进器，其特征在于，所述电动机的供电线路设计成无滑环，例如设计成一个抗扭弹性的拖缆或一个螺旋状地配备有张开导线的电缆。
45.如权利要求28至44中任一项所述的电动舵推进器，其特征在于，它具有一个辅助舵(19)，该辅助舵(19)可独立于所述舵支柱(16，17)的位置而运动。
46.如权利要求28至45中任一项所述的电动舵推进器，其特征在于，所述舵支柱(16，17)具有一个不对称的横断面，该横断面尤其对应于一种翼型。
47.如权利要求28至46中任一项所述的电动舵推进器，其特征在于，所述舵支柱(16，17)具有一个侧翼或前翼形状的辅助舵。
48.如权利要求28至47中任一项所述的电动舵推进器，其特征在于，所述电动机设计成具有两个部份，其中，这两部份可相互独立地被驱动并且具有相互独立的电源。
49.如权利要求48所述的电动舵推进器，其特征在于，所述电动机各部份的转速可相互独立地予以调节并分别用于驱动一个螺旋桨。
50.如权利要求48或49所述的电动舵推进器，其特征在于，所述两个螺旋桨设计成相互反向旋转。
51.如权利要求28至50中任一项所述的电动舵推进器，其特征在于，所述舵支柱的转动和/或所述辅助舵的运动通过伺服电动机来实现。
52.如权利要求28至51中任一项所述的电动舵推进器，其特征在于，所述船尾-舵支柱连接装置具有一个用于舵支柱的半万向节的悬挂装置(31，33)。
53.如权利要求28至52中任一项所述的电动舵推进器，其特征在于，所述船尾-舵支柱连接装置具有一个通过球碗(29)、尤其是弹性支撑的球碗对所述舵支柱实现的支撑。
54.如权利要求28至53中任一项所述的电动舵推进器，其特征在于，对于所述舵支柱，在船尾存在一个支撑在弹性元件、例如弹性垫或液压垫上的可水平和垂直运动的支撑结构(13，20)。
55.如权利要求28至54中任一项所述的电动舵推进器，其特征在于，所述电动机设计成具有冷缩装配在电动机壳内的绕组，并且其工作时外壳壁受到冷却。
全文摘要
本发明公开了一种采用超导技术、尤其是高温超导技术的电机，例如电动机或发电机，其中，该电机具有一个带有超导体、尤其是高温超导体的转子、一个转子低温恒温器、一个转子轴和一个带有在该低温恒温器和一个制冷机之间的低温导体的低温连接管以及一个没有采用超导技术的定子，其中，该电机设计成能抗热震地适用于军舰，其中，该定子(13，29)、转子(18，28)和低温恒温器(15)通过一些弹性元件(17，25)相对于一个电机外壳(4，23)和所述转子轴(12)在运动上脱耦。其中，按照一种设计，所述电机外壳被设计为舵推进器壳体并弹性地与所述船尾连接。另外，本发明还涉及一种用于船舶的电驱动装置和一种用于军舰的电动舵推进器。
文档编号B63H23/24GK1550061SQ02816908
公开日2004年11月24日 申请日期2002年8月30日 优先权日2001年8月30日
发明者冈特·里斯, 冈特 里斯 申请人:西门子公司