DE10148785A1

DE10148785A1 - Start-Generatoren zum Antrieb zur Energieerzeugung und zum Betreiben von Mehrbereichs-Bordspannungsanlagen in Sportbooten und Wasserfahrzeugen

Info

Publication number: DE10148785A1
Application number: DE10148785A
Authority: DE
Inventors: Johannes Hanusch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-10-02
Filing date: 2001-10-02
Publication date: 2002-06-13
Also published as: DE20217985U1

Abstract

Das Patent bezieht sich auf den Einsatz entwickelter neuartiger Start-Generatoren in Sportbooten oder anderen Wasserfahrzeugen und den sich dadurch ergebenden Vorteilen für das Antriebssystem der Boote in Verbindung mit dem Einsatz von Hochleistungs-Kondensatoren (Ultra-Caps) und der Nutzung von Mehrspannungs-Bordnetzen.

Description

Der erhöhte Bedarf an Elektroenergie beim Betrieb von Wasserfahrzeugen erfordert verbesserte Lösungen der Energieerzeugung. Dazu bietet sich der für den Kfz-Sektor entwickelte Start-Generator an. Der Start-Generator ist ein kompaktes Bausystem, welches Starter und Generator vereinigt und im Abtriebsbereichs des Motors, teilweise auch als Ersatz für die Schwungmasse, angeordnet ist, so daß der Starter die Antriebsmaschine direkt antreiben kann bzw. die Antriebsmaschine direkt den Generator treibt (Anlage 1). Neben der Maximalleistung - je nach Anlage - von 5 bis 10 kW sind unterschiedliche Spannungsabgriffe im Bereich von 14 V, 42 V bis 230 V usw. möglich, oder es werden Spannungswandler eingesetzt, um unterschiedliche Spannungsgrößen zu erreichen. Durch das erhöhte Leistungsspektrum und dem großen Durchmesser des Start-Generators (siehe Anlage 1, Durchmesser 0 entspricht etwa dem Schwungmassendurchmesser des Motors) ergibt sich ein sehr hohes Start- Drehmoment, welches den Motor bis über die Leerlaufdrehzahl hinaus beschleunigen kann, so daß ein äußerst gutes Startverhalten erreicht wird.

Durch die direkte Verbindung Antriebsmaschine-Generator-Starter können die Übertragunselemente wie Keilriemen, Zahnräder usw., wie bei externen Start- und Generator-Systemen erforderlich, wegfallen. Damit entfallen auch die damit verbundenen Fehlermöglichkeiten und der gesamte Wartungsaufwand. Durch eine elektronisch gesteuerte Drehfeldänderung nach dem Stand der Technik kann eine Drehrichtungsänderung des Start-Antriebssystems vorgenommen werden.

Die beim Betrieb der Antriebsmaschine über den Generatorteil erzeugte Energie kann neben den bekannten Speicherbatterien (Blei-Säurebatterien, Nickel-Metallhydrit- Batterien, Lithium-Ionen-Batterien) in neuartigen Hochleistungs-Kondensatoren (Ultra- Caps) gespeichert werden. Diese Ultra-Caps bieten einen sehr hohen Entwicklungs stand gegenüber den Speicherbatterien, so daß sie in der Zukunft die Batterien möglicherweise gänzlich ersetzen können.

Als weiterer Vorteil dieses Start-Generators ist die mögliche elektrische Dämpfung von Drehungleichförmigkeiten (Drehschwingungen) im Antriebssystem, indem elektronisch Drehmoment-Impulse eingesteuert werden. Dies ist besonders vorteilhaft für Bootsmotoren mit geringer Zylinderzahl, da dadurch Bootsgeräusche und Verschleiß im Antriebssystem verringert werden können.

Weiterhin kann der Starterteil dieser Start-Generatoren wie bei Kraftfahrzeugen zur Drehmomentunterstützung in der Beschleunigungsphase genutzt werden, so daß man in Zukunft mit kleineren Motoren auskommen kann. Die Funktion der automatischen Drehzahlerhöhung kann bei der Fahrt des Bootes mit Motor gegen sich aufbauende Wellenberge genutzt werden, indem durch das Startsystem der Geschwindigkeitsabfall automatisch durch gesteuerte Drehzahlerhöhung des Antriebssystems auszugleichen versucht wird.

Aber auch die kurzfristig einsetzbare und drehmomentstarke Drehrichtungsänderung des Bootsantriebes ist für die Bremsfunktion des Bootes vorteilhaft, speziell dann, wenn die Flügelstellung des Propellers der Bremsfunktion angepaßt werden kann. Diese Besonderheiten des neuartigen Start-Generators-Systems für Wasserfahrzeuge, besonders in Verbindung mit den durch das vorgestellte Patent ergebenden zusätzlichen Funktionen, können sich für die Entwicklung der Antriebs- und Energietechnik von Booten und anderen Wasserfahrzeugen bedeutsame Vorteile ergeben.

Präzisierung des Patentes: Der Start-Generator im Einsatz bei Booten und anderen Wasserfahrzeugen wird lt. Anlage 1 zwischen drehmomenterzeugendes Energiesystem C (Antriebsmaschine) und dem Abtriebssystem im Wasser E (z. B. Schiffspropeller) geschaltet. Der Stator (1) des Start-Generators kann fest mit der Antriebsmaschine verbunden sein. Dabei wird auf der Antriebsseite des Start-Generators eine Trennkupplung (A) angebracht, über die der Rotor (2) des Start-Generators mit der Antriebsmaschine C verbunden oder von ihr abgetrennt werden kann. Eine zweite Trennkupplung (B) befindet sich auf der Abtriebsseite des Start-Generators zwischen dem Rotor (2) des Start-Generators und dem Antriebssystem im Wasser (z. B. Schiffspropeller E), wobei es unabhängig ist, durch welche technische Lösung (mechanisch, hydraulisch oder elektrisch) die Übertragung zum Bootsabtrieb (D) erfolgt.

Für den Einsatz des Start-Generator-Systems in Verbindung mit den Trennkupplungen A und B ergeben sich 4 Schaltzustände:

1. Trennkupplung A geschlossen, Trennkupplung B offen: Kein Fahrbetrieb des Bootes. Durch den Starterteil des Start-Generators und über die geschlossene Trennkupplung (A) wird die Antriebsmaschine gestartet. Durch das hohe Anlaß- Drehmoment kann eine sehr hohe Anlaßdrehzahl erreicht werden, wodurch ein sehr sichers Starten der Antriebsmaschine garantiert wird. Läuft die Antriebsmaschine aus eigener Kraft, wird über die Trennkupplung (A) der Rotor des Generatorteils zur Energieerzeugung angetrieben. Die Energieabnahme erfolgt (Anlage 1) an den Klemmen (U,V,W) zur direkten Nutzung, zur Gleichrichtung bzw. zur Wandlung der Spannung. Zur Energiespeicherung werden neben den bekannten Batteriesätzen elektrisch günstige Hochleistungs-Kondensatoren eingesetzt.

Da die Trennkupplung (B) offen ist, erfolgt kein Antrieb zur Bootsbewegung.

2. Trennkupplung A und Trennkupplung B geschlossen: Normaler Fahrbetrieb unter Maschine. Das Antriebsmoment (C) der Maschine wird über beide geschlossenen Trennkupplungen (A und B) an das Boots-Antriebssystem (E) im Wasser gelegt. Außerdem erzeugt der Start-Generator die Elektroenergie zum Aufladen der Batterie- Speichersätze bzw. der Hochleistungskondensatoren (Ultra-Caps).

3. Trennkupplung A offen, Trennkupplung B geschlossen: Elektrische Rückwärts- und Vorwärtsfahrt des Bootes. Durch den Starterteil des Start-Generators wird das Drehmoment über die Trennkupplung (B) zum Bootsantrieb im Wasser (z. B. Schiffspropeller E) geleitet, um das Manövrieren des Bootes im Hafen bzw. bei Fahrten in Bereichen, in denen nur elektrische Antriebe zugelassen oder erwünscht sind, zu bewirken. Kurzfristiger Einsatz des Antriebssystems des Fahrzeuges in beiden Fahrtrichtungen auch bei Notmanövern oder bei Fahrten in engen Fahrtrinnen ohne Start der Antriebsmaschine. Die große Kapazität der neuartigen Hochleistungs kondensatoren (Ultra-Caps), getrennt oder in der elektrischen Zusammenschaltung (Parallel- und/oder Reihenschaltung) mit Speicher-Batterien, lassen diese Speichersysteme längere Betriebszeiten des dafür ausgelegten Starterantriebes und somit des Bootsantriebes zu. Damit kann auf die Wendegetriebe in den Booten verzichtet werden.

Im Schleppbetrieb (z. B. bei Booten unter Segel) kann rückwirkend über den Bootsantrieb (z. B. Bootspropeller E) und der Trennkupplung (B) der Rotor (2) des Start-Generators zur Energieerzeugung angetrieben werden. Durch Verstellein richtungen entsprechend dem Stand der Technik lassen sich z. B. die Anstellwinkel der Propellerflügel verändern, um günstigere Anströmwinkel und damit bessern Wirkungsgrad für die Energieerzeugung zu erreichen. Zusätzlich kann durch Veränderung der magnetischen Erregung das Widerstandsmoment des Rotors so verändert werden, daß in Anpassung der Bootsgeschwindigkeit (Fahrt durchs Wasser) an den Generator, die für diese Situationen bestmögliche Energieerzeugung ermöglicht wird. Durch diese Art der Energiegewinnung kann bei längeren Fahrten z. B. unter Segeln die Energieversorgung der Boote besser abgesichert werden.

4. Trennkupplungen A und B offen: kein extra Motorbetrieb, kein Energieabtrieb zum Wasser, d. h. Boot ohne Fahrt. Mit dem Einschalten des Startersystems des Start- Generators kann über ein Übertragungsglied (F) wie Keilriemen- oder Zahnscheibe die erzeugte mechanische Energie zu einem Zusatzsystem wie Luft- oder Klima- Kompressor, Ruderanlage, Hydraulikpumpen oder ähnlichem geleitet werden, für die ansonsten ein externer Antrieb oder der Betrieb der Antriebsmaschine erforderlich wäre. Das Antriebssystem (F) ist elektromagnetisch an den Rotor anzukuppeln oder die angetriebenen Aggregate sind extern ankuppelbar. So kann z. B. der Klima- Kompressor auch ohne Einsatz der Antriebsmaschine über bestimmte Zeit weiterbetrieben werden.

Vorteile durch den Einsatz des Start-Generators für den Betrieb in Wasserfahrzeugen bietet das große Leistungsspektrum des Generators in Verbindung mit den unterschiedlichen Spannungsabgriffen (Mehrspannungs-Bordnetz) und/oder den Einsatz von Wandlern. Mit der Erhöhung der Bordnetzspannung z. B. auf 42 V kann bei gleichen Kabelquerschnitten die dreifache Leistung übertragen werden.

Die geteilten Spannungen können etwa folgendermaßen aufgeteilt werden (Anlage 2):
14 V: Bootsbeleuchtung, Scheibenwischer, Zusatzscheinwerfer, Motormanagement für Otto- und Dieselmotoren
42 V: Starter- und elektrischer Fahrbetrieb des Bootes ohne wirksame Antriebsmaschine, elektrische Steuerungssysteme, günstigere Energiespeicherung, Hilfssysteme für Bootsanlagen, Kühl- und Lüfteranlagen,
230 V: Versorgungsanlagen für die Mannschaft, Funk- und Wettertechnik, Computer technik usw. Folgende Grundschaltungen können bei Mehrspannungs-Bordnetzen ausgewählt werden:

- Spannungsabgriff 14 V u. 42 V: Über DC/AC-Wandler kann die Spannung von 42 V auf 230 V gesetzt werden.
- Spannungsabgriff 42 V u. 230 V: 14 V können durch DC/DC-Wandler von 42 V auf 14 V gesetzt werden.
- Spannungsabgriff nur 230 V: 14 V u. 42 V können durch DC/DC- oder AC/DC- Wandler gesetzt werden.
- Spannungsabgriff 14 V, 42 V u. 230 V: größerer technischer Aufwand, jedoch kein Wandlereinsatz.

Mehrspannungs-Bordnetze bringen erhöhte Probleme bezüglich von Kurzschlüssen zwischen den unterschiedlichen Spannungen und den Masseverbindungen bzw. Massepunkten, die jedoch technisch lösbar sind.

Im Rahmen der elektrotechnischen Aufrüstung der Boote sind Energie- Einspeisungspunkte für die Brennstoffzellentechnik und die Solartechnik bzw. für die Nutzung externer Stromversorgungsanlagen (Aggregate) vorzusehen, damit über diese Energiesysteme und den dann vorhandenen Start-Generatoren ohne weiteren technischen Aufwand die Fahrt des Bootes gewährleistet werden kann. Bei Ausfall dieser Systeme ist kurzfristig die normale Antriebsmaschine wieder einsetzbar.

Claims

1. Die Verbindung der Antriebsmaschine (z. B. Verbrennungsmotor) von Sportbooten oder anderen Wasserfahrzeugen mit dem Boots-Antrieb (z. B. Bootspropeller) über eine Elektro-Baugruppe, bei der Starter und Generator eine zusammenhängende Einheit bilden (genannt Start-Generator), wobei der Rotor des Startgenerators das Verbindungsglied zwischen drehmomenterzeugender Maschine und dem Abtrieb zum Boots-Antriebssystem darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß der Start-Generator an der Antriebsseite und an der Abtriebsseite je eine Trennkupplung angebracht ist, die kraft-, formschlüssig oder durch Magnetkraft das Drehmoment übertragen, oder daß diese Kupplungen einzeln auf der Antriebs- oder Abtriebsseite vorhanden sind und bedarfsweise Ein- oder Ausgekuppelt werden können.

2. Die Verbindung der Antriebsmaschine von Sportbooten oder anderen Wasserfahrzeugen mit dem Boots-Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über die Antriebskupplung in eingekuppeltem Zustand der Starter des Start- Generators den Startvorgang der Antriebsmaschine vollzieht und nach dem Start den Antrieb des Generators zur Energieerzeugung gewährleistet. Und daß die Antriebsmaschine in ausgekuppeltem Zustand vom Start-Generator getrennt ist.

3. Die Verbindung der Antriebsmaschine von Sportbooten oder anderen Wasserfahrzeugen mit dem Boots-Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtriebskupplung in eingekuppeltem Zustand den Rotor des Start-Generators mit der Abtriebswelle, die zum Antriebssystem des Bootes führt, verbindet, und die in ausgekuppeltem Zustand den Rotor des Start-Generators von der Abtriebswelle trennt.

4. Die Verbindung der Antriebsmaschine von Sportbooten oder anderen Wasserfahrzeugen mit dem Boots-Antrieb nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß diese Kupplungen über ein mechanisches, elektrisches, pneumatisches oder hydraulisches System voneinander unabhängig jeweils Ein- oder Ausgekuppelt werden können.

5. Die Verbindung der Antriebsmaschine von Sportbooten oder anderen Wasserfahrzeugen mit dem Boots-Antrieb nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Schleppbetrieb (z. B. Segelfunktion des Bootes) bei eingekuppelter Abtriebskupplung und getrennter Antriebskupplung der Rotor des Generators über das antreibende System des Bootes (z. B. Schiffspropeller) zur Energieerzeugung angetrieben wird. Einbezogen die konstruktiven Möglichkeiten, die Flügelstellung des Wasser-Triebsystems in einen für die Schleppsituation günstigen Anstellwinkel (Stand der Technik) zu verändern und daß durch Veränderung der magnetischen Erregung des Start-Generators das Widerstands-Schleppmoment des Generators so beeinflußt wird, daß dieser in Anpassung an die Geschwindigkeit des Bootes (Fahrt durchs Wasser) die bestmögliche elektrische Leistung erreicht bzw. daß durch kein zu hohes Widerstandsmoment das Generator-Antriebssystem zum Stoppen gebracht wird.

6. Die Verbindung der Antriebsmaschine von Sportbooten oder anderen Wasserfahrzeugen mit dem Boots-Antrieb nach Anspruch 1, 3, 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Starter des Start-Generators bei Zuführung elektrischer Energie über die Abtriebskupplung das im Wasser befindliche Antriebssystem (z. B. Schiffspropeller) zur Fahrt des Bootes antreibt. Dabei kann durch elektronische Umsteuerung die Drehrichtung des Rotors geändert werden, so daß zwischen Vorwärts- und Rückwärtsfahrt des Bootes gewählt werden kann, und daß durch Veränderung der Anstellwinkel des Antriebssystems das günstigste Vortriebs- und Bremsverhalten des Bootes erreicht wird.

7. Die Verbindung der Antriebsmaschine von Sportbooten oder anderen Wasserfahrzeugen mit dem Boots-Antrieb nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehmoment zwischen Rotorwelle des Startgenerators und dem Antriebssystem des Bootes (z. B. Schiffspropeller) in Antriebs- oder Schlepprichtung mittels mechanischer, hydraulischer oder elektrischer Systeme übertragen werden kann.

8. Die Verbindung der Antriebsmaschine von Sportbooten oder anderen Wasserfahrzeugen mit dem Boots-Antrieb nach Anspruch 1, 2, 3, 5, und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie für den Startvorgang und für den elektrischen Antrieb des Schiffspropellers für Vorwärts-, Rückwärts- und Schleichfahrt Hochleistungs- Kondensatoren (sog. Ultracaps), Nickel-Metallhydrit-Batterien, Lithium-Ionen-Batterien, normalen oder in spezieller Wickeltechnik hergestellten Blei-Säure-Batterien entnommen wird oder durch spezielle elektrische Schaltungen (Reihen- oder Parallelschaltung) entsprechend verstärkt bzw. dem Mehrspannungs-Bordnetz angepaßt wird.

9. Die Verbindung der Antriebsmaschine von Sportbooten oder anderen Wasserfahrzeugen mit dem Boots-Antrieb nach Anspruch 1, 2, 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Start-Generator in seiner Funktion als Starter und Energieerzeuger zur Drehgleichförmigkeit der Antriebsmaschine (Drehschwingungsdämpfung) und der Übertragungssysteme Generator/Boots-Antriebssystems in beiden Übertragungs richtungen genutzt werden kann.

10. Die Verbindung der Antriebsmaschine von Sportbooten oder anderen Wasserfahrzeugen mit dem Boots-Antrieb nach Anspruch 1, 3, 5 und 7 dadurch gekennzeichnet, daß bei getrennter Antriebs- und Abtriebskupplung der Rotor des Start-Generators elektrisch angetrieben und ein am Rotor abzunehmendes Drehmoment erzeugt wird, welches zum Antrieb unterschiedlicher Systeme wie Klima- oder Luftkompressoren, Hydraulikpumpen für Hilfssysteme usw. genutzt werden kann oder daß bei geschlossener Abtriebskupplung die Schleppbewegung des Bootes (z. B. bei Segelfunktion) über den Schiffsantrieb für den mechanischen Antrieb dieser genannten Zusatzsysteme genutzt wird.

11. Die Verbindung der Antriebsmaschine von Sportbooten oder anderen Wasserfahrzeugen mit dem Boots-Antrieb nach Anspruch 1, 3, 6, 8 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Solar- und Brennstoffzellentechnik oder durch andere Energiesysteme erzeugte Elektroenergie an den Starterteil des Start-Generators gelegt wird, um den Antrieb des Bootes für die Fahrt im Wasser zu gewährleisten, daß die Energie- Speichersysteme geladen werden und daß das durch diese Energieträger erzeugte Drehmoment für den Antrieb der unter Punkt 10. genannten Zusatzsysteme (Klima- und Luftkompressoren, Hydraulikpumpen usw.) eingesetzt wird.

12. Die Verbindung der Antriebsmaschine von Sportbooten oder anderen Wasserfahrzeugen mit dem Boots-Antrieb nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Bordnetz für den elektrischen Antrieb der Sportboote und der anderen Wasserfahrzeuge auf der Grundspannung von 42 V aufgebaut ist und daß durch Wandler oder spezielle Abgriffe am Generator Spannungswerte von 14 V und 230 V erreicht werden können.

13. Die Verbindung der Antriebsmaschine von Sportbooten oder anderen Wasserfahrzeugen mit dem Boots-Antrieb nach Anspruch 1, 3, 5, 6, 8, 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß unter Antriebssystem der Sportboote oder der Wasserfahrzeuge jede Art von Schiffspropellern, Schiffsschrauben, Schaufelrädern usw. anzusehen sind, die eine Drehbewegung des Starterteils (Rotor) des Start-Generators in eine Fahrbewegung der Boote und Wasserfahrzeuge umsetzen.