DE20217985U1

DE20217985U1 - Startgeneratoren zum Antrieb und zum Betreiben von Mehrbereichs-Bordspannungs-Anlagen in Sportbooten und Wasserfahrzeugen

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Publication number: DE20217985U1
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Current assignee: Hanusch Johannes De
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Filing date: 2002-09-18
Publication date: 2003-04-17
Anticipated expiration: 2012-09-19
Also published as: DE10148785A1

Description

Antrag auf Gebrauchsmuster

Einreicher: Johannes Hanusch

Bertolt-Brecht-Allee 01309 Dresden

Erfinder: wie Einreicher

Titel: Startgeneratoren zum Antrieb und zum Betreiben von

Mehrbereichs-Bordspannungsanlagen in Sportbooten und Wasserfahrzeugen

Datum: Dresden, 16.09.2002

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Beschreibung des Systems

Der für den Automobilbau entwickelte, auf Drehstrombasis arbeitende Kurbelwellen-Start-Generator kann mit zusätzlicher Funktionsweise für den Einsatz in Booten oder anderen Wasserfahrzeugen eingesetzt werden, indem er in vom Motor abgekuppeltem Zustand als Antriebsmaschine für die Fahrt des Bootes und für spezielle bootstypische Sonderfunktionen eingesetzt wird.

Die allgemeinen Vorteile, die der Kurbelwellen-Start-Generator insgesamt für den Einsatz in Kraftfahrzeugen und Booten bringt, sind nicht Gegenstand dieser Beschreibung.

Bekannt sind elektrische Systeme in Booten und Wasserfahrzeugen, bei denen gesondert angebaute oder eingebaute elektrische Maschinen als Motor fungieren, so daß über diese Maschinen der Fahrbetrieb des Bootes durchgeführt werden kann. Weiterhin können durch zusätzlich angebaute Energie-Erzeugungssysteme (Generatoren) der erhöhte Elektro-Energiebedarf bei Booten gedeckt werden, wobei auch die Kombination dieser Zusatz-Systeme als bekannt vorausgesetzt werden kann. Diese Zusatz-Systeme erfordern bau- und anordnungstechnisch zusätzlichen Aufwand, der mit gesonderten Kosten verbunden ist.

Gegenstand des Gebrauchsmusters ist, daß der Kurbelwellen-Start-Generator über seine Normalfunktion als Motorstarter und Energieerzeuger hinaus den elektrischen Fahrbetrieb von Booten und Wasserfahrzeugen auch über längere Zeit in Abhängigkeit von der gespeicherten Elektro-Energie übernehmen kann, so daß durch seine hohe Leistungsfähigkeit zusätzliche elektrische Antriebs- und Energieerzeugungs-Systeme nicht benötigt werden. Außerdem kann das Boots-Wendegetriebe wegfallen, wenn durch entsprechende Konfiguration der für das Drehfeld verantwortlichen Software entsprechend dem Stand der Technik das Drehfeld in die Gegenrichtung umgesteuert wird, so daß durch den Kurbelwellen-Start-Generator der Bootspropeller in der Gegenrichtung angetrieben wird, um somit zur elektrischen Vorwärtsfahrt auch die elektrische Rückwärtsfahrt des Bootes zu erreichen.

Aufgabe ist es, um die genannte Nutzung des Kurbelwellen-Start-Generators zur Vorwärts und Rückwärtsfahrt der Boote oder Wasserfahrzeuge zu ermöglichen,

zwischen Kurbelwelle der Boots-Antriebsmaschine (Verbrennungsmotor) und dem Rotor des Kurbelwellen-Start-Generators eine gesonderte, zusätzliche Trennkupplung anzubringen.

Präzisierung des Gebrauchsmusters: Der Start-Generator im Einsatz bei Booten und anderen Wasserfahrzeugen wird It. 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 (Anlage 1):

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 (U₁V₁W) 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 Hochleistungskondensätoren (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 Hochleistungskondensatoren (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 Bootantriebes 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 Verstelleinrichtungen 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 konfiguriert 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 42V kann bei gleichen Kabelquerschnitten die dreifache Leistung übertragen werden.
Die geteilten Spannungen können folgendermaßen aufgeteilt werden (Anlage 2):
14V: Bootsbeleuchtung, Scheibenwischer, Zusatzscheinwerfer, Motormanagement für Otto- und Dieselmotoren

42V: Starten des Motors und elektrischer Fahrbetrieb des Bootes ohne wirksame Antriebsmaschine, elektrische Steuerungssysteme für Motor und Boot, günstigere Energiespeicherung, Hilfssysteme für Bootsanlagen, Kühl- und Lüfteranlagen,
230V: Versorgungsanlagen für die Bootsbesatzung, Funk- und Wettertechnik, Computer-und fernsehtechnik, usw.

Folgende Grundschaltungen können bei Mehrspannungs-Bordnetzen ausgewählt werden:

- Spannungsabgriff 14V u. 42V: Über DC/AC-Wandler kann die Spannung von 42V auf 230V gesetzt werden.

- Spannungsabgriff 42V u. 230V: 14V können durch DC/DC-Wandler von 42V auf 14V gesetzt werden.

- Spannungsabgriff nur 230V: 14V u. 42V können durch DC/DC- oder AC/DC-Wandler gesetzt werden.

- Spannungsabgriff 14V, 42V u. 230V: größerer technischer Aufwand, jedoch kein Wandlereinsatz.

Mehrspannungs-Bordnetze bringen erhöhte Probleme bezüglich von Kurzschlüssen zwischen den unterschiedlichen Spannungen und den Masseverbindungen bzw. Massepunkten, so daß die Massepunkte getrennt von den Spannungsebenen auszuführen sind.

Im Rahmen der elektrotechnischen Aufrüstung der Boote sind Energie-Einspeisungspunkte (Anlage 2, Punkt 6) 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.

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 Entwicklungsstand gegenüber den Speicherbatterien, so daß sie in der Zukunft die Batterien gänzlich ersetzen bzw. daß diese wesentlich verkleinert 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 Boots-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 wird. Dabei können die mechanischen Übertragungssysteme zum Umschalten für Vorwärts- und Rückwärtsfahrt wegfallen.

Legende zu den Anlagen:

Anlage 1: 1 = Stator
2 = Rotor

A = Antriebskupplung B = Abtriebskupplung C = Boots-Antrieb D = Boots-Antrieb E = Boots-Propeller F = Zusatzantrieb

Anlage 2: 1 = Start-Generator

2 = Batterie 12 V

3 = Batteriesatz 36 V

4 = Wandler

5 = Verbraucher

6 = Einspeisungspunkt für Elektroenergie

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Claims

1. Die Verbindung der Antriebsmaschine (z. B. Verbrennungsmotor) von Sportbooten oder anderen Wasserfahrzeugen mit dem Boots-Antrieb (z. B. Bootspropeller) über den Kurbelwellen-Start-Generator (1 und 2), wobei der Rotor des Startgenerators (2) das Verbindungsglied zwischen der Boots-Antriebsmaschine (C) und dem Boots- Antriebssystem (D) darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß an der Antriebsseite und an der Abtriebsseite des Kurbelwellen-Start-Generators Trennkupplungen (A und B) angebracht sind, die kraft-, formschlüssig oder durch Magnetkraft das Drehmoment direkt an das Boots-Antriebssystem übertragen, und daß diese Kupplungen einzeln oder zusammen bedarfsweise bei der Nutzung des Bootes Ein- oder Ausgekuppelt werden können.

2. Die Verbindung der Antriebsmaschine von Sportbooten oder anderen Wasserfahrzeugen über einen Kurbelwellen-Start-Generator mit dem Boots-Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurbelwellen-Start-Generator neben dem Startvorgang und der Erzeugung der Elektro-Energie (Stand der Technik) darüberhinaus den elektrischen Antrieb des Bootes oder Wasserfahrzeuges zur Vorwärts- und Rückwärtsfahrt übernimmt bzw. übernehmen kann, so daß keine weiteren Elektro-Antriebssyste erforderlich sind.

3. Die Verbindung der Antriebsmaschine von Sportbooten oder anderen Wasserfahrzeugen über einen Kurbelwellen-Start-Generator mit dem Boots-Antrieb nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebskupplung (A) die Kurbelwelle mit dem Rotor (2) des Start-Generators verbindet bzw. trennt und daß die Abtriebskupplung (B) in eingekuppeltem Zustand den Rotor (2) des Start-Generators mit der Abtriebswelle (Schraubenwelle) des Bootes verbindet, und die in ausgekuppeltem Zustand den Rotor des Start-Generators von der Schraubenwelle (D) trennt.

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

5. Die Verbindung der Antriebsmaschine (C) von Sportbooten oder anderen Wasserfahrzeugen über einen Kurbelwellen-Start-Generator mit dem Boots-Antrieb (D) nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Schleppbetrieb (z. B. Segelfunktion des Bootes) bei getrennter Antriebskupplung (A) und eingekuppelter Abtriebskupplung (B) der Rotor des Generators über das antreibende System des Bootes (z. B. Schiffspropeller E) zur Energieerzeugung genutzt 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 elektrischen Belastung 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 und daß durch kein zu hohes elektrisches Widerstandsmoment der energieerzeugende Kurbelwellen-Start-Generator zum Stoppen gebracht wird.

6. Die Verbindung der Antriebsmaschine von Sportbooten oder anderen Wasserfahrzeugen über einen Kurbelwellen-Start-Generator mit dem Boots-Antrieb nach Anspruch 1, 3, 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurbelwellen-Start-Generator bei Zuführung elektrischer Energie über die Abtriebskupplung (B) das im Wasser befindliche Antriebssystem (z. B. Schiffspropeller E) zur Fahrt des Bootes antreibt. Dabei kann durch die elektronische Umsteuerung des Drehfeldes (Stand der Technik) die Drehrichtung des Rotors geändert werden, so daß zwischen Vorwärts- und Rückwärtsfahrt des Bootes gewählt werden kann.

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

8. Die Verbindung der Antriebsmaschine von Sportbooten oder anderen Wasserfahrzeugen über einen Kurbelwellen-Start-Generator mit dem Boots-Antrieb nach Anspruch 1, 2, 3, 5, und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie zum Antrieb des Kurbelwellen-Start-Generators 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.

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

10. Die Verbindung der Antriebsmaschine von Sportbooten oder anderen Wasserfahrzeugen über einen Kurbelwellen-Start-Generator mit dem Boots-Antrieb nach Anspruch 1, 3, 6, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Solar- und Brennstoffzellentechnik oder durch andere Energiesysteme (z. B. Stirlingmotor) erzeugte Elektroenergie an den Kurbelwellen-Start-Generator gelegt wird, um den Antrieb des Bootes für die Fahrt im Wasser zu gewährleisten, so daß keine anderen Elektro-Antriebssysteme zur Wirkung gebracht werden müssen, und daß das durch diese Energieträger erzeugte Drehmoment für den Antrieb der unter Schutzanspruch 9. genannten Zusatzsysteme eingesetzt wird.

11. Die Verbindung der Antriebsmaschine von Sportbooten oder anderen Wasserfahrzeugen über einen Kurbelwellen-Start-Generator 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 elektrische Wandler oder spezielle Abgriffe am Generator Spannungswerte von 14 V und 230 V erreicht werden können.

12. Die Verbindung der Antriebsmaschine von Sportbooten oder anderen Wasserfahrzeugen über einen Kurbelwellen-Start-Generator mit dem Boots-Antrieb nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß unter Antriebssystem der Sportboote oder der Wasserfahrzeuge jede Art von Schiffspropellern, Schiffsschrauben, Schaufelrädern usw. anzusehen sind, die eine Drehbewegung des Kurbelwellen-Start-Generators in eine Fahrbewegung der Boote oder Wasserfahrzeuge umsetzen.