DE102011053787A1

DE102011053787A1 - Propellervorrichtung

Info

Publication number: DE102011053787A1
Application number: DE102011053787A
Authority: DE
Inventors: Christian Friebe; Carsten Bense
Original assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Current assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Priority date: 2011-09-20
Filing date: 2011-09-20
Publication date: 2013-03-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Propellervorrichtung zum Erzeugen einer Fluidströmung, aufweisend: eine Antriebsvorrichtung mit einem Rotor und einem Stator, wobei von der Antriebsvorrichtung der Rotor relativ zu dem Stator in Rotation um eine Drehachse versetzbar ist, und wobei der Rotor und der Stator um die Drehachse drehbar gelagert sind; mindestens einen koaxial zu der Drehachse angeordneten Propeller, der derart an den Rotor gekoppelt ist, dass er bei einer Rotation des Rotors in Rotation um die Drehachse versetzt wird; und mindestens einen koaxial zu der Drehachse angeordneten Gegenlauf-Propeller, der derart an den Stator gekoppelt ist, dass er bei einer Rotation des Stators in zu dem Propeller gegenläufige Rotation um die Drehachse versetzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Propellervorrichtung mit gegenläufigen Propellern zum Erzeugen einer Fluidströmung, z.B. zur Verwendung als Antriebseinheit eines Fahrzeugs, wie etwa eines Schiffs, eines Hubschraubers oder eines Flugzeugs, oder z.B. zur Verwendung als Ventilator oder als Verdichter.
Herkömmliche Propellervorrichtungen weisen einen Motor auf, mittels dessen eine Welle und ein an der Welle befestigter Propeller in Rotation versetzt werden, wobei das von der Welle auf den Motor zurückwirkende Drehmoment von einer stationären externen Kontermasse, z.B. von einem Gehäuse des Motors, aufgenommen wird (sog. externer Drehmomentausgleich). Des Weiteren können zum Drehmomentausgleich gegenläufig rotierende Propeller eingesetzt werden, wobei sich die von den jeweiligen Propellern gehäuseseitig hervorgerufenen Drehmomente (durch Wechselwirkung über das Gehäuse) gegenseitig kompensieren können. Zum Beispiel können zwei koaxial zueinander angeordnete Propeller von zwei separaten Motoren gegenläufig angetrieben werden, wobei das von den beiden Motoren auf ein gemeinsames Gehäuse übertragene Gesamtdrehmoment im Wesentlichen verschwinden kann; jedoch erfordert eine solche Anordnung zwei separate Motoren und der Drehmomentausgleich erfolgt durch Wechselwirkung über das Gehäuse (welches daher z.B. eine entsprechende Verwindungssteifigkeit aufweisen muss). Als ein anderes Beispiel kann mittels der rotierenden Welle eines einzigen Motors ein Getriebe angetrieben werden, mittels dessen wiederum zwei koaxial zueinander angeordnete Propeller in gegenläufige Rotation versetzt werden, wobei jedoch ein entsprechendes Getriebe erforderlich ist; zudem muss bei einer solchen Anordnung weiterhin das von der Welle auf den Motor rückwirkende Drehmoment von einer externen Halterung aufgenommen werden. Des Weiteren erfordern die beschriebenen Anordnungen mit zwei gegenläufigen Propellern zur exakten Aufhebung der von denselben übertragenen Drehmomente eine genaue Abstimmung der beiden Propeller hinsichtlich ihrer Geometrie und ihrer Drehzahl; wobei z.B. bereits bei der Herstellung der Propeller und der Getriebe auftretende Fertigungstoleranzen eine exakte Aufhebung verhindern können.
Die EP 1 074 469 A1 beschreibt eine Propelleranordnung, wobei mittels der rotierenden Welle eines Motors ein Riemengetriebe angetrieben wird, von welchem wiederum zwei Propeller in gegenläufige Rotation versetzt werden. Die CA 2 368 595 A1 beschreibt eine Propelleranordnung, wobei mittels der rotierenden Welle eines Motors ein Zahnradgetriebe angetrieben wird, von welchem wiederum zwei Propeller in gegenläufige Rotation versetzt werden.
Durch die Erfindung wird eine Propellervorrichtung zum Erzeugen einer Fluidströmung bereitgestellt, mittels derer auf einfache Art und Weise zuverlässig ein interner Drehmomentausgleich gewährleistet werden kann, sodass die Propellervorrichtung ein nach außen hin drehmomentfreies System bilden kann.
Gemäß der Erfindung wird eine Propellervorrichtung zum Erzeugen einer Fluidströmung bereitgestellt, welche eine Antriebsvorrichtung bzw. einen Motor zum Erzeugen einer Rotationsbewegung bezüglich einer Drehachse (d.h. um die Drehachse herum) aufweist. Die Antriebsvorrichtung weist einen Rotor und einen Stator auf und ist derart ausgebildet, dass von ihr der Rotor relativ zu dem Stator in Rotation um die Drehachse versetzbar ist. Der Rotor und der Stator sind um die Drehachse drehbar gelagert (z.B. an einem Gehäuse der Propellervorrichtung), sodass sie beim Betreiben der Antriebsvorrichtung entsprechend der Drehmoment-Wechselwirkung zwischen dem Rotor und dem Stator gegenläufig um die Drehachse rotieren. Die Propellervorrichtung weist zudem mindestens einen koaxial zu der Drehachse angeordneten Propeller auf, der mittels einer ersten kraftübertragenden Kopplung (z.B. mittels eines mechanischen Getriebes oder mittels einer kraft-, form-, und/oder stoffschlüssigen Verbindung) derart an den Rotor gekoppelt ist, dass er bei einer Rotation des Rotors in Rotation um die Drehachse versetzt wird. Die Propellervorrichtung weist ferner mindestens einen koaxial zu der Drehachse angeordneten Gegenlauf-Propeller auf, der mittels einer zweiten kraftübertragenden Kopplung derart an den Stator gekoppelt ist, dass er bei einer Rotation des Stators in eine zu dem Propeller gegenläufige Rotation um die Drehachse versetzt wird (d.h. der Propeller und der Gegenlauf-Propeller rotieren beim Betreiben der Antriebsvorrichtung mit zueinander entgegengerichtetem Drehsinn). Durch die Rotation der Propeller wird in dem dieselben umgebenden Fluid (z.B. einem Gas oder einer Flüssigkeit) eine entsprechende Strömung hervorgerufen.
Die Antriebsvorrichtung (im Folgenden auch als „Motor“ bezeichnet) kann z.B. ein Verbrennungsmotor, ein Elektromotor oder ein Turbinenmotor sein. Die Begriffe „Rotor“ und „Stator“ bezeichnen hier die beiden relativ zueinander rotierenden Teile (bzw. funktionellen Baugruppen) einer solchen Antriebsvorrichtung; wobei gemäß der Erfindung sowohl der Rotor als auch der Stator um die Drehachse rotieren, der Begriff „Stator“ hier also nicht im Sinne eines (bezüglich eines äußeren Rahmens bzw. Gehäuses) feststehenden bzw. nicht rotierenden Bauteils des Motors verwendet wird, sondern denjenigen Teil eines Motors (z.B. auch eines Verbrennungsmotors) bezeichnet, bezüglich dessen der Rotor in Rotation versetzbar ist. Der Stator bildet im vorliegenden Fall also sozusagen einen zweiten Rotor, wobei jedoch aufgrund der Geläufigkeit der Begriffe „Rotor“ und „Stator“ im Zusammenhang mit Motoren zum Erzeugen einer Rotationsbewegung diese Begriffe beibehalten werden. Der „Rotor“ kann somit auch als „erster Rotor“ der Antriebsvorrichtung bezeichnet werden und der „Stator“ als „zweiter Rotor“ der Antriebsvorrichtung.
Die Propellervorrichtung kann einen oder mehrere Propeller und einen oder mehrere Gegenlauf-Propeller aufweisen, wobei diese Begriffe im Folgenden der Einfachheit halber stets in der Einzahl verwendet werden, der Begriff „der Propeller“ bzw. „der Gegenlauf-Propeller“ jedoch auch eine Anordnung mit mehreren entsprechenden Propellern bzw. Gegenlauf-Propellern umfassen soll. Unter einem Gegenlauf-Propeller ist ein Propeller bzw. Laufrad zu verstehen, wobei der Vorsatz „Gegenlauf“ lediglich der Kennzeichnung des Drehsinns und der Unterscheidung eines mit dem Stator gekoppelten Propellers von einem mit dem Rotor gekoppelten Propeller dient.
Indem sowohl der Rotor als auch der Stator bezüglich der Drehachse drehbar gelagert ist, dienen der Rotor und der Stator beim Betreiben der Antriebsvorrichtung einander gegenseitig als Drehmoment-Widerlager zum Erzeugen der Rotation um die Drehachse; daher stellen sich die Rotationsgeschwindigkeiten des Rotors und des Stators (und somit auch die Rotationsgeschwindigkeiten des Propellers und des Gegenlauf-Propellers) unabhängig von der Ausgestaltung (z.B. Geometrie, Masse) der Propeller und ohne Verwendung eines zwischen den Rotor und den Stator geschalteten drehmomentausgleichenden Getriebes automatisch derart ein, dass von dem Propeller und dem Gegenlauf-Propeller betragsmäßig das gleiche Moment auf das Fluid übertragen wird und sich die an dem Rotor und dem Stator anliegenden Drehmomente gegenseitig aufheben und somit das von dem Rotor und dem Stator nach außen hin (z.B. auf ein gemeinsames Gehäuse der Propellervorrichtung) wirkende Drehmoment im Wesentlichen Null ist. Mittels der erfindungsgemäßen Propellervorrichtung ist somit ein interner Drehmomentausgleich ermöglicht. Die Lagerung des Rotors und des Stators kann zwar aufgrund von Reibung ebenfalls ein Rest-Drehmoment aufnehmen (und dieses z.B. auf das Gehäuse übertragen), jedoch ist dieses Rest-Drehmoment im Vergleich zu den an den Propellern anliegenden Drehmomenten vernachlässigbar klein.
Der Rotor und der Stator sind derart gelagert, dass sie jeweils (im Wesentlichen frei) um die (imaginäre) Drehachse der Antriebsvorrichtung rotieren können. Zum Beispiel kann vorgesehen sein, den Rotor und den Stator mittels einer oder mehrerer entlang der Drehachse (und koaxial zu derselben) verlaufender Lagerwellen drehbar zu lagern, wobei die Lagerwellen wiederum an einem Gehäuse der Propellervorrichtung gelagert sein können. Beim Betreiben der Antriebsvorrichtung wird von dem Stator ein Drehmoment auf den Rotor und (gemäß dem Wechselwirkungsprinzip bzw. dritten Newtonschen Axiom) von dem Rotor ein gleich großes, entgegengerichtetes Drehmoment auf den Stator ausgeübt, wodurch der Rotor und der Stator in zueinander gegenläufige Rotation versetzt werden. Da der Rotor und der Stator das gleiche Drehmoment bezüglich der Drehachse erfahren, rotieren (ohne Berücksichtigung der angekoppelten Propeller und von Reibung) der Rotor und der Stator nach Durchlaufen der Beschleunigungsphase (wobei die jeweilige Winkelbeschleunigung beim Hochfahren der Antriebsvorrichtung z.B. von den Trägheitsmomenten des Rotors und des Stators abhängt) gegenläufig mit gleicher Drehzahl; wobei die Drehzahl des Rotors bzw. des Stators gegenüber einem externen Ruhesystem (sog. „externe Drehzahl“) die Hälfte der Drehzahl des Rotors gegenüber dem Stator (sog. „interne Drehzahl“) beträgt. Das externe Ruhesystem kann z.B. durch ein Gehäuse der Propellervorrichtung gegeben sein.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Antriebsvorrichtung ein Elektromotor, wobei der Stator der Antriebsvorrichtung der Stator des Elektromotors ist und der Rotor der Antriebsvorrichtung der Rotor des Elektromotors ist.
Es kann z.B. vorgesehen sein, die Antriebsvorrichtung als Gleichstrommotor oder als Wechselstrommotor auszuführen, wobei der Elektromotor als Innenläufer oder auch als Außenläufer ausgeführt sein kann. Bei Ausführung der Antriebsvorrichtung als Elektromotor ist auf einfache Art und Weise ein Betreiben der Antriebsvorrichtung ermöglicht, z.B. indem an dem Rotor und/oder an dem Stator (bei deren Ausführung als Elektromagnet) entsprechende Schleifring-Kontakte zur Zuführung elektrischer Energie vorgesehen sind (bei Ausführung des Rotors bzw. Stators als Permanentmagnet ist die Zuführung elektrischer Energie an dem entsprechenden Bauteil natürlich nicht erforderlich). Zu diesem Zweck kann die Propellervorrichtung eine Energiezuführvorrichtung bzw. Energieversorgungseinheit aufweisen, die zum Zuführen elektrischer Energie zu dem Elektromotor ausgebildet ist. Die Propellervorrichtung kann ferner eine Steuervorrichtung aufweisen, die mit dem Elektromotor (oder allg. mit der Antriebsvorrichtung) verbunden ist und derart eingerichtet ist, dass von ihr die Drehzahl der Antriebsvorrichtung einstellbar ist.
Bei Wechselstrommotoren ist die Polzahl in der Regel umgekehrt proportional zur Drehzahl bzw. Rotationsgeschwindigkeit, d.h. eine Halbierung der Polzahl geht mit einer Verdopplung der Rotationsgeschwindigkeit einher. Da bei der erfindungsgemäßen Propellervorrichtung sowohl der Rotor als auch der Stator um die Drehachse rotieren, wobei die externe Drehzahl (bei entsprechender Ausgestaltung von Rotor, Stator und der beiden Propeller) von Rotor und Stator z.B. jeweils die Hälfte der internen Drehzahl betragen kann, kann bei einer solchen Ausgestaltung bei Verwendung eines Wechselstrommotors bezüglich eines externen Ruhesystems die gleiche externe Drehzahl bei halbierter Polzahl erreicht werden.
Der Propeller kann entweder den gleichen Drehsinn wie der Rotor oder einen dem Drehsinn des Rotors entgegengerichteten Drehsinn aufweisen, wobei der Gegenlauf-Propeller jeweils gegenläufig zu dem Propeller rotiert.
Gemäß einer Ausführungsform sind der mindestens eine Propeller und der Rotor derart miteinander gekoppelt, dass sie den gleichen Drehsinn aufweisen; und der mindestens eine Gegenlauf-Propeller und der Stator sind derart miteinander gekoppelt, dass sie den gleichen Drehsinn aufweisen. Gemäß dieser Ausführungsform rotiert der Propeller im gleichen Drehsinn wie der Rotor der Antriebsvorrichtung und der Gegenlauf-Propeller rotiert im gleichen Drehsinn wie der Stator. Aufgrund des jeweils gleichen Drehsinns ist kein Umrichten des Drehsinns erforderlich und die Kopplung des Propellers an den Rotor sowie die Kopplung des Gegenlauf-Propellers an den Stator können auf einfache Art und Weise (und z.B. ohne kompliziert aufgebaute, reparaturanfällige Kopplungsvorrichtungen) realisiert werden.
Es kann vorgesehen sein, den Propeller mittels eines ersten Getriebes an den Rotor der Antriebsvorrichtung zu koppeln und/oder den Gegenlauf-Propeller mittels eines (von dem ersten Getriebe separaten) zweiten Getriebes an den Stator der Antriebsvorrichtung zu koppeln, wobei das erste bzw. das zweite Getriebe z.B. als mechanisches Getriebes ausgeführt sein kann (etwa als ein Riemen- oder Zahnradgetriebe). Das erste Getriebe und das zweite Getriebe können z.B. unterschiedliche Übersetzungen aufweisen, der Drehmomentausgleich wird dadurch nicht beeinträchtigt.
Gemäß einer Ausführungsform ist der mindestens eine Propeller mit dem Rotor drehfest (d.h. starr und mit demselben mitdrehend) verbunden und/oder der mindestens eine Gegenlauf-Propeller ist mit dem Stator drehfest verbunden; wobei der Propeller dieselbe Drehzahl aufweist wie der Rotor und/oder der Gegenlauf-Propeller dieselbe Drehzahl aufweist wie der Stator. Eine solche drehfeste Verbindung kann z.B. mittels Verklebens, Verschweißens oder Verschraubens der jeweiligen Bauteile miteinander erfolgen.
Gemäß dieser Ausführungsform ist kein Getriebe zwischen dem Propeller und dem Rotor bzw. zwischen dem Gegenlauf-Propeller und dem Stator erforderlich, wodurch eine robuste, wartungsunanfällige und raumeffiziente bzw. platzsparende Ausführung der Propellerausführung bei geringem Gewicht ermöglicht ist.
Der Propeller und der Gegenlauf-Propeller können voneinander verschiedene Ausgestaltungen (z.B. bezüglich ihrer Geometrie, Größe und Materialien) aufweisen, da aufgrund der wechselseitigen Drehmoment-Kopplung des Rotors und des Stators in jedem Fall ein interner Drehmomentausgleich gewährleistet ist. Die von dem Propeller und dem Gegenlauf-Propeller jeweils erzeugten Fluid-Teilströme können z.B. (im Wesentlichen) gleichgerichtet oder einander entgegengesetzt gerichtet sein, wobei im letzteren Fall z.B. entsprechend ausgebildete Luftleitkanäle zur Bündelung und Gleichrichtung der beiden gegenläufigen Teilströme vorgesehen sein können.
Gemäß einer Ausführungsform sind der Propeller und der Gegenlauf-Propeller derart ausgebildet, dass der zu der Drehachse parallele Anteil (d.h. der Axialanteil) der von ihnen jeweils hervorgerufenen Fluidströmung dieselbe Richtung aufweist. Gemäß dieser Ausführung kann auf einfache Art und Weise eine Fluidstömung mit hohem Volumenstrom bei hohem Fluiddruck erzeugt werden. Der Propeller und der Gegenlauf-Propeller können z.B. derart ausgebildet sein, dass die von ihnen jeweils erzeugten Fluidströmungen (im Wesentlichen) parallel zu der Drehachse verlaufen oder zumindest einen parallel zu der Drehachse verlaufenden Anteil haben.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind der mindestens eine Propeller und der mindestens eine Gegenlauf-Propeller derart ausgebildet, dass sich der von dem mindestens einen Propeller (in dem Fluid der Fluidströmung) hervorgerufene Austrittsdrall und der von dem mindestens einen Gegenlauf-Propeller hervorgerufene Austrittsdrall (im Wesentlichen) gegenseitig aufheben, sodass die von der Propellervorrichtung erzeugte Fluidströmung (im Wesentlichen) parallel zu der Drehachse gerichtet ist (d.h. axial verläuft). Dies kann z.B. durch eine entsprechende Formgebung des Propellers und des Gegenlauf-Propellers realisiert werden.
Gemäß dieser Ausführung können Wirbelverluste, d.h. z.B. durch den Tangentialanteil der Fluidströmung verursachte Leistungsverluste, vermindert bzw. vermieden werden und somit der Wirkungsgrad der Propellervorrichtung entsprechend gesteigert werden. Zugleich ermöglicht diese Ausführung aufgrund der Bündelung der Luftströmung in axialer Richtung bei gleichbleibender Drehzahl das Aufbauen eines höheren Drucks.
Gemäß einer weiteren Ausführung sind der Rotor und der Stator derart ausgebildet, dass das Trägheitsmoment des Rotors bezüglich der Drehachse gleich dem Trägheitsmoment des Stators bezüglich der Drehachse ist. Gemäß dieser Ausführungsform kann auf einfache Art und Weise ein bezüglich der Rotationseigenschaften symmetrischer Aufbau der Propellervorrichtung ermöglicht sein.
Zum Beispiel kann gemäß dieser Ausführung bei äquivalenter Ausführung des Propellers und des Gegenlauf-Propellers beim Hochfahren bzw. Anlaufen der Antriebsvorrichtung die Winkelbeschleunigung des Rotors bezüglich der Drehachse gleich der Winkelbeschleunigung des Stators bezüglich der Drehachse sein, wobei auch während des Hochfahrens die Drehzahlen von Rotor und Stator zu jedem Zeitpunkt gleich groß sein können (wobei der Begriff „äquivalent“ hier eine unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Drehrichtungen gleichartige Ausbildung des Propellers und des Gegenlauf-Propellers bezüglich ihrer Trägheitsmomente und bezüglich ihrer Strömungskennwerte bezeichnet, sodass von dem Propeller und von dem Gegenlauf-Propeller die gleiche Leistung auf das Fluid übertragen wird).
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der mindestens eine Propeller drehfest mit dem Rotor und der mindestens eine Gegenlauf-Propeller drehfest mit dem Stator verbunden, wobei der Rotor, der Stator, der mindestens eine Propeller und der mindestens eine Gegenlauf-Propeller derart ausgebildet und angeordnet sind, dass das Gesamtträgheitsmoment des Rotors und des mindestens einen Propellers bezüglich der Drehachse gleich dem Gesamtträgheitsmoment des Stators und des mindestens einen Gegenlauf-Propellers bezüglich der Drehachse ist.
Gemäß dieser Ausführung kann auch bei unterschiedlichen Trägheitsmomenten des Rotors und des Stators bezüglich der Drehachse ein bezüglich der Rotationseigenschaften symmetrischer Aufbau der Propellervorrichtung ermöglicht sein, wobei z.B. die Winkelbeschleunigung des Propellers und die Winkelbeschleunigung des Gegenlauf-Propellers bezüglich der Drehachse stets denselben Wert aufweisen können und die Drehzahlen des Propellers und des Gegenlauf-Propellers zu jedem Zeitpunkt gleich groß sein können.
Der Rotor und der Stator der Antriebsvorrichtung sind bezüglich der Drehachse drehbar gelagert. Zum Beispiel kann vorgesehen sein, den Rotor und den Stator an einer gemeinsamen, entlang der Drehachse verlaufenden Welle um dieselbe drehbar zu lagern bzw. anzuordnen; wobei die Welle z.B. starr (d.h. unbeweglich und nicht drehbar) an einem Gehäuse der Propellervorrichtung fixiert sein kann und sowohl der Rotor als auch den Stator (etwa mittels dafür vorgesehener Kugellager) bezüglich der Welle drehbar an derselben gelagert sein können. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, den Rotor an einer entlang der Drehachse verlaufenden ersten Welle drehbar zu lagern und der Stator an einer entlang der Drehachse verlaufenden zweiten, separaten Welle drehbar zu lagern.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Rotor der Antriebsvorrichtung eine (koaxial zu der Drehachse angeordnete) Rotor-Welle auf (oder ist in Form einer Rotor-Welle ausgeführt) und der Stator der Antriebsvorrichtung ist an der Rotor-Welle um dieselbe drehbar gelagert, wobei der Rotor bzw. die Rotor-Welle um die Drehachse drehbar gelagert ist. Gemäß dieser Ausführungsform kann der Rotor zugleich als Lagerung für den Stator fungieren, wodurch eine kompakte Ausgestaltung der Propellervorrichtung ermöglicht ist. Die Rotor-Welle kann z.B. um die Drehachse drehbar an einem Gehäuse der Propellervorrichtung gelagert sein.
Die Propellervorrichtung kann allgemein zum Erzeugen von Fluidströmungen (z.B. Gasströmungen oder Flüssigkeitsströmungen) eingesetzt werden. Die Propellervorrichtung kann z.B. als Ventilator zum Fördern und/oder Verdichten eines, z.B. gasförmigen oder flüssigen, Fluids verwendet werden. Zum Beispiel kann die Propellervorrichtung zur Verwendung als Lüfter bzw. Kühler, beispielsweise in Computern, vorgesehen sein.
Gemäß der Erfindung wird zudem eine Antriebseinheit zum Antreiben eines Fahrzeugs (wobei ein solches Fahrzeug nicht notwendigerweise zum Befördern von Personen geeignet sein muss) bereitgestellt, wobei die Antriebseinheit eine Propellervorrichtung gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungen aufweist. Das Fahrzeug kann z.B. ein Land- bzw. Bodenfahrzeug (wie etwa ein Auto oder ein Zug), ein Luftfahrzeug (wie etwa ein Flugzeug oder ein Hubschrauber), oder ein Wasserfahrzeug (wie etwa ein Schiff oder ein Unterseeboot) sein, wobei der Propeller entsprechend der jeweiligen Verwendung z.B. als Luft- oder als Wasserschraube ausgeführt ist. Das Fahrzeug kann auch ein Fahrzeugmodell sein, z.B. ein Modellauto. Bei Verwendung der oben beschriebenen Propellervorrichtung als Antriebseinheit für ein Fahrzeug wird aufgrund des automatischen Drehmomentausgleichs zwischen Stator und Rotor von der Antriebsvorrichtung kein Drehmoment auf das Fahrzeug ausgeübt, sodass die Konstruktion des Fahrzeugs entsprechend vereinfacht werden kann. So kann z.B. bei Hubschraubern auf einen Heckrotor als Drehmomentausgleich verzichtet werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt:
1 eine schematische Seitenansicht einer Propellervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Gemäß 1 weist eine Propellervorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform eine Antriebsvorrichtung 3 auf, welche zum Erzeugen einer Rotationsbewegung bezüglich einer (imaginären) Drehachse 5 ausgebildet ist. Die Antriebsvorrichtung 3 ist als Gleichstrom-Elektromotor 3 mit einem Rotor 7 und einem Stator 9 ausgeführt. Der Rotor 7 ist mit einem Permanentmagneten 11 ausgebildet, wohingegen der Stator 9 mit einem Elektromagneten 12 ausgebildet ist, welcher mittels Schleifkontakten 13, 15 derart an eine Energiezuführvorrichtung in Form einer Stromquelle (in 1 veranschaulicht durch deren als „+“ und „–“ gekennzeichnete Pole) angeschlossen ist, dass in für Elektromotoren bekannter Weise je nach Drehstellung des Rotors 7 relativ zu dem Stator 9 ein Umpolen des Elektromagneten 12 derart erfolgt, dass der Rotor 7 relativ zu dem Stator 9 in Rotation um die Drehachse 5 versetzt wird. Die Pole des Permanentmagneten 11 und des Elektromagneten 12 sind in der gemäß 1 gezeigten Drehstellung schematisch jeweils mit „N“ (für Nordpol) bzw. „S“ (für Südpol) gekennzeichnet.
Der Rotor 7 und der Stator 9 sind um die Drehachse 5 drehbar gelagert. Gemäß 1 weist der Rotor 7 eine entlang der Drehachse 5 verlaufende Rotor-Welle 17 auf, welche mit dem übrigen Rotor drehfest (d.h. starr) verbunden ist. Die Rotor-Welle 17 – und somit auch der Rotor 7 – ist (unter Vernachlässigung von Reibung) frei um die Drehachse 5 drehbar an einem Gehäuse 19 der Propellervorrichtung 1 gelagert. Der Stator 9 ist um die Rotor-Welle 17 frei drehbar an derselben gelagert und ist somit ebenfalls um die Drehachse 5 drehbar. Beim Betreiben der Antriebsvorrichtung 3 in Form des Gleichstrommotors 3 wirken aufgrund der magnetischen Wechselwirkung zwischen dem Permanentmagneten 11 und dem Elektromagneten 12 einander entgegengerichtete Drehmomente auf den Rotor 7 und den Stator 9, sodass der Rotor 7 und der Stator 9 in zueinander gegenläufige Rotation um die Drehachse 5 versetzt werden (wobei die jeweiligen Drehrichtungen in 1 durch die kreisförmigen Pfeile veranschaulicht sind).
Die Propellervorrichtung 1 weist einen Propeller 21 auf, der drehfest (z.B. mittels Verschweißens oder Verschraubens) derart an den Rotor 7 gekoppelt ist bzw. an dem Rotor 7 fixiert ist, dass er koaxial zu der Drehachse 5 angeordnet ist (d.h. die Drehachse des Propellers 21 fällt mit der Drehachse 5 der Propellervorrichtung 1 zusammen) und bei einer Rotation des Rotors 7 mit demselben bei gleicher Drehzahl und gleichem Drehsinn mitdreht. Die Propellervorrichtung 1 weist ferner einen Gegenlauf-Propeller 23 auf, der derart an den Stator 9 gekoppelt ist bzw. an dem Stator 9 fixiert ist, dass er koaxial zu der Drehachse 5 angeordnet ist und bei einer Rotation des Stators 9 bei gleicher Drehzahl und gleichem Drehsinn mit demselben mitdreht. Da beim Betreiben der Antriebsvorrichtung 3 der Rotor 7 und der Stator 9 zueinander gegenläufig (d.h. mit einander entgegengerichtetem Drehsinn) rotieren, rotieren auch der Propeller 21 und der Gegenlauf-Propeller 23 zueinander gegenläufig. Aufgrund der drehbaren Lagerung sowohl des Rotors 7 als auch des Stators 9 stellen sich die Drehzahlen des Rotors 7 und des Stators 9 – und somit auch die Dehzahlen des Propellers 21 und des Gegenlauf-Propellers 23 – automatisch so ein, dass von dem Propeller 21 und von dem Gegenlauf-Propeller 23 betragsmäßig das gleiche Drehmoment auf das umgebende Fluid übertragen wird. Somit wirken auf den Rotor 7 und den Stator 9 stets gleich große, einander entgegengerichtete Drehmomente, sodass automatisch ein interner Drehmomentausgleich erfolgt und kein Drehmoment nach außen hin, d.h. auf das Gehäuse 19, wirkt.
Beim Betreiben des Elektromotors 3 wird mittels der Rotation des Propellers 21 und des Gegenlauf-Propellers 23 von der Propellervorrichtung 1 eine Fluidströmung 29 erzeugt. Bei Rotation des Propellers 21 wird von demselben eine erste Stufe 25 der Fluidströmung 29 hervorgerufen, welche einen Axialanteil (parallel zu der Drehachse 5) und einen Tangentialanteil aufweist (die erste Fluid-Teilströmung 25 ist in 1 durch den Pfeil 25 veranschaulicht, wobei der Tangentialanteil dieser Strömung bzgl. seiner Richtung lediglich schematisch veranschaulicht ist). Analog wird bei einer Rotation des Gegenlauf-Propellers 23 von demselben eine zweite Stufe 27 der Fluidströmung 29 erzeugt, welche in 1 durch den Pfeil 27 veranschaulicht ist.
Der Propeller 21 und der Gegenlauf-Propeller 23 sind derart ausgebildet bzw. geformt, dass der zu der Drehachse 5 parallele Anteil der von ihnen jeweils hervorgerufenen Fluid-Teilströmung 25, 27 in dieselbe Richtung weist, und dass sich die Tangentialanteile der Teilströmungen 25, 27 – und somit auch der von dem Propeller 21 hervorgerufene Austrittsdrall und der von dem Gegenlauf-Propeller 23 hervorgerufene Austrittsdrall – im Wesentlichen gegenseitig aufheben, sodass sich die Teilströmungen 25, 27 zu einer (im Wesentlichen, z.B. abgesehen von Radialanteilen) parallel zu der Drehachse 5 verlaufenden Gesamt-Fluidströmung 29 addieren.
Bei der Ausführung gemäß 1 sind der Rotor 7 und der Stator 9 derart ausgebildet bzw. geformt, dass das Trägheitsmoment des Rotors 7 bezüglich der Drehachse 5 gleich dem Trägheitsmoment des Stators 9 bezüglich der Drehachse 5 ist. Zudem sind der Propeller 21 und der Gegenlauf-Propeller 23 derart ausgebildet bzw. geformt, dass das Trägheitsmoment des Propellers 21 bezüglich der Drehachse 5 gleich dem Trägheitsmoment des Gegenlauf-Propellers 23 bezüglich der Drehachse 5 ist. Somit ist auch das Gesamtträgheitsmoment des Rotors 7 und des Propellers 21 gleich dem Gesamtträgheitsmoment des Stators 9 und des Gegenlauf-Propellers 23 bezüglich der Drehachse 5.
Bei äquivalenter Ausbildung des Propellers 21 und des Gegenlauf-Propellers 23 bezüglich ihrer Luftwiderstands- bzw. Strömungs-Kennwerte rotieren somit der Propeller 21 und der Gegenlauf-Propeller 23 gegenläufig mit gleicher Winkelbeschleunigung und Drehzahl bezüglich des Gehäuses 19, wobei diese – gegenüber dem durch das Gehäuse 19 gegebenen Ruhesystem gemessene – externe Drehzahl jeweils gleich der Hälfte der internen Drehzahl (d.h. der Drehzahl des Rotors 7 bezüglich des Stators 9) der Antriebsvorrichtung 3 ist.
Bezugszeichenliste

1: Propellervorrichtung
3: Antriebsvorrichtung / Gleichstrom-Elektromotor
5: Drehachse
7: Rotor
9: Stator
11: Permanentmagnet
12: Elektromagnet
13, 15: Schleifkontakt
17: Rotor-Welle
19: Gehäuse
21: Propeller
23: Gegenlauf-Propeller
25, 27: Fluid-Teilströmung bzw. Strömungsstufen
29: Fluid-Gesamtströmung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1074469 A1 [0003]
CA 2368595 A1 [0003]

Claims

Propellervorrichtung (1) zum Erzeugen einer Fluidströmung (29), aufweisend: – eine Antriebsvorrichtung (3) zum Erzeugen einer Rotationsbewegung um eine Drehachse (5), aufweisend einen Rotor (7) und einen Stator (9), wobei von der Antriebsvorrichtung der Rotor relativ zu dem Stator in Rotation um die Drehachse versetzbar ist, und wobei der Rotor und der Stator um die Drehachse drehbar derart gelagert sind, dass sie beim Betreiben der Antriebsvorrichtung entsprechend der Drehmoment-Wechselwirkung zwischen dem Rotor und dem Stator gegenläufig um die Drehachse rotieren, – mindestens einen koaxial zu der Drehachse (5) angeordneten Propeller (21), der mittels einer kaftübertragenden Kopplung derart an den Rotor (7) gekoppelt ist, dass er bei einer Rotation des Rotors in Rotation um die Drehachse versetzt wird, und – mindestens einen koaxial zu der Drehachse (5) angeordneten Gegenlauf-Propeller (23), der mittels einer kraftübertragenden Kopplung derart an den Stator (9) gekoppelt ist, dass er bei einer Rotation des Stators in zu dem Propeller (21) gegenläufige Rotation um die Drehachse versetzt wird, – wobei die Fluidströmung (29) mittels der Rotation des mindestens einen Propellers (21) und des mindestens einen Gegenlauf-Propellers (23) erzeugt wird.
Propellervorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Antriebsvorrichtung (3) ein Elektromotor (3) ist, und wobei der um die Drehachse (5) drehbar gelagerte Rotor (7) der Rotor des Elektromotors ist und der um die Drehachse (5) drehbar gelagerte Stator (9) der Stator des Elektromotors ist.
Propellervorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei: – der mindestens eine Propeller (21) und der Rotor (7) derart miteinander gekoppelt sind, dass sie den gleichen Drehsinn aufweisen, und – der mindestens eine Gegenlauf-Propeller (23) und der Stator (9) derart miteinander gekoppelt sind, dass sie den gleichen Drehsinn aufweisen.
Propellervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der mindestens eine Propeller (21) drehfest mit dem Rotor (7) verbunden ist und/oder der mindestens eine Gegenlauf-Propeller (23) drehfest mit dem Stator (9) verbunden ist.
Propellervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der mindestens eine Propeller (21) und der mindestens eine Gegenlauf-Propeller (23) derart ausgebildet sind, dass der zu der Drehachse (5) parallele Anteil der von ihnen jeweils hervorgerufenen Fluidströmung (25, 27) dieselbe Richtung aufweist.
Propellervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der mindestens eine Propeller (21) und der mindestens eine Gegenlauf-Propeller (23) derart ausgebildet sind, dass sich der von dem mindestens einen Propeller hervorgerufene Austrittsdrall und der von dem mindestens einen Gegenlauf-Propeller hervorgerufene Austrittsdrall gegenseitig aufheben.
Propellervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Rotor (7) und der Stator (9) derart ausgebildet sind, dass das Trägheitsmoment des Rotors bezüglich der Drehachse (5) gleich dem Trägheitsmoment des Stators bezüglich der Drehachse (5) ist.
Propellervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der mindestens eine Propeller (21) drehfest mit dem Rotor (7) verbunden ist und der mindestens eine Gegenlauf-Propeller (23) drehfest mit dem Stator (9) verbunden ist, und wobei der Rotor, der Stator, der mindestens eine Propeller und der mindestens eine Gegenlauf-Propeller derart ausgebildet und angeordnet sind, dass das Gesamtträgheitsmoment des Rotors und des mindestens einen Propellers bezüglich der Drehachse (5) gleich dem Gesamtträgheitsmoment des Stators und des mindestens einen Gegenlauf-Propellers bezüglich der Drehachse (5) ist.
Propellervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Rotor (7) eine Rotor-Welle (17) aufweist und der Stator (9) auf der Rotor-Welle um dieselbe drehbar gelagert ist.
Antriebseinheit zum Antreiben eines Fahrzeugs oder Fahrzeugmodells, aufweisend eine Propellervorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.