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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie für ein Wasserfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Wasserfahrzeug mit einem derartigen Generator gemäß des Patentanspruchs 16.
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Auf vielen Anwendungsgebieten ist es erforderlich, Energie in irgendeiner Form bereitzustellen, um bestimmte Anwendungen ausführen zu können. Hierzu wird üblicherweise Energie von einer Form in eine andere Form gewandelt, um sie für die Anwendung nutzen zu können. Beispielsweise kann Energie in Form von fossilen Brennstoffen wie z.B. Öl in einem Haushalt in einem Energiespeicher wie z.B. einem Tank gelagert werden, um das Öl durch Verbrennung in Wärme zu wandeln, welche z.B. über die Heizungsanlage zur Erwärmung eines Hauses verwendet werden kann. Alternativ könnte dem Haushalt auch bedarfsgerecht Gas über eine entsprechende Leitung zugeführt werden, so dass auf den Tank als Speicher verzichtet werden kann.
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Wird z.B. Kraftstoff in einem Fahrzeug verbrannt, um die Bewegungsenergie des Fahrzeugs zu erzeugen, scheidet eine stationäre Versorgung mit dem Kraftstoff aus und es muss auf jeden Fall ein Kraftstofftank mitgeführt werden.
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Nachteilig ist hierbei, dass der Kraftstofftank eines Fahrzeugs nicht nur Bauraum einnimmt, sondern auch Gewicht erzeugt, welches mitbewegt werden muss. Dies gilt besonders für einen großen und gefüllten Kraftstofftank. Ferner ist der mitgeführte Kraftstoff endlich, so dass der Kraftstoff regelmäßig aufgefüllt werden muss, was die Reichweite des Fahrzeugs einschränken kann.
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Diese Nachteile kommen besonders bei Wasserfahrzeugen zum Tragen. So weisen Containerschiffe etc. entsprechend große Dieseltanks oder dergleichen auf, um auch mehrwöchige Fahrten über die Ozeane durchführen zu können, ohne die Fahrt zum Auffüllen des Kraftstofftanks unterbrechen zu müssen. Entsprechend groß ist daher der Anteil des Gewichts und des Bauraums, welcher für die Speicherung des Kraftstoffs im Wasserfahrzeug vorgesehen werden muss.
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Mag es bei derartigen gewerblichen Großschiffen auf Gewicht und Bauraum ggfs. weniger ankommen, kann jedoch das Gewicht des Wasserfahrzeugs gerade im Segelsport wie z.B. bei Segelyachten eine deutlich wichtigere Rolle spielen. Dies kann insbesondere für Regatten gelten, wo es zur Maximierung der Geschwindigkeit der Segelyacht auf jedes Gramm Gewicht ankommen kann. Wird dann z.B. ein Verbrennungsmotor mit elektrischem Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie für z.B. die Beleuchtung, die Navigationselektronik etc. benötigt, so kann das Gewicht des Verbrennungsmotors, des Generators, des Kraftstofftanks sowie dessen Inhalt ein hochgradig störender Faktor bei der Regatta sein.
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Um auf Verbrennungsmotor, Kraftstofftank und Kraftstoff verzichten zu können, ist es seitens der Firma Watt & Sea (siehe Homepage http://www.wattandsea.com) bekannt, auf Segelschiffen einen sog. Hydrogenerator zu verwenden, welcher durch die Relativbewegung des Segelschiffes durch das Meer angetrieben werden und mittels einer Generatorbaugruppe elektrische Energie regenerativ erzeugen bzw. wandeln kann. Hierdurch kann zum einen das Gewicht und der Bauraum für den entfallenen Verbrennungsmotor sowie Kraftstofftank samt Inhalt eingespart werden. Zum anderen kann das Erfordernis des Auffüllens des Kraftstofftanks vermieden werden.
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Dieser Hydrogenerator funktioniert derart, dass ein Propeller im Wasser angeordnet werden kann, so dass das vorbeiströmende Wasser den Propeller rotatorisch antreiben kann. Die Relativbewegung zwischen Wasser und Propeller wird dabei durch die Relativbewegung des Segelschiffes durch das Wasser erzeugt, welche ihrerseits durch den Wind bewirkt werden kann. Der Propeller ist mit einem Rotor einer Generatorbaugruppe derart verbunden, so dass der Propeller seine Rotation auf den Rotor übertragen kann. Dabei befindet sich der Propeller außerhalb eines abgedichteten Innenraums, in dem die Permanentmagnete des Rotors sowie die Wicklungen des Stators der Generatorbaugruppe angeordnet sind. Auch ist die Lagerung des Rotors gegenüber dem Stator innerhalb dieses abgedichteten Innenraums untergebracht. Der abgedichtete Innenraum ist üblicherweise mit einem Öl befüllt, welches der Schmierung der Lagerung der beweglichen Teile des Rotors dienen kann.
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Um den ölbefüllten Innenraum der Generatorbaugruppe von dem umgebenden Meerwasser, in dem sich der Propeller befindet, zu trennen, kann eine dynamische Dichtung wie z.B. eine Gleitringdichtung verwendet werden. Hierdurch kann eine grundsätzlich verlässliche Dichtung zwischen einem stehenden Bauteil wie z.B. einem Stator oder einem Gehäuse der Generatorbaugruppe und einem rotierenden Bauteil wie z.B. dem Rotor oder Propeller der Generatorbaugruppe geschaffen werden.
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Nachteilig kann hierbei jedoch sein, dass auch eine noch so qualitativ hochwertige dynamische Dichtung trotzdem ein Verschleißteil darstellt, weil sich z.B. die aufeinander reibenden Flächen des Gleitrings und des Gegenrings auf die Dauer abreiben können. Somit ist es lediglich eine Frage der Zeit, wann in den ölbefüllten Innenraum der Generatorbaugruppe des zuvor beschriebenen Hydrogenerators Wasser eindringen kann.
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Dringt Wasser und insbesondere salzhaltiges Meerwasser in den ölbefüllten Innenraum der Generatorbaugruppe ein, so kann dies zum einen zu Korrosion an den Bauteilen der Generatorbaugruppe führen. Dies kann z.B. die Lagerungen der Generatorbaugruppe ebenso wie die Permanentmagnete betreffen. Insbesondere häufig verwendete Permanentmagnete aus Neodym sind dabei besonders korrosionsanfällig. Zum anderen kann das Wasser die Wicklungen korrodieren lassen sowie die elektrischen Elemente des Hydrogenerators kurzschließen und damit schädigen oder sogar zerstören.
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Nachteilig kann bei der Verwendung von dynamischen Dichtungen auch sein, dass hierdurch ein Reibwiderstand auf die Rotation des Rotors ausgeübt werden kann. Zum einen kann auf diese Weise aufgrund der Gleitreibung weniger Drehmoment des Propellers in elektrische Energie gewandelt werden als vom Propeller ausgeübt wird. Zum anderen muss zu Beginn der Rotation des Propellers die Haftreibung der dynamischen Dichtung überwunden werden, um den Propeller in Drehung zu versetzen. Durch beide Anteile der Reibung kann ein Teil der Bewegungsenergie des Propellers für die Wandlung in elektrische Energie verloren gehen.
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Nachteilig kann ferner sein, dass eine dynamische Dichtung und insbesondere eine Gleitringdichtung zu hohen Kosten führen kann. Dies betrifft zum einen die direkten Kosten der Gleitringdichtung selbst. Zum anderen können durch die Verwendung von dynamischen Dichtungen auch indirekte Kosten dadurch entstehen, dass ein hoher Anspruch an die Rundlauftoleranzen, die Oberflächengüten und die Oberflächenhärten der gegeneinander abzudichtenden Bauteile gestellt werden kann. Zudem kann eine besonders akkurate Montage der dynamischen Dichtung erforderlich sein, um diese verwenden zu können.
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Nachteilig bei der Verwendung von Öl zum Befüllen des Innenraums der Generatorbaugruppe kann sein, dass aufgrund der Viskosität des Öls eine relevante Rührarbeit der rotierenden Bauteile gegenüber den stehenden Bauteilen auftreten kann. So kann insbesondere eine Gleitringdichtung einen drehzahlabhängigen Rührwiderstand aufweisen, der mit steigender Drehzahl zunehmen kann. Diese Rührarbeit kann gerade in dem Luftspalt zwischen Rotor und Stator auftreten, da dieser Luftspalt üblicherweise radial möglichst eng ausgelegt ist; dies kann zu einer hohen Rührarbeit in diesem Bereich führen. Durch die Rührarbeit kann ebenfalls ein Teil der Bewegungsenergie des Propellers für die Erzeugung der elektrischen Energie verloren gehen.
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Unter dem Rührwiderstand wird dabei ein mechanischer Widerstand verstanden, welcher sich aus der Viskosität des Öls ergibt und welcher der Bewegung des Öls entgegenwirken kann. In diesem Fall wirkt der Rührwiderstand innerhalb des Öls durch den Relativbewegung des Rotors der Generatorbaugruppe gegenüber dessen Stator, da das Öl sowohl an den Innenseite des Stators als auch an der Außenseite des Rotors haften kann und das dazwischenliegende Öl durch die Relativbewegung mitbewegt werden muss, dieser Bewegung jedoch entgegenwirkt. Die Rührarbeit ist damit die Arbeit, welche seitens des Rotors bzw. des Propellers aufgebracht werden muss, um den Rührwiderstand des Öls zu überwinden. Dieser Teil der Arbeit des Propellers steht somit nicht zur Wandlung in elektrische Energie zur Verfügung.
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Nachteilig kann bei einem ölbefüllten Innenraum der Generatorbaugruppe auch sein, dass sich das Öl durch Erwärmung im Betrieb ausdehnen kann. Diese Erwärmung kann durch die elektrischen Stromwärmeverluste der Wicklungen der Generatorbaugruppe bewirkt werden. Auch können sich die Lagerungen durch Reibung erwärmen. Dieser Erwärmung kann zwar das strömende Wasser um den Hydrogenerator herum abkühlend entgegenwirken, jedoch ist das strömende Wasser durch das Gehäuse des Hydrogenerators zu weit von den Quellen der Wärmeerzeugung entfernt, um eine effiziente Kühlung bewirken zu können. Daher ist eine Erwärmung um 30 K im Betrieb gegenüber dem Ruhezustand des Hydrogenerators möglich. Diese Temperaturdifferenz kann noch größer sein, wenn man die Spanne im Betrieb gegenüber dem Ruhezustand des Hydrogenerators bei Lagerung an Land wie z.B. im Winter in einer Halle betrachtet.
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Diese Erwärmung des Öls kann zu einer Ausdehnung des Öls im Innenraum der Generatorbaugruppe führen. Befindet sich dabei das Öl in einem abgedichteten Innenraum, der keine Ausdehnung des Öls zulässt, so kann eine Druckänderung zwischen dem normalen und dem erwärmten Zustand des Öls sowohl als Überdruck durch Erwärmung als auch als Unterdruck im Normalzustand auftreten. Diese Druckänderungen können die dynamische Dichtung belasten und zu Schädigungen der dynamischen Dichtung bis hin zu Leckagen führen. Ist der Innenraum der Generatorbaugruppe z.B. nach oben offen, kann zwar ein Druckausgleich in diese Richtung stattfinden, jedoch kann hierdurch auch z.B. Wasser oder Feuchtigkeit in den Innenraum der Generatorbaugruppe eindringen. Ferner darf eine derartige Generatorbaugruppe nicht derart gelagert werden, dass Öl austreten kann. Ist der ölgefüllte Innenraum der Generatorbaugruppe über z.B. einen Kompensationskolben oder eine Membran von dem umgebenden Medium wie z.B. der Luft oder dem Wasser getrennt, so kann zwar ein geschützter Druckausgleich stattfinden, jedoch kann die Komplexität der Generatorbaugruppe und damit die Kosten erheblich erhöht werden.
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Die
US 1 831 835 A beschreibt einen hydroelektrischen Generator, der ein Gehäuse, eine Stromerzeugungseinheit innerhalb des Gehäuses, eine Antriebswelle für die Einheit mit einem Ende, das durch eine Stopfbuchse in dem Gehäuse vorsteht, ein Laufrad auf dem vorstehenden Wellenende, wobei das Gehäuse einen Wasserdurchgang aufweist, wenn die Einheit durch das Wasser geführt wird, einen Schaft auf dem Gehäuse zum Befestigen der Vorrichtung an einem Bootsrumpf und einen elektrischen Leiter aufweist, der durch den Schaft verläuft, um Strom von der Erzeugungseinheit zu transportieren.
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Die
US 671 492 S eine Hydrogenerator, welcher einen Propeller aufweist. Der Propeller ist am Ende eines länglichen Schafts angeordnet.
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Die
DE 10 2010 044 436 A1 beschreibt ein Getriebe, insbesondere für ein Wasserfahrzeug, mit mindestens einer in einem ersten Lager drehbar angeordneten ersten Welle, die mit einer Energievorrichtung, insbesondere Hydraulikmaschine, Verbrennungsmaschine oder Elektromaschine, die motorisch oder generatorisch betreibbar ist, verbindbar oder verbunden ist und an einem Ende einen ersten Kupplungsabschnitt aufweist, mit mindestens einer in einem zweiten Lager drehbar angeordneten zweiten Welle, die mit einer Kreiselmaschine verbindbar oder verbunden ist und die an einem Ende einen zweiten Kupplungsabschnitt aufweist, der mit wenigstens einem ersten Kupplungsabschnitt der mindestens einen ersten Welle so anordenbar oder angeordnet ist, dass ein Drehmoment von der ersten Welle auf die zweite Welle und bzw. oder umgekehrt übertragbar ist, mit einem Gehäuse, das zumindest das erste Lager der ersten Welle und bzw. oder zumindest das zweite Lager der zweiten Welle stützt und die Kupplungsabschnitte wenigstens teilweise umgibt und mit einer Kühl- und bzw. oder Schmiervorrichtung zum Zuführen und zum wieder Abführen von Kühl- und bzw. oder Schmiermittel an die Kupplungsabschnitte und bzw. oder an die Lager und bzw. oder an die erste Welle und bzw. oder an die zweite Welle und bzw. oder an die Energievorrichtung. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass die erste Welle und bzw. oder die zweite Welle und bzw. oder der erste Kupplungsabschnitt der ersten Welle und bzw. oder der zweite Kupplungsabschnitt der zweiten Welle und bzw. oder das erste Lager und bzw. oder das zweite Lager und bzw. oder die Energievorrichtung jeweils mindestens in einem Abschnitt aus wenigstens einem korrosionsfesten Material gebildet sind oder ein solches Material umfassen und bzw. oder jeweils mindestens in einem Abschnitt mindestens eine vor Korrosion schützende Beschichtung aufweisen.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie für ein Wasserfahrzeug der eingangs beschriebenen Art bereitzustellen, so dass ein höheres Maß des Drehmoments des Propellers für die Wandlung in elektrische Energie genutzt werden kann als bisher bekannt. Insbesondere soll die Reibarbeit und bzw. oder die Rührarbeit gegenüber bekannten derartigen Generatoren reduziert werden. Alternativ oder zusätzlich soll die Komplexität und bzw. oder die Kosten eines derartigen Generators reduziert werden. Insbesondere soll ein möglichst wartungsfreier und bzw. oder verschleißfreier derartiger Generator geschaffen werden. Zumindest soll eine Alternative zu derartigen bekannten Generatoren geschaffen werden.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie für ein Wasserfahrzeug mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Wasserfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 16 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Somit betrifft die vorliegende Erfindung einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie für ein Wasserfahrzeug aufgrund einer Bewegung des Wasserfahrzeugs durch ein Wasser hindurch. Der Generator weist einen Stator auf, welcher ausgebildet ist, mit dem Wasserfahrzeug verbunden zu werden. Dies kann z.B. über ein Befestigungselement in Form eines Schaftes geschehen, welches am Rumpf des Wasserfahrzeugs angebracht werden kann und den Generator unterhalb des Rumpfes des Wasserfahrzeugs mit diesem mitführen kann. Alternativ kann ein derartiger Generator auch z.B. am Heck eines Wasserfahrzeugs oder am Spiegel eines Segelschiffes und insbesondere einer Segelyacht angeordnet werden. In beiden Fällen kann der Generator feststehend an dem Rumpf, an dem Heck bzw. an dem Spiegel befestigt sein. Alternativ kann der Generator schwenkbar, klappbar, hochziehbar oder dergleichen an dem Rumpf, an dem Heck bzw. an dem Spiegel befestigt sein, so dass der Generator zwischen einer Betriebsstellung innerhalb des Wassers und einer Nicht-Betriebsstellung bewegt werden kann, wie im Folgenden noch näher erläutert werden wird.
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Der Generator weist auch einen Rotor auf, welcher ausgebildet ist, gegenüber dem Stator um eine gemeinsame Drehachse gedreht zu werden. Der Stator und der Rotor können gemeinsam auch als Generatorbaugruppe des Generators zur Erzeugung elektrischer Energie für ein Wasserfahrzeug bezeichnet werden.
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Der Rotor weist einen Propeller auf, welcher ausgebildet ist, durch die Bewegung des Wasserfahrzeugs durch das Wasser hindurch gedreht zu werden und den Rotor anzutreiben. Auf diese Weise kann durch die Bewegung des Wasserfahrzeugs durch das Wasser, welche z.B. bei einem Segelschiff durch den Wind und z.B. bei einem Containerschiff durch einen Schiffsantrieb wie z.B. durch einen Dieselverbrennungsmotor bewirkt werden kann, der Propeller durch seine Geometrie bedingt durch das vorbeiströmende Wasser rotatorisch angetrieben werden. Diese Rotationsbewegung des Propellers kann auf den Rotor übertragen werden, welcher sich hierdurch relativ zum stehenden Stator drehen und seine Bewegungsenergie im Stator in eine elektrische Spannung wandeln kann, so dass die Generatorbaugruppe elektrische Energie abgeben und diese Verbrauchern und bzw. oder elektrischen Speichern des Wasserfahrzeugs zur Verfügung stellen kann. Mit anderen Worten kann auf diese Weise die Antriebsenergie des Wasserfahrzeugs teilweise in elektrische Energie gewandelt werden, welche dem Wasserfahrzeug zur Verfügung stehen kann. Wird die Bewegung des Wasserfahrzeugs z.B. als Segelschiff durch Wind bewirkt, kann die elektrische Energie regenerativ zur Verfügung gestellt werden.
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Zwischen dem Rotor und dem Stator ist zumindest abschnittsweise ein Zwischenraum ausgebildet. Dieser ist bei Generatorbaugruppen üblich und erforderlich, um einen Kontakt zwischen dem rotierbaren Rotor und dem stehenden Stator zu vermeiden. Dieser Zwischenraum wird bei Generatorbaugruppen allgemein in dem Bereich der Generatorbaugruppe, in dem sich z.B. die Wicklungen des Stators und die Permanentmagnete des Rotors radial gegenüberliegen, als Luftspalt bezeichnet und ist möglichst gering ausgebildet, um den magnetischen Kreis der Generatorgruppe zu optimieren.
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Der erfindungsgemäße Generator zur Erzeugung elektrischer Energie für ein Wasserfahrzeug ist dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum ausgebildet ist, zumindest abschnittsweise von dem Wasser durchströmt zu werden. Wird das Wasserfahrzeug auf einem Binnengewässer eingesetzt, kann das Wasser entsprechend Süßwasser sein. Wird das Wasserfahrzeug auf einem Meer eingesetzt, kann das Wasser entsprechend Salzwasser sein, welches auch als Meerwasser bezeichnet werden kann.
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Der vorliegenden Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass alle zuvor beschriebenen Nachteile, die mit der Notwendigkeit und der Umsetzung einer dynamischen Dichtung zwischen Rotor und Stator eines bekannten Generators zur Erzeugung elektrischer Energie für ein Wasserfahrzeug einhergehen können, dadurch behoben werden können, indem auf die dynamische Dichtung verzichtet wird und der Zwischenraum zwischen Stator und Rotor mit dem Wasser der Umgebung gefüllt bzw. von dem Wasser der Umgebung durchströmt werden kann. Insbesondere können hierdurch zum einen die direkten und indirekten Kosten der dynamischen Dichtung wie z.B. einer Gleitringdichtung entfallen. Zum anderen können die Reduzierungen des Drehmoments des Propellers bei der Übertragung auf die Rotation des Rotors, welche sowohl durch die Verwendung einer dynamischen Dichtung als auch durch die Befüllung des Innenraums der Generatorbaugruppe mit Öl bewirkt werden kann, verringert und damit das Maß der Energiewandlung durch den Rotor erhöht werden.
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Vorteilhaft kann ferner sein, dass durch die Durchströmung des Zwischenraums der Generatorbaugruppe mit dem Wasser der Umgebung eine Wasserkühlung im Inneren der Generatorbaugruppe erreicht werden kann. Dies kann die Generatorbaugruppe zum einen grundsätzlich abkühlen und zum anderen im Betrieb vergleichsweise gekühlt halten, so dass der Ohmsche Widerstand z.B. der Wicklungen des Stators gering gehalten werden kann. Dies kann das Maß der Energiewandlung durch den Rotor erhöhen. Eine verbesserte Kühlung der Generatorbaugruppe vorzusehen kann insbesondere dann vorteilhaft sein, falls leistungsstarke Neodym-Eisen-Bor (NeFeB)-Permanentmagnete verwendet werden, weil diese äußerst temperaturempfindlich sein können.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Zwischenraum, zumindest abschnittsweise in der Richtung der Drehachse, in Umdrehungsrichtung des Rotors durchgängig um die Drehachse herum ausgebildet. Auf diese Weise kann das Volumen des Zwischenraums und damit die Wassermenge, die pro Zeiteinheit durch den Zwischenraum hindurchströmen kann, erhöht werden, ohne den radialen Abstand zwischen Rotor und Stator zu erhöhen. Dies könnte zum einen den Bauraum der Generatorbaugruppe erhöhen, was üblicherweise unerwünscht sein kann. Zum anderen könnte dies den Wirkungsgrad der Generatorbaugruppe reduzieren. Ein vergleichsweise großer Wasserstrom durch den Zwischenraum zwischen Rotor und Stator und insbesondere durch den Spalt zwischen Wicklungen des Stators und den Permanentmagneten des Rotors hindurch kann die kühlende Wirkung des Wasserstromes erhöhen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der Generator eine Einlassöffnung auf, welche ausgebildet ist, den Zwischenraum mit dem Wasser zu verbinden. Hierdurch kann eine Verbindung des Innenraums der Generatorbaugruppe mit der Umgebung geschaffen werden, so dass Wasser von außerhalb des Generators in den Zwischenraum gelangen und diesen durchströmen kann. Die Einlassöffnung kann je nach Anwendungsfall derart angeordnet und ausgebildet sein, ein Durchströmen des Zwischenraums zu ermöglichen. Hierzu kann die Einlassöffnung insbesondere an beliebiger Stelle durch den Rotor und insbesondere durch den Propeller hindurchführen und bzw. oder zwischen dem Rotor und Stator angeordnet sein, wie im Folgenden näher beschrieben werden wird. Es können auch mehrere Einlassöffnungen vorhanden sein, welche an unterschiedlichen Stellen angeordnet sein können. Die mehreren Einlassöffnungen können gleich oder unterschiedlich ausgestaltet sein.
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Vorzugsweise ist die Einlassöffnung zwischen dem Rotor und dem Stator als radiale Einlassöffnung des Zwischenraums ausgebildet. Auf diese Weise kann das Wasser seitlich in den Zwischenraum einströmen und von dort in der Richtung der Drehachse den Zwischenraum zwischen Rotor und Stator durchströmen. Hierdurch kann das Wasser gezielt geführt werden. Ferner kann das Wasser durch die radiale Einlassöffnung in das Innere der Generatorbaugruppe eingeleitet werden, ohne den Propeller z.B. durch eine axiale Einlassöffnung gegenüber bekannten Propellern verändern zu müssen. Dies kann den konstruktiven Aufwand zur Umsetzung eines erfindungsgemäßen Generators zur Erzeugung elektrischer Energie für ein Wasserfahrzeug gering halten.
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Die radiale Einlassöffnung des Zwischenraums vorzugsweise zwischen dem Propeller und dem Stator anzuordnen kann vorteilhaft sein, weil zwischen dem stehenden Stator und dem mit dem Rotor verbundenen drehbaren Propeller üblicherweise ohnehin ein zumindest geringer Abstand in der Richtung der Drehachse vorhanden ist, um die Drehbarkeit des Propellers zu erlauben und hierbei Reibung gegenüber dem Stator zu vermeiden. Daher kann dieser Abstand je nach Anwendungsfall derart breit in der Richtung der Drehachse ausgebildet werden, um an dieser Stelle auf einfache Art und Weise eine radiale Einlassöffnung für den Zwischenraum zu schaffen.
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Vorzugsweise ist die radiale Einlassöffnung, zumindest abschnittsweise in der Richtung der Drehachse, in Umdrehungsrichtung des Rotors durchgängig um die Drehachse herum ausgebildet. Hierdurch kann eine möglichst große Einlassöffnung geschaffen werden, ohne den Abstand zwischen Stator und Propeller in der Richtung der Drehachse zu groß werden zu lassen, was die Stabilität und Führung des Propellers im Betrieb reduzieren könnte. Ferner kann auf diese Art und Weise ein möglichst gleichmäßiges Einströmen des Wassers in den Zwischenraum erreicht werden, insbesondere bei einem in Umdrehungsrichtung des Rotors durchgängig um die Drehachse herum ausgebildeten Zwischenraum, wie zuvor beschrieben.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der Rotor wenigstens einen Permanentmagneten auf, wobei der Permanentmagnet zumindest abschnittsweise mit dem Zwischenraum in direktem Kontakt steht. Auf diese Weise kann ein möglichst direkter Kontakt des Permanentmagneten zu dem Wasser geschaffen werden, so dass zum einen die kühlende Wirkung des Wasserstroms direkt auf den Permanentmagneten wirken kann. Zum anderen kann der Bauraum des Rotors insbesondere in der radialen Richtung möglichst gering gehalten werden.
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Hierbei den Permanentmagneten mit einer wasserbeständigen Beschichtung zu versehen kann vorteilhaft sein, um z.B. Korrosion der Oberfläche des Permanentmagneten in den Bereichen zu vermeiden, wo die Oberfläche des Permanentmagneten mit dem Wasser in Kontakt kommen kann. Dabei wird unter einer Beschichtung ein möglichst dünner, stoffschlüssig haftender und gegenüber dem umgebenden Wasser wie z.B. dem Meerwasser beständiger Auftrag auf die Oberfläche des Permanentmagneten verstanden, welcher als Bestandteil des Permanentmagneten angesehen werden kann, so dass der Permanentmagnet auch über eine derartige Beschichtung in direktem Kontakt mit dem Wasser stehen kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der Rotor wenigstens einen Permanentmagneten auf, wobei der Rotor ferner ein rotorseitiges Schutzelement aufweist, welches den Permanentmagneten zumindest abschnittsweise fluiddicht von dem Zwischenraum trennt. Das rotorseitige Schutzelement ist ein Bestandteil des Rotors und mit diesem feststehend verbunden, so dass das rotorseitige Schutzelement die Drehbewegung des Rotors mit ausführen kann. Auf diese Weise kann alternativ zu dem zuvor beschriebenen direkten Kontakt des Permanentmagneten mit dem Zwischenraum bzw. dem dort befindlichen Wasser in diesem Fall der Permanentmagnet vor einem derartigen direkten Kontakt mittels des Schutzelements geschützt werden. Hierdurch kann z.B. Korrosion vermieden werden, indem der Permanentmagnet erst gar nicht mit dem Wasser im Zwischenraum in Kontakt kommen kann. Das Schutzelement kann hierzu auf verschiedene Arten ausgebildet sein, um diese Funktion zu erfüllen, wie im Folgenden näher erläutert werden wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der Stator wenigstens eine elektrisch leitfähige Wicklung auf, wobei der Stator ferner ein statorseitiges Schutzelement aufweist, welches die elektrisch leitfähige Wicklung zumindest abschnittsweise fluiddicht von dem Zwischenraum trennt. Auf diese Art und Weise kann, vergleichbar dem zuvor beschriebenen rotorseitigen Schutzelement, alternativ oder zusätzlich der Stator bzw. dessen Wicklungen vor z.B. Korrosion geschützt werden. Ferner können die Wicklungen als elektrisch leitfähige Elemente, in denen bei Rotation des Rotors eine elektrische Spannung anliegen kann, vor Wasser und insbesondere vor Meerwasser geschützt werden. Dieser Kontakt könnte sonst zu Beschädigungen der Wicklungen führen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist bzw. sind das rotorseitige Schutzelement und bzw. oder das statorseitige Schutzelement als zylindrisches Schutzrohr ausgebildet. Dies kann vorteilhaft sein, um den Rotor und bzw. oder den Stator als zylindrische und hinsichtlich der gemeinsamen Drehachse rotationssymmetrische Elemente einfach und kostengünstig schützen zu können. So kann jeweils ein Schutzrohr mit dem entsprechenden Innen- bzw. Außenmaß gefertigt und zwischen Rotor und Stator auf der jeweiligen Seite des Zwischenraums bzw. des Spalts eingezogen werden. Dies kann eine flächig geschlossene Abdichtung des Rotors bzw. des Stators in der Richtung der Drehachse sowie in der Umdrehungsrichtung des Rotors bewirken.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das zylindrische Schutzrohr oder sind die zylindrischen Schutzrohre in der Richtung der Drehachse des Rotors (jeweils) mittels eines seitlichen Abschlusselements abgedichtet. Auf diese Weise kann ein zylindrisches Schutzrohr als Schutzelement verwendet und der verbleibende radiale Abstand zu dem Rotor bzw. zu dem Stator, welcher zum Einführen des Schutzrohres erforderlich sein kann, fluiddicht geschlossen werden.
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Das seitliche Abschlusselement oder die seitlichen Abschlusselemente vorzugsweise als eine ausgehärtete Vergussmasse auszubilden kann vorteilhaft sein, weil sich eine Vergussmasse räumlich dem jeweiligen zu füllenden Volumen flexibel anpassen und diesen Abstand wirkungsvoll und sicher fluiddicht abdichten kann. Hierzu vorzugsweise Epoxidharz oder Polyurethan als Vergussmasse zu verwenden kann vorteilhaft sein, weil Epoxidharz oder Polyurethan kostengünstig, einfach zu verarbeiten und beständig gegenüber Wasser und insbesondere gegenüber Meerwasser sein können.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist bzw. sind das rotorseitige Schutzelement gegenüber dem Permanentmagneten und bzw. oder das statorseitige Schutzelement gegenüber den Wicklungen zumindest abschnittsweise mit einer ausgehärteten Vergussmasse ausgefüllt. Dies kann vorteilhaft sein, weil auf diese Art und Weise der Permanentmagnet und bzw. oder die Wicklungen möglichst vollflächig durch die Vergussmasse abgedeckt und hierdurch zusätzlich vor dem Wasser geschützt werden können. Dringt in diesem Fall Wasser durch ein Schutzelement hindurch, kann ein Kontakt mit dem Permanentmagneten bzw. mit den Wicklungen durch die Vergussmasse immer noch verhindert werden. Hierzu vorzugsweise Epoxidharz oder Polyurethan als Vergussmasse zu verwenden kann vorteilhaft sein, weil Epoxidharz oder Polyurethan kostengünstig, einfach zu verarbeiten und beständig gegenüber Wasser und insbesondere gegenüber Meerwasser sein können.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist zwischen dem rotorseitigen Schutzelement und dem Rotor und bzw. oder zwischen dem statorseitigen Schutzelement und dem Stator (jeweils) zumindest abschnittsweise eine statische Dichtung, vorzugsweise ein Dichtring, besonders vorzugsweise eine O-Ring-Dichtung, angeordnet, welche ausgebildet ist, die Vergussmasse beim Einbringen auf den Bereich des Permanentmagneten oder auf den Bereich der Wicklungen zu begrenzen. Auf diese Weise kann beim Befüllen des Volumens hinter einem Schutzelement, insbesondere von einer Seite des Schutzelements, ein Ausfließen der noch fließfähigen Vergussmasse auf der in der Richtung der Drehachse gegenüberliegenden Seite des Schutzelements verhindert werden. Hierdurch kann die Vergussmasse trotz ihrer Fließfähigkeit möglichst genau dort eingebracht werden, wo die Vergussmasse im ausgehärteten Zustand vorhanden sein soll. Gleichzeitig kann vermieden werden, dass sich die fließfähige Vergussmasse über das Schutzelement hinaus und insbesondere in den Zwischenraum verteilen und dort aushärten kann. Dies könnte sowohl den Wasserstrom durch den Zwischenraum als auch die Rotation des Rotors behindern.
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Hierbei einen Dichtring zu verwenden kann vorteilhaft sein, weil dieser einfach und aus einem Stück mit einem Schritt montiert werden kann. Hierzu eine O-Ring-Dichtung zu verwenden kann besonders vorteilhaft sein, weil derartige Dichtungen kostengünstig und durch Rollen besonders einfach zu montieren sein können.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist bzw. sind das rotorseitige Schutzelement und bzw. oder das statorseitige Schutzelement als eine ausgehärtete Vergussmasse ausgebildet. Mit anderen Worten wird bzw. werden der Permanentmagnet und bzw. oder die Wicklungen direkt vergossen und dem Wasser ausgesetzt. Dies kann den Aufwand der Umsetzung eines jeweiligen Schutzelements reduzieren und dennoch einen wirkungsvollen Schutz schaffen.
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Hierzu vorzugsweise Epoxidharz oder Polyurethan als Vergussmasse zu verwenden kann vorteilhaft sein, weil Epoxidharz oder Polyurethan kostengünstig, einfach zu verarbeiten und beständig gegenüber Wasser und insbesondere gegenüber Meerwasser sein können.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das rotorseitige Schutzelement nicht-magnetisch leitfähig oder schlecht magnetisch leitfähig ausgebildet und bzw. oder das statorseitige Schutzelement ist nicht-magnetisch leitfähig oder schlecht magnetisch leitfähig und bzw. oder elektrisch isolierend oder schlecht elektrisch leitfähig ausgebildet. Durch die Vermeidung einer magnetischen Leitfähigkeit oder zumindest durch eine vergleichsweise geringe magnetische Leitfähigkeit eines entsprechend ausgebildeten Schutzelements des Rotors und bzw. oder des Stators können Störungen und Beeinträchtigungen des Magnetfelds zwischen Rotor und Stator, welches von dem Rotor ausgehen kann, unterbunden oder zumindest reduziert werden. Durch die Vermeidung einer elektrischen Leitfähigkeit oder zumindest durch eine vergleichsweise geringe elektrische Leitfähigkeit des statorseitigen Schutzelements können elektrische Ströme innerhalb des statorseitigen Schutzelements verhindert oder zumindest reduziert werden, welche zumindest einen Teil der gewandelten elektrischen Energie der Generatorbaugruppe ableiten könnten. Dieser Teil der gewandelten elektrischen Energie würde dann nicht dem Wasserfahrzeug zur Nutzung zur Verfügung stehen. Insbesondere kann die Entstehung von Wirbelströmen im statorseitigen Schutzelement reduziert oder verhindert werden, welche das Magnetfeld zwischen Rotor und Stator beeinträchtigen können. Ferner könnten hierdurch Beschädigungen z.B. der Wicklungen und bzw. oder anderer elektrisch leitfähiger Elemente der Generatorbaugruppe vermieden werden.
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Vorzugsweise ist bzw. sind das rotorseitige Schutzelement und bzw. oder das statorseitige Schutzelement dünnwandig, vorzugsweise mit einer maximalen radialen Stärke von 1 % des Außendurchmessers eines Blechpaketes der Wicklungen des Stators, ausgebildet. Auf diese Weise kann ein wirksamer Schutz durch das Schutzelement bzw. durch die Schutzelemente erreicht werden, ohne den Zwischenraum bzw. den radialen Abstand zwischen Rotor und Stator zu sehr einzuschränken. Ferner können auf diese Art und Weise die Materialkosten sowie das Gewicht des Rotors gering gehalten werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Rotor gegenüber dem Stator mittels wenigstens eines Lagerelements rotierbar gelagert, wobei das Lagerelement als Gleitlager ausgebildet ist. Auf diese Weise kann eine geführte Drehbarkeit des Rotors gegenüber dem Stator erreicht werden. Dabei ist das Lagerelement derart in Umdrehungsrichtung zwischen dem Stator und dem Rotor angeordnet, dass die Drehung des Rotors in dessen Umdrehungsrichtung geführt werden kann.
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Hierbei vorzugsweise ein Paar von Lagerelementen vorzusehen kann vorteilhaft sein, weil hierdurch ein Verkippen senkrecht zur Drehachse des Rotors reduziert oder sogar vollständig verhindert werden kann. Dies kann insbesondere dann wirkungsvoll geschehen, falls die beiden Lagerelemente in der Richtung der Drehachse möglichst weit voneinander beabstandet sind. Hierbei ist jedoch gleichzeitig zu beachten, dass die beiden Lagerelemente in der Richtung der Drehachse nahe genug beieinander anzuordnen sein sollten, um eine Durchbiegung oder sonstige Auslenkung des Rotors senkrecht von der Drehachse des Rotors weg zwischen den beiden Lagerelementen zu vermeiden.
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Vorzugsweise sind die Elemente des Gleitlagers aus Hartmetall und bzw. oder aus Keramik und bzw. oder aus Diamant und bzw. oder aus Gummi und bzw. oder aus Kunststoff und bzw. oder aus Bronze ausgebildet. Dabei weist jedes Element vorzugsweise genau eines der zuvor genannten Materialien auf, wobei die Elemente eines Gleitlagers die gleichen oder unterschiedliche Materialien aufweisen können, um die Elemente ihrer jeweiligen Funktion anpassen zu können. Auch können mehrere verwendete Gleitlager die gleichen oder unterschiedliche Materialien aufweisen, um diese ebenfalls ihrer jeweiligen Funktion anpassen zu können. Dabei haben die zuvor genannten Materialien grundsätzlich den gemeinsamen Vorteil, besonders hart und damit besonders abriebfest zu sein, so dass trotz fehlender Schmierung z.B. durch Öl eine ausreichende Langlebigkeit der Elemente und damit des gesamten Gleitlagers erreicht werden kann. Diamant kann als Material dabei den Vorteil aufweisen, abriebfester als Hartmetall oder Keramik zu sein, kann jedoch üblicherweise gleichzeitig teurer als Hartmetall und Keramik sein. Hartmetall kann teurer als Keramik sein, ist jedoch üblicherweise weniger spröde.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Rotor gegenüber dem Stator mittels wenigstens eines Lagerelements, vorzugsweise mittels eines Paares von Lagerelementen, rotierbar gelagert, wobei das Lagerelement als Wälzlager ausgebildet ist. Auf diese Weise kann eine alternative Lagerung im Vergleich zu dem zuvor beschriebenen Gleitlager sowie anderen Lagern geschaffen werden, welche für den vorliegenden Anwendungsfall geeignet sein kann.
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Vorzugsweise sind die Elemente des Wälzlagers aus Keramik und bzw. oder aus Kunststoff und bzw. oder aus Glas und bzw. oder aus Hartmetall und bzw. oder aus wasserbeständigem, vorzugsweise aus meereswasserbeständigem, Stahl ausgebildet. Dabei haben Keramik, Hartmetall und Stahl als Materialien grundsätzlich den gemeinsamen Vorteil, besonders hart und damit besonders abriebfest zu sein, so dass trotz fehlender Schmierung z.B. durch Öl eine ausreichende Langlebigkeit der Elemente und damit des gesamten Wälzlagers erreicht werden kann. Kunststoff und Glas können kostengünstige Materialien sein, auch wenn zumindest Kunststoff üblicherweise eine vergleichbar geringe Härte und damit Abriebfestigkeit aufweisen kann. Jedoch kann Kunststoff in der Kombination mit Glas als Reibpartner einen vergleichsweise geringen Abrieb aufweisen. Keramik kann aufgrund seines geringen Abriebs besonders geeignet sein, ist üblicherweise jedoch teurer als die übrigen genannten Materialien.
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Vorzugsweise kann ein Hybridlager mit Elementen aus unterschiedlichen zuvor genannten Materialien eingesetzt werden, um einen Ausgleich zwischen z.B. hoher Härte bzw. hoher Abriebfestigkeit bei gleichzeitig reduzierten Kosten zu schaffen. Z.B. kann ein Wälzlager mit keramischen Kugeln aber Ringen aus einem anderen Material, welches vorzugsweise wasser- bzw. meerwasserbeständig sein kann, eingesetzt werden. Alternativ kann ein rein keramisches Wälzlager verwendet werden, welches für die Verwendung in Wasser und insbesondere in Meerwasser besonders geeignet sein kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der Generator ein rotatorisches Bewegungselement, vorzugsweise ein Gelenk, auf, welches ausgebildet ist, den Generator an dem Wasserfahrzeug, insbesondere an einem Rumpf und bzw. oder einem Heck des Wasserfahrzeugs, rotatorisch beweglich und bzw. oder rotatorisch bewegbar anzuordnen. Alternativ oder zusätzlich weist der Generator ein translatorisches Bewegungselement, vorzugweise eine Schiene, welches ausgebildet ist, den Generator gegenüber dem Wasserfahrzeug, insbesondere gegenüber einem Rumpf und bzw. oder einem Heck des Wasserfahrzeugs, translatorisch beweglich und bzw. oder translatorisch bewegbar anzuordnen.
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Auf diese Weise kann es ermöglicht werden, dass der Generator zwar fest mit dem Wasserfahrzeug verbunden werden kann, jedoch gegenüber dem Wasserfahrzeug beweglich sein kann. Zum einen kann sich der Generator z.B. mittels eines Gelenks durch eine Schwenkbewegung rotatorisch gegenüber dem Wasserfahrzeug bewegen lassen, so dass der Generator rotatorisch beweglich im Wasser hängen und im Rahmen einer rotatorischen Beweglichkeit Ausgleichbewegungen um wenigstens eine Achse herum gegenüber dem Wasser ausführen kann. Dies kann den Strömungswiderstand des Generators verringern und damit die Belastung des rotatorischen Bewegungselements reduzieren. Auch kann der Generator z.B. mittels eines Gelenks durch eine Schwenkbewegung rotatorisch bewegbar z.B. zwischen einer ersten Schwenkstellung außerhalb des Wassers und einer zweiten Schwenkstellung innerhalb des Wassers bewegt werden. Beide Schwenkstellungen können feststehend über eine formschlüssige und bzw. oder kraftschlüssige Verbindung wie z.B. über ein Einrasten oder eine Schraubverbindung gehalten werden, so dass z.B. zwischen einer Nicht-Betriebsstellung außerhalb des Wasser und einer Betriebsstellung im Wasser unterschieden werden kann.
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Zum anderen kann sich der Generator z.B. mittels einer Schiene durch eine Schiebebewegung translatorisch gegenüber dem Wasserfahrzeug bewegen lassen, so dass der Generator translatorisch beweglich im Wasser hängen und im Rahmen einer translatorischen Beweglichkeit Ausgleichbewegungen entlang wenigstens einer Achse gegenüber dem Wasser ausführen kann. Dies kann den Strömungswiderstand des Generators verringern und damit die Belastung des translatorischen Bewegungselements reduzieren. Auch kann der Generator z.B. mittels einer Schiene durch eine Schiebebewegung translatorisch bewegbar z.B. zwischen einer ersten Schiebestellung außerhalb des Wassers und einer zweiten Schiebestellung innerhalb des Wassers bewegt werden. Beide Schiebestellungen können dabei feststehend über eine formschlüssige und bzw. oder kraftschlüssige Verbindung wie z.B. über ein Einrasten oder eine Schraubverbindung gehalten werden, so dass z.B. zwischen einer Nicht-Betriebsstellung außerhalb des Wassers und einer Betriebsstellung im Wasser unterschieden werden kann.
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Dabei ist es möglich, den Generator entweder nur rotatorisch beweglich oder nur rotatorisch bewegbar oder nur translatorisch beweglich oder nur translatorisch bewegbar vorzusehen. Alternativ können je nach Anwendungsfall auch mehrere Möglichkeiten einer Bewegung relativ zum Wasserfahrzeug miteinander kombiniert eingesetzt werden.
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In jedem Fall kann der Generator vorzugweise ein Befestigungselement wie z.B. einen Schaft aufweisen, mit dem z.B. der Stator des Generators mit dem rotatorischen Bewegungselement oder mit dem translatorischen Bewegungselement feststehend verbunden sein kann. Auch diese Weise kann ein vorbestimmter Abstand des Stators und Rotors gegenüber dem Befestigungselement bzw. den Befestigungselementen vorgesehen werden, so dass insbesondere der Propeller des Rotors zum Wasserfahrzeug beabstandet angeordnet werden kann. Dies kann vorteilhaft sein, um den Propeller einer stärkeren Bewegung des Wassers auszusetzen als sie in der unmittelbaren Nähe z.B. direkt unterhalb des Rumpfes des Wasserfahrzeugs vorliegen kann. Dies kann zu einem stärkeren Drehmoment des Propellers und damit zu einem höheren Maß der Energiewandlung in elektrische Energie führen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Wasserfahrzeug, vorzugsweise ein Segelschiff, mit einem Generator wie zuvor beschrieben. Auf diese Art und Weise können die zuvor beschriebenen Eigenschaften und Vorteile eines erfindungsgemäßen Generators zur Erzeugung elektrischer Energie für ein Wasserfahrzeug bei einem Wasserfahrzeug genutzt werden.
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Das Wasserfahrzeug kann vorzugsweise ein Segelschiff und besonders bevorzugt eine Segelyacht für Regatten sein, bei denen die zuvor beschriebenen Vorteile der vorliegenden Erfindung besonders vorteilhaft zum Tragen kommen können. Jedoch kann die vorliegende Erfindung auf jegliche Wasserfahrzeuge wie private, gewerbliche und militärische Wasserfahrzeuge angewendet werden. Dies können im privaten Bereich, im sportlichen Bereich bzw. im Freizeitbereich z.B. Segelschiffe, Surfbretter, Katamarane und dergleichen sein. Im gewerblichen Bereich können dies z.B. Containerschiffe, Frachtschiffe, Passagierschiffe, Kreuzfahrtschiffe, Fähren und dergleichen sein. Im militärischen Bereich können dies jegliche Schiffe ebenso wie U-Boote sein.
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Zwei Ausführungsbeispiele und weitere Vorteile der Erfindung werden nachstehend im Zusammenhang mit den folgenden Figuren erläutert. Darin zeigt:
- 1 eine perspektivische schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Generators zur Erzeugung elektrischer Energie für ein Wasserfahrzeug bei der Verwendung bei einem Wasserfahrzeug;
- 2 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts durch einen erfindungsgemäßen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie für ein Wasserfahrzeug gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels;
- 3 eine Vergrößerung eines Ausschnitts der 2;
- 4 eine Vergrößerung eines Ausschnitts der 3;
- 5 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts durch einen erfindungsgemäßen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie für ein Wasserfahrzeug gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels in einer Vergrößerung vergleichbar der 3; und
- 6 eine Vergrößerung eines Ausschnitts der 5 vergleichbar der 4.
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1 zeigt eine perspektivische schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Generators 1 zur Erzeugung elektrischer Energie für ein Wasserfahrzeug - kurz Generator 1 genannt - bei der Verwendung bei einem Wasserfahrzeug 4. Das Wasserfahrzeug 4 ist in diesem Fall ein Segelschiff 4, dessen Körper mit einem Rumpf 40 in das Wasser 5 eines Gewässers in Form eines Meeres eingetaucht ist, so dass das Wasser 5 als Meerwasser 5 bezeichnet werden kann. Der Körper des Wasserfahrzeugs 4 schließt mit einem Heck 41 in Form eines Heckspiegels 41, kurz Spiegel 41, ab.
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Der Generator 1 ist am Spiegel 41 des Wasserfahrzeugs 4 befestigt. Hierzu weist der Generator 1 ein Gehäuse 10 auf. Das Gehäuse 10 ist mittels eines länglichen Befestigungselements 14 in Form eines Schaftes 14 in der Stellung der Darstellung der 1 nach oben hin mit einem rotatorischen Bewegungselement 15 in Form eines Gelenks 15 feststehend verbunden. Das Gelenk 15 ist ferner feststehend mit einem translatorischen Bewegungselement 16 in Form einer Schiene 16 verbunden, welche ihrerseits feststehend an dem Spiegel 41 des Wasserfahrzeugs 4 angeordnet ist. Das Gelenk 15 kann eine rotatorische Drehbewegung zwischen dem Schaft 14 und der Schiene 16 übertragen, wobei die Drehachse des Gelenks 15 parallel zur Schiene 16 ausgerichtet ist. Die Schiene 16 kann eine translatorische Schiebebewegung zwischen dem Gelenk 15 und dem Spiegel 41 übertragen.
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Die Schiene 16 ist hierbei in der Darstellung der 1 in einer unteren Stellung feststehend derart eingerastet, dass der Generator 1 wie dargestellt im Meerwasser 5 eingetaucht ist. In dieser Stellung kann der Generator 1 mit dem Segelschiff 4 durch das Meerwasser 5 hindurch in der Richtung einer Bewegung A mitbewegt werden. Gleichzeitig ist der Generator 1 gegenüber dem Wasserfahrzeug 4 mittels des Gelenks 15 schwenkbar beweglich, so dass der Generator 1 um die Schwenkachse des Gelenks 15 herum Ausgleichsbewegungen gegenüber einer Bewegung B des Meerwassers 5 ausführen kann.
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Der Generator 1 weist in der Richtung der Bewegung A einen Propeller 24 auf, welcher gegenüber dem Gehäuse 10 des Generators 1 drehbar ist, wie im Folgenden noch näher erläutert werden wird. An seinem gegenüberliegenden Ende weist der Generator 1 ein hinteres Abschlusselement 36 auf, welches das Gehäuse 10 an diesem Ende abschließt. Das hintere Abschlusselement 36 ist mit dem Gehäuse 10 feststehend verbunden und dient der Reduzierung des Strömungswiderstands des Generators 1.
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Das Segelschiff 4 führt in dem Meerwasser 5 aufgrund der Wirkung des Segelns die Bewegung A in die dargestellte Richtung aus. Hierdurch wird der Propeller 24 durch das Meerwasser 5 hindurch bewegt, so dass das stehende Meerwasser 5 mit einer relativen Bewegung B in einer Richtung auf den Propeller 24 wirkt, die in der Stärke im Wesentlichen der Stärke der Bewegung A entspricht, deren Richtungen jedoch zumindest im Wesentlichen entgegengesetzt sind; natürliche Strömungen des Meeres werden hierbei nicht betrachtet. Durch die Wirkung der Bewegung B des Meerwassers 5 auf den Propeller 24 kann dieser gedreht werden, so dass das Drehmoment des Propellers 24 mittels einer Generatorbaugruppe mit Stator 3 und Rotors 2 bzw. mit Permanentmagneten 21 und Wicklungen 30 im Inneren des Gehäuses 10 in elektrische Energie zur Versorgung des Segelschiffes 5 als regenerative Energie gewandelt werden kann, wie nun im Folgenden näher erläutert werden wird.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Längsschnitts durch einen erfindungsgemäßen Generator 1 zur Erzeugung elektrischer Energie für ein Wasserfahrzeug gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels. 3 zeigt eine Vergrößerung eines Ausschnitts der 2. 4 zeigt eine Vergrößerung eines Ausschnitts der 3.
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Der Generator 1 lässt sich grundsätzlich in einen Stator 3, welcher feststehend mit dem Schaft 14 verbunden ist, und in einen Rotor 2 unterteilen, welcher gegenüber dem Stator 3 um eine gemeinsame Drehachse C in einer Umdrehungsrichtung D hin drehbar ist.
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Der Stator 3 weist elektrisch leitfähige Wicklungen 30 auf, welche in der Richtung der Drehachse C etwa mittig innerhalb des Generators 1 angeordnet sind. In den Wicklungen 30 kann eine elektrische Spannung induziert werden, welche als elektrische Energie über elektrische Anschlusskabel 17 durch den Schaft 14 in das Innere des Segelschiffs 4 geleitet werden kann. Die Wicklungen 30 weisen an ihren beiden Enden in der Richtung der Drehachse C jeweils einen Wicklungskopf 31 auf, über die die Wicklungen 30 umgelenkt werden. Zwischen den beiden Wicklungsköpfen 31 sind die Wicklungen 30 in der radialen Richtung R nach innen sowie nach außen von Blechpaketen 32 umgeben.
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Radial nach Innen wird der Stator 3 von einem statorseitigen Schutzelement 33 in Form eines statorseitigen zylindrischen Schutzrohrs 33 aus einem radial dünnwandigen und magnetisch sowie elektrisch schlecht leitfähigem Blech begrenzt und abgeschlossen. Das statorseitige Schutzrohr 33 wird beidseitig in der Richtung der Drehachse C von jeweils einem seitlichen Abschlusselement 35 zwischen seiner radialen Innenseite und dem Gehäuse 10 fluiddicht abgeschlossen. Dabei werden die beiden seitlichen Abschlusselemente 35 durch eine gemeinsame Vergussmasse gebildet, welche in der Richtung der Drehachse C sowie in der Umdrehungsrichtung D durchgängig den Zwischenraum ausfüllt, welcher radial innenseitig hinter dem statorseitigen Schutzrohr 33 gebildet wird. Als Vergussmasse werden Epoxidharz oder alternativ Polyurethan verwendet. Dabei wird dieser Zwischenraum beim Vergießen beidseitig mit einer statorseitigen statischen Dichtung 34 in Form eines statorseitigen Dichtrings 34 als O-Ring-Dichtung 34 abgedichtet, um das fließfähige Epoxidharz auf diesen Zwischenraum zu begrenzen. Ferner sind die Wicklungsköpfe 31 mit Epoxidharz als Vergussmasse eingegossen (nicht dargestellt).
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Der Rotor 2 weist ein Rotorjoch 20 auf, welches mit seinem Mittelteil radial innerhalb des Stators 3 angeordnet ist und sich in der Richtung der Drehachse C beidseitig über den Stator 3 hinaus erstreckt. In der Darstellung der 1 bis 6 weist der Rotor 2 jeweils links, d.h. in der Richtung der Bewegung A des Segelschiffs 4, den Propeller 24 auf, welcher mittels einer Propellerbefestigung 25 in Form einer Schraube 25 axial zur Drehachse C an dem Rotorjoch 20 feststehend montiert ist. Auf diese Weise kann die Drehung des Propellers 24, welche durch die Bewegung A des Segelschiffes 4 durch das Meerwasser 5 bewirkt werden kann, das Rotorjoch 20 drehend antreiben. An der gegenüberliegenden Seite des Rotors 2 endet das Rotorjoch 20 radial innerhalb des hinteren Abschlusselements 36 des Gehäuses 10.
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Im Bereich seines Mittelteils weist der Rotor 2 mehrere Permanentmagnete 21 auf, welche in der Umdrehungsrichtung D um das Rotorjoch 20 herum auf diesen nach radial außen zeigend fest angeordnet sind. In diesem ersten Ausführungsbeispiel sind die Permanentmagnete 21 mit einer meerwasserbeständigen Beschichtung (nicht dargestellt) überzogen, weisen jedoch nach radial außen sowie beidseitig in der Richtung der Drehachse C keinerlei Abdeckungen oder dergleichen auf.
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Etwa über die Erstreckung des Rotorjochs 20 in der Richtung der Drehachse C sowie in der Umdrehungsrichtung D sind der radial innenliegende Rotor 2 und der radial außenliegende Stator 3 in der radialen Richtung R ausreichend beabstandet, damit der Rotor 2 gegenüber dem Stator 3 seine Drehbewegung in der Umdrehungsrichtung D ausführen kann. Dieser radiale Abstand führt im Bereich zwischen den Permanentmagneten 21 und den Wicklungen 30 zu einem Spalt 13, welcher radial möglichst gering ist, um die Leistungsdichte der Generatorbaugruppe nicht unnötig zu reduzieren. In den übrigen Bereichen ist dieser radiale Abstand größer ausgebildet, so dass sich dort ein Zwischenraum 12 beidseitig des Spalts 13 in der Richtung der Drehachse C bildet. Dabei wird der Spalt 13 als Bestandteil des Zwischenraums 12 angesehen und im Folgenden nicht explizit unterschieden, sofern dies nicht erforderlich ist.
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Der Zwischenraum 12 ist nach links durch einen Abstand in der Richtung der Drehachse C zwischen dem Gehäuse 10, welches dem Stator 3 zuzurechnen ist, und dem Propeller 24 mit dem Meerwasser 5 verbunden, welches den Generator 1 umgibt. Dieser Abstand ist in der Umdrehungsrichtung D vollständig umlaufend ausgebildet und stellt eine radiale Einlassöffnung 26 des Zwischenraums 12 dar, durch welche Meerwasser 5 als Strom 50 in den Zwischenraum 12 einströmen kann. Auf der gegenüberliegen rechten Seite kann dieser Strom 50 des Meerwassers 5 den Zwischenraum 12, welcher sich am rechten Ende des Rotorjochs 20 zusammenschließt, wieder durch eine Auslassöffnung 37 des hinteren Abschlusselements 36 verlassen. Die Auslassöffnung 37 verläuft auf der Drehachse C.
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Um die Drehbarkeit des Rotors 2 gegenüber dem Stator 3 zu ermöglichen, ist jeweils an ungefähr einem Ende des Rotorjochs 20 in der Richtung der Drehachse C ein Lagerelement 11 angeordnet, welches in der Umdrehungsrichtung D geschlossen umlaufend ausgebildet ist. Das Lagerelement 11 kann jeweils als Gleitlager 11 oder als Wälzlager 11 ausgebildet sein, wobei ein rein keramisches Wälzlager 11 aufgrund seiner Langlebigkeit bevorzugt wird. In jedem Fall setzt sich der Zwischenraum 12 durch die beiden Lagerelemente 11 hindurch fort, da die Lagerelemente 11 ausreichend durchlässig für den Strom 50 des Meerwassers 5 sind, um die im Folgenden näher erläuterten Vorteile zu erzielen.
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Erfindungsgemäß wird somit auf eine absolut fluiddichte Abdichtung sowie Ölfüllung des Zwischenraums 12 gezielt verzichtet, wie dies bisher bei Generatoren 1 zur Erzeugung elektrischer Energie für ein Wasserfahrzeug üblich ist. Vielmehr wird erfindungsgemäß ganz bewusst ein Strom 50 von Meerwasser 5 durch den Zwischenraum 12 hindurchgeführt, so dass auf dynamische Dichtungen verzichtet werden kann. Dies vermeidet die entsprechenden Kosten sowie mögliche Leckagen der dynamischen Dichtungen. Ferner kann hierdurch ein möglichst wartungs- und verschleißfreier Generator 1 mit reduzierter Komplexität geschaffen werden. Gleichzeitig können mechanische Verluste aufgrund von Reib- und Rührarbeit bei der Übertragung des Drehmoments des Propellers 24 auf die Generatorbaugruppe zur Wandlung in elektrische Energie reduziert werden, weil Wasser eine deutlich geringere Viskosität als z.B. Öl aufweisen kann.
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Die Umsetzung dieser Eigenschaften und Vorteile kann im Wesentlichen zum einen dadurch erreicht werden, dass die Permanentmagnete 21 sowie die Wicklungen 30 nicht durch eine dynamische Abdichtung des Zwischenraums 12 vor dem Meerwasser 5 geschützt werden müssen. Dies erfolgt in dem vorliegenden ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass die Permanentmagnete 21 zwar in einem direkten Kontakt mit dem Strom 50 des Meerwassers 5 stehen, jedoch durch eine meerwasserbeständige Beschichtung vor Korrosion geschützt sind. Die Wicklungen 30 werden durch das statorseitige Schutzrohr 33 sowie dessen seitliche Abschlusselemente 35 vor einem Kontakt mit dem Strom 50 des Meerwassers 5 geschützt. Auf diese Art und Weise kann erfindungsgemäß auf die absolut fluiddichte Abdichtung des Zwischenraums 12 sowie Ölfüllung vollkommen verzichtet werden. Gleichzeitig kann der Strom 50 des Meerwassers 5 zur Kühlung des Rotors 2 und des Stators 3 genutzt werden.
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Zum anderen kann die Umsetzung dieser Eigenschaften und Vorteile dadurch erreicht werden, dass Lagerelemente 11 verwendet werden, welche problemlos dem Strom 50 des Meerwassers 5 ausgesetzt werden können. Gleichzeitig kann der Strom 50 des Meerwassers 5 zur Schmierung der Bauteile der Lagerelemente 11 verwendet werden. Auf diese Art und Weise kann erfindungsgemäß auch an dieser Stelle auf die absolut fluiddichte Abdichtung des Zwischenraums 12 durch eine dynamische Dichtung sowie auf eine Ölfüllung vollkommen verzichtet werden.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines Längsschnitts durch einen erfindungsgemäßen Generator 1 zur Erzeugung elektrischer Energie für ein Wasserfahrzeug gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels in einer Vergrößerung vergleichbar der 3. 6 zeigt eine Vergrößerung eines Ausschnitts der 5 vergleichbar der 4.
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Der Generator 1 gemäß des zweiten Ausführungsbeispiels unterscheidet sich lediglich dadurch von dem Generator 1 gemäß des ersten Ausführungsbeispiels, dass in diesem Fall ebenfalls die Permanentmagnete 21 radial außenseitig von einem rotorseitigen Schutzelement 22 in Form eines zylindrischen magnetisch schlecht leitfähigem rotorseitigen Schutzrohrs 22 aus Blech umgeben werden. Ferner weisen auch die beiden Enden des rotorseitigen Schutzrohrs 22 in der Richtung der Drehachse C jeweils ein seitliches Abschlusselement 23 in Form einer Vergussmasse auf. Auch hierbei kann beim Vergießen mittels jeweils einer rotorseitigen statischen Dichtung 27 in Form eines rotorseitigen Dichtrings 27 als O-Ring-Dichtung 27 die Vergussmasse gezielt begrenzt werden. Ferner ist auch bei den Permanentmagneten 21 der gesamte Zwischenraum hinter dem rotorseitigen Schutzelement 22 mit der Vergussmasse ausgefüllt. Auch hierfür werden Epoxidharz oder Polyurethan verwendet.
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Somit werden gemäß des zweiten Ausführungsbeispiels sowohl die Permanentmagnete 21 als auch die Wicklungen 30 durch jeweils ein zylindrisches Schutzrohr 22, 33 sowie dessen Abschlusselemente 23, 35 fluiddicht vor dem Strom 50 des Meerwassers 5 geschützt.
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BEZUGSZEICHENLISTE (Teil der Beschreibung)
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- A
- Bewegung des Wasserfahrzeugs 4
- B
- Bewegung des (Meer-)Wassers 5 zum Propeller 24 hin
- C
- Drehachse des Rotors 2
- D
- Umdrehungsrichtung des Rotors 2
- R
- radiale Richtung
- 1
- Generator zur Erzeugung elektrischer Energie für ein Wasserfahrzeug
- 10
- Gehäuse
- 11
- Lagerelemente; Gleitlager; Wälzlager
- 12
- Zwischenraum
- 13
- Spalt
- 14
- Befestigungselement; Schaft
- 15
- rotatorisches Bewegungselement; Gelenk
- 16
- translatorisches Bewegungselement; Schiene
- 17
- elektrische Anschlusskabel
- 2
- Rotor
- 20
- Rotorjoch; Magnetjoch
- 21
- Permanentmagnet
- 22
- rotorseitiges Schutzelement; rotorseitiges Schutzrohr
- 23
- seitliche Abschlusselemente des rotorseitigen Schutzelements 22
- 24
- Propeller
- 25
- Propellerbefestigung; Schraube
- 26
- Einlassöffnung
- 27
- rotorseitige statische Dichtung; rotorseitiger Dichtring; rotorseitige O-Ring-Dichtung
- 3
- Stator
- 30
- Wicklungen
- 31
- Wicklungsköpfe
- 32
- Blechpakete
- 33
- statorseitiges Schutzelement; statorseitiges Schutzrohr
- 34
- statorseitige statische Dichtung; statorseitiger Dichtring; statorseitige O-Ring-Dichtung
- 35
- seitliche Abschlusselemente des statorseitigen Schutzelements 33
- 36
- hinteres Abschlusselement
- 37
- Auslassöffnung
- 4
- Wasserfahrzeug; Segelschiff
- 40
- Rumpf
- 41
- Heck; (Heck-)Spiegel
- 5
- (Meer-)Wasser
- 50
- Strom des (Meer-)Wassers 5 durch Generator 1 hindurch
