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Die Erfindung betrifft eine Propellergondel mit einem Elektromotor und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Propellergondel.
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Eine Propellergondel, die auch als Pod-Antrieb bezeichnet wird, muss gute strömungsmechanische Eigenschaften aufweisen. Eine Propellergondel, die einen Elektromotor aufweist, muss ferner eine gute Wärmeabfuhr aufweisen, um eine Beeinträchtigung des Wirkungsgrades des Elektromotors durch eine übermäßige Erwärmung zu verhindern. Zur Kühlung einer Propellergondel wird beispielsweise das Fluid verwendet, welches die Propellergondel umströmt. Sowohl die strömungsmechanischen Eigenschaften als auch die Wärmeabfuhr können beispielsweise durch Wirbel beeinträchtigt werden, die im Grenzbereich zwischen einer Außenoberfläche der Propellergondel und dem sie umgebenden Fluid entstehen. Um eine Wirbelbildung zu reduzieren, muss die Gestaltung der Außenoberfläche der Propellergondel eine möglichst laminare Strömung des Fluids ermöglichen.
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Bei der Herstellung einer Propellergondel mit einem Elektromotor wird der Stator des Elektromotors in der Regel in ein Gehäuse geschrumpft. Bei diesem Einschrumpfen bilden sich Bereiche der Propellergondel mit voneinander verschiedenen Wärmeübergangswiderständen. Insbesondere können dabei Bereiche des Stators entstehen, die schlecht entwärmt werden und dadurch den Wirkungsgrad des Elektromotors beeinträchtigen und/oder zu einer beschleunigten Alterung elektrischer Isolierungen führen können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Propellergondel mit einem Elektromotor anzugeben, die insbesondere hinsichtlich der Kühlung des Elektromotors verbessert ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Propellergondel mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Propellergondel mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine erfindungsgemäße Propellergondel umfasst einen Elektromotor mit einem Stator und einem durch den Stator verlaufenden Rotor und wenigstens einen durch den Elektromotor antreibbaren Propeller. Der Stator weist ein um eine Statorachse des Stators herum verlaufendes Statorblechpaket auf, dessen von dem Rotor abgewandte Statorblechpaketaußenoberfläche mit einer Einbettungsschicht beschichtet ist, die eine von dem Statorblechpaket abgewandte glatte Einbettungsoberfläche aufweist. Unter einer glatten Oberfläche wird hier eine Oberfläche mit einer vorgebbaren Maximalrauigkeit verstanden, beispielsweise mit einer Maximalrauigkeit im Mikrometerbereich.
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Die erfindungsgemäße Beschichtung der Statorblechpaketaußenoberfläche mit einer Einbettungsschicht ermöglicht eine Wärmeabfuhr von dem Statorblechpaket in die Einbettungsschicht. Wenn die Einbettungsoberfläche der Einbettungsschicht beispielsweise eine Außenoberfläche der Propellergondel ist oder in gutem thermischen Kontakt mit einer Außenoberfläche der Propellergondel steht, kann dadurch insbesondere eine Wärmeabfuhr von dem Statorblechpaket zu einem die Außenoberfläche der Propellergondel umgebenden Fluid verbessert werden, insbesondere gegenüber Propellergondeln, bei denen der Stator in ein Gehäuse eingeschrumpft oder das Gehäuse auf den Stator aufgeschrumpft wird und die Statorblechpaketaußenoberfläche zumindest bereichsweise nicht an dem Gehäuse anliegt.
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Dementsprechend sehen Ausgestaltungen der Erfindung vor, dass die Einbettungsoberfläche eine Außenoberfläche der Propellergondel bildet, oder dass die Einbettungsoberfläche mit einem Lack beschichtet ist und der Lack eine Außenoberfläche der Propellergondel bildet, oder dass die Propellergondel ein Gehäuse aufweist, das eine Innenoberfläche aufweist, an der die Einbettungsoberfläche anliegt.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist wenigstens eine Längsschnittkurve der Einbettungsoberfläche mit einer Längsschnittebene, in der die Statorachse verläuft, einen entlang wenigstens einem Abschnitt der Statorachse variierenden Abstand von der Statorachse auf. Ferner kann wenigstens eine Querschnittkurve der Einbettungsoberfläche mit einer zu der Statorachse orthogonalen Querschnittebene eine von einem Kreis abweichende geometrische Form, beispielsweise die geometrische Form einer Ellipse oder eines Kleeblatts oder eines Propellers, aufweisen. Diese Ausgestaltungen der Erfindung ermöglichen, durch die Form der Einbettungsoberfläche eine möglichst laminare Strömung eines die Propellergondel umgebenden Fluids entlang der Außenoberfläche der Propellergondel zu erreichen, wenn die Einbettungsoberfläche eine Außenoberfläche der Propellergondel ist oder zu einer Außenoberfläche der Propellergondel korrespondiert. Dadurch können vorteilhaft die Wärmeabfuhr von dem Stator zu dem Fluid verbessert und der Strömungswiderstand der Propellergondel reduziert werden. Ferner kann einer durch den Drall des Propellers verursachten Asymmetrie entgegengewirkt werden.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass sich die Einbettungsschicht über wenigstens ein Statorblechpaketende des Statorblechpakets hinaus erstreckt. Insbesondere kann der Stator eine Statorwicklung mit wenigstens einem von einem Statorblechpaketende des Statorblechpakets abstehenden Wickelkopf aufweisen, der mit der Einbettungsschicht beschichtet ist, wobei die Einbettungsschicht im Bereich des Wickelkopfes aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt ist. Dadurch kann mit der Einbettungsschicht eine Wärmeabfuhr auch aus an das Statorblechpaket angrenzenden Bereichen der Propellergondel, insbesondere aus Wickelköpfen einer Statorwicklung, verbessert werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Propellergondel wird die Einbettungsschicht mit einem 3D-Druck gefertigt. Unter einem 3D-Druck wird ein so genanntes additives Fertigungsverfahren verstanden, bei dem ein herzustellendes Objekt mit einem schichtweisen Materialaufbau erzeugt wird. Durch die Fertigung der Einbettungsschicht mit einem 3D-Druck kann vorteilhaft eine Einbettungsschicht fast beliebiger Gestalt erzeugt werden. Insbesondere können oben genannte thermisch und strömungsmechanisch günstige Ausgestaltungen der Einbettungsschicht und insbesondere deren Einbettungsoberfläche erzeugt werden.
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Beispielsweise wird die Einbettungsschicht wenigstens teilweise aus einem Metall oder aus einem Metall und/oder Kohlenstoff enthaltenden Material oder, insbesondere im Bereich eines Wickelkopfes, aus einem elektrisch isolierenden Material, vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Material mit einer guten Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise aus einem keramischen Material, gefertigt. Derartige Materialien ermöglichen die Herstellung einer Einbettungsschicht mit einer guten Wärmeleitfähigkeit und begünstigen daher die Wärmeabfuhr aus der Propellergondel.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass wenigstens zwei Bereiche der Einbettungsschicht aus voneinander verschiedenen Materialien gefertigt werden. Durch die Fertigung verschiedener Bereiche der Einbettungsschicht aus unterschiedlichen Materialien können die verwendeten Materialien unterschiedlichen Anforderungen an die Bereiche oder unterschiedlichen Belastungen, denen die Bereiche ausgesetzt sind, angepasst werden. Beispielsweise wird ein äußerer Bereich der Einbettungsschicht, von dem die Einbettungsoberfläche gebildet wird, aus einem anderem Material als ein innerer Bereich der Einbettungsschicht gefertigt und das Material, aus dem der äußere Bereich gefertigt wird, weist einen höheren Anteil von Kupfer pro Volumeneinheit auf als das Material, aus dem der innere Bereich gefertigt wird. Dies kann insbesondere sinnvoll sein, um die Anlagerung biologischen Materials an der Einbettungsoberfläche zu reduzieren, wenn die Einbettungsoberfläche der Einbettungsschicht eine Außenoberfläche der Propellergondel ist. Dazu eignen sich aufgrund der antibakteriellen Wirkung von Kupfer insbesondere Einbettungsschichten, deren äußerer Bereich Kupfer enthält.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass wenigstens ein sich an ein Statorblechpaketende des Statorblechpakets anschließender Endabschnitt der Propellergondel wenigstens teilweise mit einem 3D-Druck gefertigt wird. Dadurch kann insbesondere auch die Form wenigstens eines Endabschnitts der Propellergondel durch die Fertigung mit einem 3D-Druck optimiert werden.
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Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass wenigstens ein sich an ein Statorblechpaketende des Statorblechpakets anschließender Endabschnitt der Propellergondel separat gefertigt und an dem Statorblechpaket befestigt wird. Dadurch kann die Propellergondel insbesondere vorteilhaft modular aufgebaut und/oder durch Austausch eines Endabschnitts geänderten Anforderungen angepasst werden und/oder ein defekter Endabschnitt ersetzt werden.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen:
- 1 eine Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Propellergondel,
- 2 einen Ausschnitt einer Schnittdarstellung der in 1 gezeigten Propellergondel,
- 3 einen Ausschnitt einer Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Propellergondel,
- 4 einen Ausschnitt einer Schnittdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer Propellergondel,
- 5 Querschnittkurven einer Einbettungsoberfläche eines vierten Ausführungsbeispiels einer Propellergondel,
- 6 eine Längsschnittkurve der in 5 gezeigten Einbettungsoberfläche.
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Einander entsprechende Teile sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Propellergondel 1. Die Propellergondel 1 weist einen Elektromotor 3 und einen durch den Elektromotor 3 antreibbaren Propeller 5 auf.
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Der Elektromotor 3 weist einen Stator 7 und einen Rotor 9 auf. Der Stator 7 weist ein Statorblechpaket 11 auf, das ringförmig um eine Statorachse 13 verläuft. Ferner weist der Stator 7 eine Statorwicklung auf, die durch Nuten in dem Statorblechpaket 11 verläuft und zwei Wickelköpfe 15 aufweist, die jeweils von einem Statorblechpaketende des Statorblechpakets 11 abstehen.
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Der Rotor 9 verläuft durch den Stator 7 und ringförmig um eine Welle 17, die sich entlang der Statorachse 13 zu dem Propeller 5 erstreckt. Die Welle 17 ist drehfest mit dem Rotor 9 und dem Propeller 5 verbunden und in Lagern 19 gelagert.
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Der Elektromotor 3 ist in einem Mittelabschnitt 21 der Propellergondel 1 angeordnet. Der Mittelabschnitt 21 ist zwischen zwei Endabschnitten 23, 25 der Propellergondel 1 angeordnet, wobei ein erster Endabschnitten 23 eine abgerundete Außenoberfläche aufweist und der zweite Endabschnitt 25 den Propeller 5 aufweist.
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Eine von dem Rotor 7 abgewandte Statorblechpaketaußenoberfläche 27 und die Wickelköpfe 15 sind mit einer Einbettungsschicht 29 beschichtet, die eine von dem Statorblechpaket 11 abgewandte glatte Einbettungsoberfläche 31 aufweist, welche eine Außeroberfläche des Mittelabschnitts 21 der Propellergondel 1 bildet.
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2 zeigt eine Schnittdarstellung der in 1 gezeigten Propellergondel 1 in einem Bereich der Statorblechpaketaußenoberfläche 27. Das Statorblechpaket 11 ist aus Statorblechen 33 gefertigt, die als dünne, sich entlang zu der Statorachse 13 orthogonalen Ebenen erstreckende Scheiben ausgebildet sind und deren von der Statorachse 13 abgewandte Endbereiche aufgrund von Fertigungstoleranzen voneinander verschiedene Abstände von der Statorachse 13 aufweisen, so dass die Statorblechpaketaußenoberfläche 27 Unebenheiten aufweist. Die Einbettungsschicht 29 gleicht diese Unebenheiten aus und ermöglicht somit eine gute Wärmeabfuhr von dem Statorblechpaket 11 und den Wickelköpfen 15 zu einem die Propellergondel 1 umgebenden Fluid.
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3 zeigt eine Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Propellergondel 1 in einem Bereich der Statorblechpaketaußenoberfläche 27. Die Propellergondel 1 unterscheidet sich von der in den 1 und 2 gezeigten Propellergondel 1 im Wesentlichen lediglich dadurch, dass die Einbettungsoberfläche 31 der Einbettungsschicht 29 mit einem Lack 35 beschichtet ist und die Einbettungsschicht 29 eine geringere Dicke als bei dem in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel aufweist.
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4 zeigt eine Schnittdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer Propellergondel 1 in einem Bereich der Statorblechpaketaußenoberfläche 27 und eines Wickelkopfes 15. Die Propellergondel 1 unterscheidet sich von der in den 1 und 2 gezeigten Propellergondel 1 im Wesentlichen lediglich dadurch, dass die Propellergondel 1 ein Gehäuse 37 mit einer Innenoberfläche 39, an der die Einbettungsoberfläche 31 der Einbettungsschicht 29 anliegt, aufweist, und dass die Einbettungsschicht 29 eine geringere Dicke als bei dem in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel aufweist. Bei der Herstellung der Propellergondel 1 wird das Gehäuse 37 auf die Einbettungsoberfläche 31 aufgeschrumpft.
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Die 5 und 6 zeigen eine Einbettungsoberfläche 31 eines vierten Ausführungsbeispiels einer Propellergondel 1. Die Propellergondel 1 unterscheidet sich von der in den 1 und 2 gezeigten Propellergondel 1 im Wesentlichen lediglich dadurch, dass die Einbettungsschicht 29 eine Einbettungsoberfläche 31 aufweist, die als Ellipsen ausgebildete Querschnittkurven 41 mit zu der Statorachse 13 orthogonalen Querschnittebenen aufweist, wobei die Winkel der Hauptachsen der Ellipsen mit einer festen Richtung entlang einem Abschnitt der Statorachse 13 variieren, so dass einander benachbarte Brennpunkte der Ellipsen entlang des Abschnitts der Statorachse 13 eine helixartige Kurve bilden. 5 zeigt verschiedene elliptische Querschnittkurven 41 und eine kreisförmige Querschnittkurve 41, die die Einbettungsoberfläche 31 beispielsweise an einem ihrer Enden aufweist. 6 zeigt eine Längsschnittkurve 43 der Einbettungsoberfläche 31 mit einer Längsschnittebene, in der die Statorachse 13 verläuft. In zu den 5 und 6 alternativen Ausführungsbeispielen kann die Einbettungsoberfläche 31 von Ellipsen verschiedene Querschnittkurven 41 aufweisen, beispielsweise Querschnittkurven 41 mit der geometrischen Form eines Kleeblatts oder eines Propellers. Ferner kann die Einbettungsoberfläche 31 analog zu dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel mit einem Lack 35 beschichtet sein oder analog zu dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel von einem Gehäuse 37 umgeben sein.
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In allen anhand der 1 bis 6 gezeigten Ausführungsbeispiele wird die Einbettungsschicht 29 bei der Herstellung der Propellergondel 1 mit einem 3D-Druck gefertigt. Beispielsweise wird die Einbettungsschicht 29 wenigstens teilweise aus einem Metall, z.B. aus Aluminium, Eisen oder Kupfer, oder aus einem Metall und/oder Kohlenstoff enthaltenden Material gefertigt. Ferner können zwei oder mehr axial oder/und radial (bezogen auf die Statorachse 13) verlaufende Bereiche der Einbettungsschicht 29 aus voneinander verschiedenen Materialien gefertigt werden. Insbesondere kann ein äußerer Bereich der Einbettungsschicht 29, von dem die Einbettungsoberfläche 31 gebildet wird, aus einem anderem Material als ein innerer Bereich der Einbettungsschicht 29 gefertigt werden und das Material, aus dem der äußere Bereich gefertigt wird, kann einen höheren Anteil von Kupfer pro Volumeneinheit aufweisen als das Material, aus dem der innere Bereich gefertigt wird. Ferner wird die Einbettungsschicht 29 im Bereich der Wickelköpfe 15 vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Material mit einer guten Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise aus einem keramischen Material, gefertigt, um Kurzschlüsse und Teilentladungen zu vermeiden. Des Weiteren kann wenigstens ein Endabschnitt 23, 25 der Propellergondel 1 zumindest teilweise mit einem 3D-Druck gefertigt sein, insbesondere in einem Bereich des Endabschnitts 23, 25, der an den Mittelabschnitt 21 grenzt. Ferner können die Endabschnitte 23, 25 separat gefertigt und an dem Statorblechpaket 11 befestigt werden.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
