-
Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung für eine schwimmende Einrichtung, wie insbesondere ein Schiff oder eine Bohrinsel, aufweisend eine Gondel mit einem Gondelgehäuse, einen im Gondelgehäuse angeordneten Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor, welcher koaxial zu einer Rotationsachse des Elektromotors angeordnet ist, und einen Gondelschaft (Schaft), über welchen das Gondelgehäuse drehbar zum Beispiel mit einem Schiffsrumpf verbindbar ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Schiff mit einer derartigen Antriebseinrichtung. Eine derartige Antriebseinrichtung kann auch als ein Gondelantrieb oder POD oder als Azimut-Antriebseinrichtung bezeichnet werden.
-
Ein derartiger elektrischer Gondelantrieb kommt beispielsweise als Antriebseinheit bei einem Schiff oder allgemein bei einem Wasserfahrzeug, also einer schwimmenden Einrichtung, zum Einsatz, wobei sich der Gondelantrieb im Allgemeinen außerhalb des Schiffsrumpfes und unterhalb des Wasserspiegels, insbesondere im Meerwasser, befindet und einen Propeller antreibt. Derartige Gondelantriebe sind, wie angemerkt, auch unter der Bezeichnung POD-Antriebe bekannt und weisen üblicherweise eine elektrische Leistung im Megawattbereich, insbesondere von mehr als 5 MW auf. Dabei ist bei einem solchen elektrischen Gondelantrieb die Verlustwärme der elektrischen Maschine in geeigneter Form abzuführen, um die Maschine während des Betriebs auf einem konstanten und akzeptablen Temperaturniveau zu halten. Abhängig von der Größe des Wasserfahrzeuges bzw. der schwimmenden Einrichtung und dem Verwendungszweck des Gondelantriebes können auch elektrische Leistungen kleiner 5 MW zum Einsatz kommen.
-
Aus der
EP 2 824 806 A1 ist eine Antriebseinrichtung für ein Schiff bekannt, welche eine Antriebsgondel aufweist. Die Antriebsgondel ist über einen Schaft mit dem Rumpf des Schiffes verbunden. In der Antriebsgondel befindet sich ein Antriebsmotor, welcher über eine Kühleinrichtung im Schaft kühlbar ist.
-
Aus der
EP 2 824 028 B1 ist eine Antriebseinheit eines Schiffes, insbesondere eine Azimut-Antriebseinheit eines Schiffes bekannt. Die Antriebseinheit weist eine Schalenstruktur, die unterhalb eines Rumpfes des Schiffes angeordnet ist, auf. Ein Elektromotor ist zum Drehen einer Propellerachse vorgesehen. Die Schalenstruktur weist einen Stützabschnitt auf, der ein unteres Ende, welches mit einem Motorgehäuseabschnitt der Schalenstruktur direkt verbunden ist, und ein oberes Ende, das mit dem Rumpf des Schiffes verbunden ist, auf. Wenigstens ein stützendes Metallblech ist zwischen dem Stützabschnitt der Schalenstruktur und einer zylindrischen äußeren Fläche des zylindrischen Abschnitts des Motorgehäuseabschnitts vorgesehen. Wenn Wasser die Schalenstruktur umgibt, ist sowohl eine erste Seitenfläche als auch eine zweite Seitenfläche des wenigstens eines stützenden Metallblechs mit Wasser in Kontakt.
-
Aus der
EP 0 590 867 A1 ist eine Antriebseinheit für ein Schiff bekannt, wobei die Antriebseinheit eine Gondel mit einem Elektromotor aufweist, welche über einen Schaft drehbar an einem Schiffsrumpf befestigt ist. Zur Kühlung des Elektromotors sind im Schaft angeordnete Kühlleitungen vorgesehen, welche sich bis ins Innere des Schiffsrumpfs erstrecken, wo ein Wärmetauscher zur Rückkühlung des in den Kühlleitungen befindlichen Kühlmediums vorgesehen ist. Im Schiffsrumpf sind separate Kühlmodule, bestehend aus Fremdlüftern und Luft- / Wasserkühlern, neben der Verstelleinheit bzw. dem Azimutmodul angeordnet, wobei die Kühlluft über die Kühlleitungen im Verbindungsschaft zum Antriebsmotor geleitet wird.
-
Für fremderregte Synchronmaschinen und Asynchronmaschinen fallen, insbesondere auch am Rotor, Verluste an. Bei permanentmagnetisch erregten Synchronmaschinen werden die Magnete bei steigender Temperatur zunehmend entmagnetisiert. Der Rotor erhält seine Wärme aus der Umgebung, besonders dem Stator (zum Beispiel durch: Strahlung, Wärmeleitung, Konvektion, etc.). Der Rotor wird auch durch Reibung an Luft bzw. Lagern erhitzt, und ist nicht zuletzt magnetischen Wechselfeldern von der Ständerwicklung ausgesetzt, welche AC-Verluste im Rotor zur Folge haben. Für jeden der genannten Maschinentypen ist die Rotortemperatur zu begrenzen.
-
Je besser die Kühlung des Rotors bzw. des Stators ist, desto kleiner kann die elektrische Maschine (der elektrische Motor) zum Antrieb des Propellers ausgeführt werden. In der Konsequenz einer Gesamtbetrachtung elektrischen Maschine kann es sich zum Beispiel ergeben, dass die Baugröße des elektrischen Motors von der Rotortemperatur mit bestimmt wird. D.h., die Maschine könnte verkleinert werden, wenn zum Beispiel der Rotor bzw. der Stator besser gekühlt werden würde. Aus einer Verkleinerung ergäben sich Vorteile, besonders wenn der Durchmesser reduziert werden kann, da dadurch der hydrodynamische Querschnitt und damit der Wirkungsgrad des Antriebs verbessert werden kann. Eine verbesserte Kühlung des Stators führt dazu, dass auch der Rotor sich nicht so stark erwärmt.
-
Eine Aufgabe der Erfindung ist es eine verbesserte Antriebseinrichtung anzugeben, insbesondere einen verbesserten Gondelantrieb, für ein Schiff bereitzustellen.
-
Eine Lösung der Aufgabe gelingt einer Antriebseinrichtung nach Anspruch 1. Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich beispielsweise gemäß der Ansprüche 2 bis 8.
-
Bei einer Antriebseinrichtung für eine schwimmende Einrichtung, welche ein Gondelgehäuse und einen Schaft aufweist, wobei das Gondelgehäuse mittels des Schaftes an einem Rumpf des Schiffes befestigbar ist, wobei das Gondelgehäuse zur Aufnahme eines elektrischen Motors vorgesehen ist, wobei der elektrische Motor zum Antrieb eines Propellers vorgesehen ist, wobei die Antriebseinrichtung eine erste Tragstruktur und eine zweite Tragstruktur aufweist, wobei das Gondelgehäuse ein spiralgeschweißtes Rohr aufweist. Die Antriebseinrichtung, insbesondere ein POD-Antrieb, ist mit dem spiralgeschweißtem Rohr, welches insbesondere ein Stahlrohr ist, steif und/oder kompakt ausführbar. Dies trifft insbesondere auch auf eine Antriebseinrichtung zu welche ein Kontogehäuse (Gehäuse) aufweist, das mit einer freien Schaftanbindung ausgeführt ist. Durch die freie Schaftanbindung ist es möglich den Gehäuseteil, welche den Bereich des Stators des elektrischen Motors (der elektrischen Maschine) abdeckt im Betrieb vollständig von Wasser (See Wasser (Salzwasser), Fluss Wasser (Süßwasser), etc.) umgeben zu lassen. Dadurch ist eine gute Kühlung des elektrischen Motors möglich.
-
In einer Ausgestaltung der Antriebseinrichtung wird für das Gondelgehäuse (Gehäuse) ein gewalztes Blech verwendet, aus welchem ein gerolltes und spiralgeschweißtes Rohr gefertigt wird. Damit kann sich eine hohe Steifigkeit des Gehäuses ergeben. Es ist damit auch möglich Lunker weitgehend auszuschließen. Lunker müssen detektiert und geschlossen werden. Durch die Verwendung des spiralgeschweißten Rohres für das Gondelgehäuse kann dessen Dichtigkeit auch einfacher erzielt werden. Das Gondelgehäuse muss frei von Undichtigkeiten sein. Durch die Verwendung des spiralgeschweißten Rohres ist es möglich die Gondel bzw. das Gondelgehäuse leicht und/oder kompakt und/oder hydrodynamisch einen guten Schlankheitsgrad aufweisend auszuführen. Dies steht in Verbindung zu einer hohen Steifigkeit und Formstabilität der zusammenwirkenden Einzelkomponenten. Dies betrifft insbesondere ein Zusammenwirken des Gondelgehäuses mit dem Stator des elektrischen Motors (der elektrischen Maschine).
-
Durch die Verwendung des spiralgespeisten Rohres ist es möglich die Wandstärke des Gehäuses im Gegensatz zu einem gegossenen Gehäuse zu reduzieren. Ein damit verbundener Vorteil kann es sein die Masse, also das Gewicht, des Gehäuses reduzieren zu können. Ein weitere damit verbundener Vorteil kann es sein durch die geringere Wandstärke den Strömungsquerschnitt der Antriebseinrichtung zu reduzieren was zur Energieeffizienz der Antriebseinrichtung beiträgt.
-
In einer Ausgestaltung der Antriebseinrichtung werden Kühlkanäle im Übergangsbereich zwischen Gondel (Gondelgehäuse/Motorgehäuse) und Schaft vorgesehen. In einer weiteren Ausgestaltung der Antriebseinrichtung werden Kühlkanäle im Bereich der Tragstrukturen vorgesehen. Dadurch lassen sich beispielsweise die hydrodynamischen Eigenschaften der Antriebseinrichtung verbessern bzw. die zur Kühlung vorgesehenen Flächen erweitern.
-
In einer Ausgestaltung der Antriebseinrichtung wird für den Schaft und/oder für zumindest eine Tragstruktur ein Spiral geschweißt Rohr als Basiselement verwendet, wobei dieses Basiselement vor der Verwendung als zumindest ein Teil des Schaftes oder zumindest einer Tragstruktur von einem kreisförmigen Querschnitt in einen tropfenartigen und/oder ellipsenartigen Querschnitt gebracht wird.
-
Durch die Verwendung eines spiralgeschweißten Rohres ist es nicht notwendig Stahlbleche, welche zu Kreissegmenten gebogen sind zu einem Zylinder zusammen zu schweißen um ein zylinderartiges Gehäuse zur Aufnahme der elektrischen Maschine auszubilden.
-
In einer Ausgestaltung der Antriebseinrichtung befindet sich die erste Tragstruktur im Bereich eines ersten Lagerschildes des elektrischen Motors und die zweite Tragstruktur im Bereich eines zweiten Lagerschildes des elektrischen Motors. Die erste Tragstruktur ist im Bereich des ersten Lageschildes mit dem Gondelgehäuse verbunden. Die zweite Tragstruktur ist im Bereich des zweiten Lagerschildes mit dem Gondelgehäuse verbunden. Die Verbindung gelingt beispielsweise über Endabschnitte des Gondelgehäuses, wobei die Endabschnitte jeweils stirnseitig an dem spiralgeschweißten Rohr angrenzen.
-
In einer Ausgestaltung der Antriebseinrichtung erfolgt eine ausschließliche Verbindung der Motor POD-Einheit, also des Gondelgehäuses mit elektrischem Motor, mit dem Schaft über die Lagerschilde der elektrischen Maschine. Damit gibt es keine Verbindung zwischen dem POD-Gehäuse (also im Gondelgehäuse) und dem Schaft. Infolgedessen kann das Seewasser das Gehäuse in seinem gesamten Umfang umströmen und den Motor optimal kühlen. Der Übergangsbereich zwischen Gondel und Schaft liegt also im Bereich der Lagerschilde. In diesem Bereich sind dann keine Durchbrüche für Kühlkanäle erforderlich, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist.
-
In einer Ausgestaltung der Antriebseinrichtung ist die erste Tragstruktur mit dem ersten Lagerschild des elektrischen Motors verbunden und die zweite Tragstruktur ist mit dem zweiten Lagerschild des elektrischen Motors verbunden. Die jeweilige Verbindung kann unmittelbar oder mittelbar sein. Das Lagerschild ist beispielsweise unmittelbar mit dem Stator des elektrischen Motors verbunden. Der Stator des elektrischen Motors ist insbesondere unmittelbar mit dem Gondelgehäuse verbunden bzw. in dieses eingeschrumpft. So kann eine kompakte Bauweise erzielt werden.
-
In einer Ausgestaltung der Antriebseinrichtung ist der Stator des elektrischen Motors in das spiralgeschweißte Rohr eingeschrumpft. So ergibt sich eine große Kontaktoberfläche zwischen dem Stator und dem Gondelgehäuse. Dies dient einer guten Kühlung und damit einer verbesserten Auslastung des elektrischen Motors, was für einen verkleinerten Durchmesser des elektrischen Motors bzw. dann auch des Gondelgehäuses genutzt werden kann. Die Wärmeabfuhr des Stators geschieht also insbesondere über die Oberfläche des Gehäuses durch Konvektion. Das Statorblechpaket ist z.B. in ein Gehäuse eingeschrumpft, wodurch ein guter Wärmeübergang gewährleistet wird. Hierfür weist das Gehäuse eine ausreichend gute Wärmeleitfähigkeit auf. Da das Maschinengehäuse (das Gondelgehäuse) im Wasser (in der Seeschifffahrt im salzigen Meerwasser) betrieben wird, ist ebenfalls eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit erforderlich. Dies kann beispielsweise durch eine Lackierung und/oder durch einen bestimmten Stahl erreicht werden.
-
In einer Ausgestaltung der Antriebseinrichtung ist das spiralgeschweißte Rohr ein spiralgeschweißtes Rohr aus Edelstahl. Durch die Verwendung von Edelstahl kann Rost vermieden oder reduziert werden.
-
In einer Ausgestaltung der Antriebseinrichtung bilden das Statorpaket des elektrischen Motors und das Gondelgehäuse eine sich gegenseitig versteifende Einheit. Dadurch kann erreicht werden, dass auf jegliche Versteifungsmaßnahmen an den Motoraktivteilen verzichtet werden kann, diese also entfallen. Durch die sich gegenseitig versteifende Einheit von Statorblechpaket (Statorpaket) und Gondelgehäuse (aus einem spiralgeschweißten Rohr) ist es möglich, die Jochhöhe des Statorpaketes im Vergleich zu Standardlösungen bei PODs zu reduzieren. Auch eine Reduzierung der Wandstärke des Gondelgehäuses ist möglich. Auch ist es möglich durch derartige Maßnahmen die Masse der Antriebseinrichtung zu reduzieren. Durch die reduzierte Jochhöhe und die reduzierte Wandstärke des Gehäuserohres wird die Motorkühlung verbessert.
-
In einer Ausgestaltung der Antriebseinrichtung ist zwischen der ersten Tragstruktur und der zweiten Tragstuktur das spiralgeschweißte Rohr. Dies ermöglicht eine einfache Bauweise.
-
In einer Ausgestaltung der Antriebseinrichtung weist diese zusätzliche Versteifungen am Statorpaket auf, um die Antriebseinrichtung eisfähig zu machen. Die zusätzlichen Versteifungen sorgen für Stabilität und vermeiden Verformungen, was insbesondere bei Kontakt mit Eisschollen in arktischen Gewässern notwendig ist. Das kann zwar den Stator in der Länge, im Durchmesser und/oder dessen Masse vergrößern dient aber der Sicherheit in arktischen Gewässern.
-
In einer Ausgestaltung der Antriebseinrichtung ist die nach Außen gerichtete Zylinderfläche des spiralgeschweißten Rohres in Gänze von Wasser umgebbar. Dies schließt Ausführungsformen nicht aus, bei welchen das Rohr lackiert und/oder beschichtet ist. Dadurch dass das Rohr in Gänze von Wasser umgeben ist ergibt sich auch ein gutes Strömungsverhalten im Betrieb der Antriebseinrichtung.
-
In einer Ausgestaltung der Antriebseinrichtung ist zumindest eine der Tragstrukturen zur Aufnahme der Last des elektrischen Motors über eine Schraubverbindung vorgesehen. Durch die Verwendung einer Schraubverbindung sind beispielsweise Wartungsarbeiten in einem Trockendock während der Betriebsjahre eines Schiffes leicht ausführbar, da Schraubverbindungen leicht und zerstörungsfrei zu lösen sind, was für Schweißverbindungen nicht zutrifft.
-
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele exemplarisch näher beschrieben und erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen Gleichartiges bezeichnen können. Es zeigen:
- 1 ein Schiff,
- 2 eine Antriebseinrichtung,
- 3 eine Antriebseinrichtung in einer Schnittdarstellung und
- 4 ein spiralgeschweißtes Rohr.
-
Die Darstellung nach 1 zeigt ein Schiff 15, welches eine Antriebseinrichtung 1 aufweist. Die Antriebseinrichtung 1 ist an einem Rumpf 21 des Schiffes 15 befestigt. Die Antriebseinrichtung 1 ist ein POD und weist einen Schaft 4 auf, welcher ein Gondelgehäuse 3 trägt bzw. an welchem das Gondelgehäuse 3 hängt. In dem Gondelgehäuse 3 befindet sich ein elektrischer Motor 22 zum Antrieb eines Propellers 7. Sogenannte POD-Antriebe (Gondelantriebe) sind also über den Schaft 4 und gegebenenfalls über weitere Elemente mit dem Schiff 15 verbunden. Eine direkte Verbindung des Schaftes 4 mit dem Motorgehäuse 3 würde eine vollständige Umströmung des Motorgehäuses mit Seewasser zur Kühlung des Motors 22 verhindern. Deshalb wird in einer Ausgestaltung die Verbindung zwischen Motorgehäuse 3 (Gondelgehäuse) und Schaft 4 nicht vollflächig ausgebildet. Die Anbindung kann beispielsweise auch durch Kanäle und/oder Durchbrüche unterbrochen sein, wobei durch die Kanäle und/oder Durchbrüche das Seewasser an das Motorgehäuse gelangen kann.
-
Die Darstellung nach 2 zeigt eine Antriebseinrichtung 1 mit einem Schaft 4. Der Schaft 4 ist mit einer ersten Tragstruktur 16 und mit einer zweiten Tragstruktur 17 verbunden. Diese Verbindung gelingt beispielsweise mittels Schraubenverbindungen 12, wobei nicht die Schrauben selbst, sondern lediglich der Ort der Verbindung dargestellt ist. Die erste Tragstruktur 16 ist mit einem ersten Lagerschild 13 verbunden. Die zweite Tragstruktur 17 ist mit einem zweiten Lagerschild 14 verbunden. Zwischen dem ersten Lagerschild 13 und dem zweiten Lagerschild 14 befindet sich ein spiralgeschweißtes Rohr 10 welches zumindest einen Teil des Gondelgehäuses 3 ergibt. Dieses Teil des Gondelgehäuses 3, also das spiralgeschweißte Rohr, kann in seinem vollen äußeren Umfang, also über die ganze äußere Mantelfläche, von Wasser umströmt sein. Das spiralgeschweißte Rohr 10 kann Beschichtungen bzw. Lack bzw. Farbe aufweisen. Dies dient insbesondere dem Korrosionsschutz und/oder dem Antifouling. In der Kombination der beiden Maßnahmen Schaftanbindung über die Lagerschilde 13, 14 und die Verwendung eines Stahlrohres 10 als Gehäuse 3 kann folgendes erreicht werden:
- • Der elektrische Motor kann im 360° Umfang umspült werden,
- • die Motorkühlung wird verbessert und/oder
- • die Stator-Gehäuse-Einheit weist eine höhere Steifigkeit auf.
-
Die hohe Steifigkeit des Rohres 10 reduziert insbesondere die Motorlänge, den Durchmesser und damit die Masse und die Kosten. Durch die hohe Festigkeit und Steifigkeit des Rohes als Gehäuse kann die Rohrwandstärke und die Jochhöhe des Stators reduziert werde. Beides trägt zu einer verbesserten Motorentwärmung bei. Die schlankere Bauform trägt zur Verbesserung des hydrodynamischen Wirkungsgrades bei.
-
Das Gehäuse 3 aus einem Rohr, welches spiralgeschweißt ist, ist also aus einem Blech entstanden und kann damit auch als Blechgehäuse bezeichnet werden. Das Blechgehäuse ist kostengünstiger als ein Gussgehäuse. Die Verwendung von gerolltem und längs spiralgeschweißt Blech garantiert hohe Dichtigkeit durch Lunkerfreiheit (im Vergleich zu Gussgehäuse) für das Gehäuse.
-
Durch die ausschließliche Anbindung des POD-Schaftes über die Lagerschilde ergibt sich keine Notwendigkeit der Verbindung zwischen dem Schaft 4 und dem POD-Gehäuse 3 bzw. dem Rohr (Stahlrohr) 10, wodurch der Raum um das Gehäuse vollständig mit Wasser umgeben sein kann. Eine frühzeitige Verbindung von Stator und Gehäuse zu einer sich gegenseitig versteifenden Einheit wird durch das einfache und rotationssymmetrische Rohrgehäuse ermöglicht. Nachfolgende Fertigungsschritte werden dadurch nicht behindert.
-
Die Darstellung nach 3 zeigt die Antriebseinrichtung 1 gemäß 2 in einer Schnittdarstellung. Neben den in 2 dargestellten Elementen ist auch der elektrische Motor 6 gezeigt, welcher in der Darstellung lediglich durch den Stator repräsentiert ist. Durch einen Kreisbogensegment 18 ist gezeigt, dass das Motor Aktivteil, also der Motor 6, umlaufend, also über die ganzen 360°, gekühlt ist. Ferner ist durch einen Pfeil 19 gezeigt, dass eine Kühlung über die gesamte Länge des Rohres, in welchem sich der Motor befindet, gegeben ist.
-
Die Darstellung nach 4 zeigt ein spiralgeschweißtes Rohr 10 mit einer Schweißnaht 21. Das Rohr 10 weist für dessen Montage Halterungen 19 und 20 auf. Diese Halterungen 19 und 20 sind entfernbar und an der fertigen Antriebseinrichtung für ein Schiff nicht mehr vorhanden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- EP 2824806 A1 [0003]
- EP 2824028 B1 [0004]
- EP 0590867 A1 [0005]
