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Der erfindungsgemäße geflutete Unterwasserantrieb kann für Schiffsantriebe, Pumpen und Unterwassergeneratoren angewendet werden.
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Stand der Technik
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Elektrische Schiffsantriebe gewinnen durch ihre Effizienz und flexible Einbindung in die Schiffssteuerung zunehmend an Bedeutung. Insbesondere die rasante Entwicklung der permanenterregten Synchronmotoren öffnet neue Anwendungsmöglichkeiten. Spezifisch für Schiffsantriebe sind Anforderungen eines sehr hohen Momentes bei relativ geringen Drehzahlen. Das ergibt sich aus den hydrodynamischen Anforderungen eines effizienten Propellers. In der Vergangenheit wurden elektrische Antriebe deswegen mit Untersetzungsgetrieben ausgestattet. Heutige Torquemotoren ermöglichen auch getriebelose Einsatzmöglichkeiten. Dabei haben Außenläufermotoren höhere spezifische Momente als gleich große Innenläufer.
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Elektrische POD-Antriebe werden von verschiedenen Herstellern angeboten, beispielsweise von KaMeWa, Schottel mit Siemens. Diese Antriebe sind im Wesentlichen so aufgebaut, dass mit direkt angetriebenen Innenläufermotoren ein Propeller auf der Welle direkt angetrieben wird. Der Motor selbst wird über Dichtungen vom Wasser abgeschirmt. Die Kühlung erfolgt alleine über den Außenmantel und durch interne Kühlkreisläufe und Belüftungen.
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Insbesondere durch die thermischen Belastungen und die damit auftretenden Änderungen in den Bauteiltoleranzen kam es in der Vergangenheit öfter zu Schäden, da die verwendeten Dichtungssysteme versagten und es zu Wasserschäden im System kam.
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Eine Alternative zu diesen Lösungen stellt das Inlinepropellersystem dar. Hier wird der Motor mit Rotor und Stator blockvergossen. Der Propeller selbst läuft mit und in der Hohlwelle des Innenläuferrotors. Eine Dichtung ist nicht erforderlich. Die Lagerung erfolgt mit seewassergeschmierten Lagern. Dadurch kann der Motor komplett geflutet werden. Die Kühlung durch die Umspülung aller Komponenten verbessert sich.
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Allerdings sind bei dieser Art Antrieb die hydrodynamischen Reibungsverluste am Rotor sehr hoch. Der Einsatz dieses Antriebes beschränkt sich daher überwiegend auf Thrusteranwendungen. Die Lagerbelastungen sind durch die hohen Umfangsgeschwindigkeiten hoch.
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Ein weiterer Stand der Technik wird in
DE 3102333 C2 offenbart. Hier handelt es sich um ein Verfahren zum Kühlen eines insbesondere zum Antreiben von Ventilatorlaufrädern dienenden Außenläufermotors, der einen außenliegenden Rotor und einen innenliegenden Stator besitzt. Der innen liegende Stator wie auch der Rotor sind auf einer feststehenden Achse mit einer durchgehenden Höhlung angeordnet, durch welche eine annähernd axial verlaufende Strömung eines Luftstromes der Kühlung dient.
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Die Verwendung derartiger Lösungen für einen Schiffsantrieb sind nur Wälzlager geeignet, die gegen das Wasser abgedichtet sind, da dynamische Gleitlager durch die geringen Umfangsgeschwindigkeiten an der Zentrallagerung nicht verwendet werden können.
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Darstellung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektrischen Schiffsantrieb bereitzustellen, der die Nachteile herkömmlicher Antriebe des bekannten Standes der Technik beseitigt.
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Eine Alternative ergibt sich mit der Erfindung durch die Verwendung von Außenläufern und der Montage der Propellerflügel an dem außensitzenden Rotor.
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Der erfindungsgemäße geflutete Unterwasserantrieb besteht aus einem permanenterregten Synchronmotor mit feststehendem zentrisch fixierten Stator, wobei dieser eine axiale Durchgangsbohrung aufweist. Durch die besonders große Öffnung der Durchgangsbohrung wird die Strömung positiv beeinflusst. Der Stator ist koaxial von einem Rotor umgeben, der unmittelbar auf dem äußeren Bereich des Stators und nicht auf einer Zentralachse gelagert ist. Die Rotorlager sind mediumgeschmierte Gleitlager.
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Der Rotor wird auf einer Seite des Antriebes durch ein reines Radiallager sowie auf der gegenüber liegenden Seite des Antriebes durch ein kombiniertes Radial/beidseitig wirkendes Axiallager gelagert.
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Die die Positionierung von Stator und Rotor gewährleistenden Radial- und Axiallager sind als mediengeschmierte Gleitlager ausgeführt, die aus einem abriebfesten und harten Material, vorzugsweise aus SIC oder keramisch beschichtetem Stahl auf der einen Seite und einem Polymerwerkstoff auf der andern Seite bestehen.
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Der Stator ist an seinen Stirnseiten mit einem seewasserbeständigen Kunststoffvergußmaterial und an seiner äußeren Umfangsfläche mittels einer Statoraußenhülse, insbesondere aus Kunststoff, abgedichtet. Der Rotor ist an seiner inneren Umfangsfläche mittels einer Rotorinnenhülse sowie an seiner äußeren Umfangsfläche mittels einer Rotoraußenhülse aus seewasserbeständigem Material gegenüber dem den Schiffsantrieb umspülenden Seewasser abgedichtet.
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Zur Positionierung des Rotors sind mit dem Rotor rotierende Mittel in Bezug auf den Stator und zur Aufnahme von Propellerflügeln an der äußeren Umfangsfläche des Rotors angeordnet. Diese rotierenden Mittel sind Klemmringe aus Metall.
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Ein Propellerflügel weist ein Flügelfußsegment auf, dessen Kontaktfläche sich an die Außenfläche des Rotors anschmiegt. Die Fixierung des Flügelfußsegments erfolgt durch die in den Randbereich des Rotors und des Flügelfußsegments kraftschlüssig eingreifenden Klemmringe und Flügelklammern mittels axial wirkender Spannschrauben. Die Flügelklammern sind entsprechend den Flügelfußsegmenten segmentiert.
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Die Motoren selbst werden wie einem Inlinepropellersystem komplett vergossen und werden komplett umspült. Die Lagerung erfolgt mit seewassergeschmierten Lagern.
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Um die notwendigen Drehmomente zu erzielen, sind größere Durchmesser des Antriebes notwendig. Daher kann es sinnvoll sein, den Innendurchmesser des Motors hohl zu gestalten und zu durchströmen. Damit verbessert sich die Kühlung. Der Strömungswiderstand kann verringert werden.
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Durch eine modulare Gestaltung kann durch die Anordnung von zwei Antriebssystemen ein Gegenlaufpropellersystem aufgebaut werden, das wiederum die Effizienz verbessert.
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Der notwendige Regler kann ebenfalls elektrisch abgeschirmt im Antrieb untergebracht werden und ermöglicht eine sehr kompakte Bauweise des Gesamtsystems.
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Ausführung der Erfindung
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Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dazu zeigen
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1 eine räumliche Darstellung des durch Propellerflügel komplettierten erfindungsgemäßen Schiffsantrieb;
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2 einen axialen Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen Schiffsantrieb;
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3 eine räumliche schematische Darstellung des Schiffsantriebs gemäß 1 und 2.
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Die Erfindung wird anhand eines elektrischen Schiffsantriebs näher beschrieben, der als Gondel unterhalb des Schiffshecks angeordnet ist und sich dadurch unter der Wasserlinie in einem völlig gefluteten Zustand befindet.
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Die Befestigung des erfindungsgemäßen Schiffsantriebes am Schiffskörper ist nicht Gegenstand der Erfindung, sondern kann vom Fachmann in bekannter Weise ausgeführt werden. Im Ausführungsbeispiel wird deshalb darauf nicht näher eingegangen.
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Der Schiffsantrieb an sich besteht aus einem rotationssymmetrischen Stator 1, der auf einem feststehenden horizontalen, hohl ausgeführten Trägerzapfen 2 fixiert ist. Der Stator 1 wird auf dem Trägerzapfen 2 an einem Ende in einer Bohrung radial fixiert. Haltebolzen (Stator) 4 stellen eine gegen Verdrehung und axiale Verschiebung gesicherte Verbindung zwischen dem Radiallager (Stator) 3 und dem Stator 1 her.
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Am gegenüberliegenden Ende ist am Stator ein Lagerträger 29 rotationssymmetrisch angeordnet, welcher ein weiteres Radial/Axiallager (Stator) 5 trägt. Das Radial/Axiallager (Stator) 5 umgibt den Lagerträger 29 schalenförmig und ist an der dem Stator abgewandten Seite geschlossen. Im Zusammenwirken mit einem zweiten zusätzlichen Axiallager (Stator) 6, welches mit dem Trägerzapfen 2 verbunden ist und in seinem Querschnitt L-förmig ist, werden die erheblichen axialen Kräfte, die auf den Stator 1 wirken, aufgenommen.
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Der Stator 1 weist an seinen gegenüberliegenden Stirnseiten 7, 8 jeweils eine Abdeckung 9, 10 auf. An seinem äußeren Umfang wird der Stator 1 von einer Statoraussenhülse 11, bevorzugt aus Kunststoff, umgeben. Die zwischen dem Stator 1 und den Abdeckungen 9, 10 befindlichen Hohlräume 12, 13 sind vorzugsweise mit einem Kunststoffvergußmaterial 14, 15 verfüllt. Durch diese Maßnahme wird der Stator 1 gegenüber dem den Schiffsantrieb umspülenden Seewasser abgedichtet, während die beschriebenen Lager 3, 5 und 6 durch das Seewasser geschmiert werden können.
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Koaxial zum Stator 1 ist der Rotor 16 des Schiffsantriebes angeordnet.
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Der Rotor 16 ist durch eine Rotorinnenhülse 17, die den inneren Umfang des Rotors 16 auskleidet, und durch eine Rotoraußenhülse 18, die die Mantelfläche des Rotors 16 bedeckt, gegenüber dem Seewasser abgedichtet. Der Rotor 16 kann auch außen mit einem Verbundwerkstoff umwickelt werden.
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An den Stirnflächen des Rotors 16 sitzen metallische Klemmringe 19, 20, die über ein dem Klemmring 20 zugeordnetes Radial/Axiallager (Rotor) 21 durch durchgehende Spannschrauben 22 gegeneinander verspannt werden und dadurch den Rotor 16 zwischen sich kraftschlüssig aufnehmen. Das Radial/Axiallager (Rotor) 21 hat einen U-förmigen Querschnitt und ist auf dem Radial/Axiallager (Stator) 5 angeordnet. An der dem Rotor abgewandten Seite steht das Radial/Axiallager (Rotor) 21 mit dem Axiallager (Rotor) 30 in Wirkverbindung. Das Axiallager (Rotor) 30 ist wiederum vollständig von dem Axiallager (Stator) 6 umgeben. Diese Konstruktion wird durch eine Spannbuchse 31 axial fixiert.
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Auf der gegenüberliegenden Seite ist der Rotor 16 über ein Radiallager (Rotor) 32 mit dem Radiallager (Stator) 3 verbunden. Die Lagerung des Rotors 16 erfolgt somit nicht unmittelbar auf dem Trägerzapfen 2.
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In der durch diese Anordnung zwischen den Klemmringen 19, 20 gebildeten Ringnut erfolgt die Montage der Propellerflügel 24 des Schiffsantriebes. Der Anschluss der Propellerflügel 24 an den Rotor 16 erfolgt über Flügelfußsegmente 25, wobei die Kontaktfläche der Flügelfußsegmente 25 zum Rotor 16 so ausgebildet ist, dass sich das Flügelfußsegment 25 an die Außenfläche des Rotors 16 anschmiegt.
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Entsprechend der Anzahl der Propellerflügel 24, die am Schiffsantrieb zu realisieren ist, werden um den Umfang des Rotors 16 herum eine entsprechende Anzahl von Flügelfußsegmenten 24 gleichmäßig verteilt angeordnet.
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Die Fixierung der Flügelfußsegmente 24 erfolgt durch ein jedem Flügelfußsegment 24 zugewiesenes segmentförmig ausgebildetes Paar Flügelklammern 26, 27, die durch die Spannschrauben 22 in der zuvor beschriebenen Weise ausgeführt wird.
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Die Lagerung der rotierenden Teile des Schiffsantriebes erfolgt durch ein reines Radiallager auf der einen Seite des Antriebes sowie durch ein kombiniertes Radial/beidseitig wirkendes Axiallager auf der gegenüber liegenden Seite des Antriebes. Dabei werden mediengeschmierte Gleitlager verwendet, die aus einem abriebfesten und harten Material (SIC oder keramisch beschichtetem Stahl) auf der einen Seite und einem Polymerwerkstoff auf der andern Seite bestehen.
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Im Bereich des reinen Radiallagers werden die Zuleitungen herausgeführt. Diese können dann über den Schaft zu einem im Fahrzeug liegenden Frequenzregler geführt werden. Alternativ kann der Frequenzregler auch direkt am Motor befestigt werden.
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Der Antrieb wird im vorderen und hinteren Bereich strömungsgünstig verkleidet und an einer Aufhängung befestigt. Der zentrale Bereich (Trägerzapfen 2) wird dadurch, dass der Trägerzapfen 2 erfindungsgemäß als Durchgangsbohrung 28 ausgeführt ist, durchströmt und sorgt neben einer Verringerung des Strömungswiderstandes des Schiffsantriebes gleichzeitig für eine effektive zusätzliche Kühlung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stator
- 2
- Trägerzapfen
- 3
- Radiallager (Stator)
- 4
- Haltebolzen (Stator)
- 5
- Radial/Axiallager (Stator)
- 6
- Axiallager (Stator)
- 7
- gegenüberliegende Stirnseiten des Stators
- 8
- gegenüberliegende Stirnseiten des Stators
- 9
- Abdeckung
- 10
- Abdeckung
- 11
- Statoraussenhülse (Kunststoffhülse)
- 12
- Hohlraum (Stator)
- 13
- Hohlraum (Stator)
- 14
- Kunststoffvergußmaterial
- 15
- Kunststoffvergußmaterial
- 16
- Rotor
- 17
- Rotorinnenhülse
- 18
- Rotoraußenhülse
- 19
- metallischer Klemmring
- 20
- metallischer Klemmring
- 21
- dem Klemmring 20 zugeordnetes Radial-/Axiallager (Rotor)
- 22
- durchgehende Spannschrauben
- 24
- Propellerflügel
- 25
- Flügelfußsegmente
- 26
- Flügelklammer
- 27
- Flügelklammer
- 28
- Durchgangsbohrung
- 29
- Lagerträger (Stator)
- 30
- Axiallager (Rotor)
- 31
- Spannbuchse
- 32
- Radiallager (Rotor)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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