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Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung für Wasserfahrzeuge und insbesondere für sogenannte Unterwasserscooter, die ein als Schwimm- oder Tauchkörper ausgebildetes Gehäuse, einen außen am Gehäuse angeordneten Propeller und einen Antriebsmotor für den Propeller aufweisen.
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Zum Hintergrund der Erfindung ist darauf hinzuweisen, dass ein grundsätzliches Problem bei Wasserfahrzeugen die Durchführung der den Propeller antreibenden Welle durch das beispielsweise den Rumpf eines Schiffes bildende, im Zusammenhang mit der vorliegenden Anmeldung so bezeichnete Gehäuse darstellt. Dieser Durchgang, bei dem die rotierende Welle in einer feststehenden Lagerbuchse geführt ist, ist hinsichtlich ihrer dauerhaften Abdichtung gegenüber eintretendem Wasser problematisch.
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Aus dem Stand der Technik gemäß
WO 2011/038869 A2 ist es zur Behebung dieser Problematik bekannt, eine magnetische Kupplung zwischen einem inneren Teil der zweigeteilten Antriebswelle und dem äußeren, den Propeller tragenden Teil dieser Welle vorzusehen. Die entsprechenden Permanentmagneten am inneren und äußeren Abschnitt der zweigeteilten Welle sind durch einen Spalttopf getrennt, der als statisches Teil eine relativ einfache, da keine drehenden Teile aufweisende Abdichtung des Gehäuses mit sich bringt.
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Problematisch bei dieser Art von Konstruktion ist zum einen der zusätzliche konstruktive Aufwand der zweigeteilten Welle. Darüber hinaus sind derartige Magnetkupplungen in ihrer Drehmoment-Übertragung begrenzt. Sollte die magnetische Kupplung zwischen den innen- und außenliegenden Magneten versagen, „rutscht” der Antrieb durch, ein gleichbleibender Vortrieb des Wasserfahrzeuges ist dadurch nicht gewährleitstet.
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Der Erfindung liegt ausgehend von der geschilderten Problematik die Aufgabe zugrunde, eine konstruktiv einfach abzudichtende, kompakte Antriebseinrichtung für Wasserfahrzeuge zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst. Demnach ist als Antriebsmotor der Antriebseinrichtung ein Spalttopfmotor vorgesehen, der mit seinem druck- und wasserdicht in eine Gehäuseaufnahme eingesetzten Spalttopf einen Abschnitt des Gehäuses bildet. Der Stator des Spalttopfmotors mit seiner Steuereinrichtung und Energieversorgung ist innerhalb des Gehäuses angeordnet. Der außerhalb des Gehäuses liegende Rotor des Spalttopfmotors ist als Direktantriebswelle mit dem Propeller drehfest verbunden.
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Die erfindungsgemäße Lösung ist aufgrund der direkten Integration des Spalttopfmotors in eine entsprechende Gehäuseaufnahme besonders kompakt und konstruktiv einfach ausgebildet, da die im geschilderten Stand der Technik eingesetzte Magnetkupplung vollständig entfällt. Damit können auch die geschilderten Probleme des Schlupfes der Magnetkupplung grundsätzlich nicht auftreten. Durch die Verwendung eines Spalttopfmotors und dessen Spalttopf als problemlos abzudichtender Gehäuseabschnitt können auch die angesprochenen Abdichtungsprobleme grundsätzlich nicht auftreten. Weiterhin ist von Vorteil, dass der Propeller des Wasserfahrzeuges durch den außerhalb des Gehäuses liegenden Rotor direkt angetrieben ist, der Antrieb benötigt also keine gesonderte Antriebswelle, wie dies beispielsweise bei der Antriebseinrichtung gemäß der eingangs erwähnten
WO 2011/308869 A2 zur Überbrückung zwischen dem dort verwendeten Verbrennungsmotor und der Magnetkupplung der Fall ist. Insgesamt besticht die erfindungsgemäße Lösung also dadurch, dass der verwendete Spalttopfmotor einerseits Teil des Gehäuses und andererseits Teil des Propellers ist, was eine bisher nicht erreichte Integrationsdichte des Antriebes mit sich bringt.
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In den abhängigen Ansprüchen sind bevorzugte Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes angegeben. So kann der Spalttopfmotor vorzugsweise als bürstenloser Gleichstrommotor ausgeführt sein.
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Eine weitere Erhöhung der Integrationsdichte der einzelnen Komponenten der Antriebseinrichtung wird durch die in Anspruch 3 angegebenen Maßnahmen erzielt, wonach der Spalttopf über einen Trägerflansch in der Gehäuseaufnahme gehalten ist. Dieser Trägerflansch kann als Lagerbasis für die Rotationslagerung des Propellers dienen, was beispielsweise durch eine am Trägerflansch ausgebildete Lagerplatte mit einer Lagerbuchse für die Propeller-Lager perfektioniert werden kann.
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Eine besonders robuste, dabei einfache Lagerausführung für die Propeller-Lager sind Gleitlager, insbesondere in Form von Keramikgleitlagern. Diese sind praktisch wartungsfrei und für den Einsatz in Wasser besonders gut geeignet, da dieses als Schmier- und Kühlmittel wirken kann.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Propeller-Welle zweigeteilt ausgeführt, wobei ein starr mit dem Rotor des Spalttopfmotors gekoppelter, innerer Wellenabschnitt und ein äußerer, vorzugsweise einstückig mit dem Propeller ausgebildeter Wellenabschnitt vorgesehen sind. Letzter kann formschlüssig auf den inneren Wellenabschnitt aufgesetzt, vorzugsweise aufgeklemmt oder aufgerastet sein. Damit ist die Wellenkonstruktion besonders montagefreundlich ausgebildet, da zuerst die Lagerung der Propellerwelle über den inneren Wellenabschnitt hergestellt und anschließend der Propeller mit dem äußeren Wellenabschnitt nur aufgesetzt werden muss. Dementsprechend ist der Propeller auch leicht abnehmbar, was beispielsweise im Falle eines Blockierens des Propellers durch Fremdkörper während des Betriebes von Wichtigkeit ist.
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Der gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehene Strömungskörper optimiert in an sich bekannter Weise die hydrodynamischen Eigenschaften des Wasserfahrzeuges.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine Zwangsspülung der außerhalb des Gehäuses angeordneten Komponenten des Spalttopfmotors durch darin angelegte Spülöffnungen vorgesehen. Damit wird Umgebungswasser beispielsweise durch die Welle, alle Gleitlagern dafür und durch den Rotor des Spalttopfmotors gepumpt, wodurch eine Schmierung und Kühlung der entsprechenden Komponenten gewährleistet ist. Dies wirkt sich auf die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Antriebseinrichtung positiv aus.
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Eine Variante der Antriebseinrichtung bezieht sich auf deren Bedienungseinrichtung, wie sie in Anspruch 9 näher gekennzeichnet ist. Es ist darauf hinzuweisen, dass diese Bedienungseinrichtung auch unabhängig von der Verwendung eines Spalttopfmotors für die Antriebseinrichtung einsetzbar ist. Die Bedienungseinrichtung ist insbesondere dadurch charakterisiert, dass in dem üblicherweise bei einem Unterwasserscooter vorhandenen Haltegriff, an dem der Taucher den Scooter während einer Tauchfahrt hält, ein relativ zu einer Stufenkulisse verschiebbarer Schiebegriff zur Einstellung der durch die Stufen der Kulisse definierten Fahrstufen des Scooters vorgesehen ist. Damit wird eine besonders einfache und „narrensicher” betätigbare Bedienungseinrichtung geschaffen, da der Taucher den Schiebegriff einfach nur mit seinem Ende soweit verschieben muss, bis seine Hand an die entsprechende Stufe der gewünschten Fahrstufe des Scooters anschlägt. Für eine Änderung der Fahrstufe muss der Schiebegriff lediglich wieder zu einer nächsten oder anderen Kulissenstufe verschoben werden. Die gesamte Bedienungsmimik ist also sehr intuitiv und durch die Integration in den Haltegriff besonders ergonomisch.
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Im Hinblick auf die grundsätzlich gewünschte Abdichtbarkeit der Antriebseinrichtung, wie sie im Zusammenhang mit dem Motor durch die Verwendung des Spalttopfmotors gewährleistet ist, ist im Zusammenhang mit der Bedienungseinrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, die Einstellposition des Schiebegriffes über im Gehäuse angebrachte Reed-Kontakte zu erfassen. Diese magnetischen Schalter arbeiten berührungslos über eine Magnetkopplung zwischen dem Schiebegriff außen am Gehäuse und den innerhalb davon angeordneten Reed-Kontakten.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Bedienungseinrichtung ist eine Notabschalteinrichtung vorgesehen, um den Unterwasserscooter abzuschalten, wenn der Taucher beispielsweise den Handgriff loslässt. Diese Notabschaltung weist eine mit dem Nutzer des Unterwasserscooters verbundene Magnetschalteinrichtung am Gehäuse auf, deren Schaltstellung wieder durch einen im Gehäuse angeordneten Reed-Kontakt erfassbar ist. Auch hier ist wieder das Prinzip der berührungslosen Kopplung von der Gehäuseaußen- zur -innenseite umgesetzt, so dass wiederum keine Dichtungsprobleme auftreten können.
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Die Erfindung betrifft schließlich ein Wasserfahrzeug und insbesondere einen Unterwasserscooter mit einer Antriebseinrichtung in einer der vorstehend geschilderten Ausführungsformen.
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Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:
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1 eine Seiteneinsicht eines Unterwasserscooters,
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2 eine Draufsicht auf den Unterwasserscooter gemäß 1,
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3 einen axialen Vertikalschnitt des Unterwasserscooters entlang der Schnittlinie III-III nach 2,
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4 einen vergrößerten, teilweisen Schnitt analog 3 des Unterwasserscooters im Bereich der Antriebs- und Bedienungseinrichtung.
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Wie aus 1 und 2 deutlich wird, weist der dargestellte Unterwasserscooter ein rohrförmiges Gehäuse 1 auf, das am vorderen Ende durch einen kappenartigen Deckel 2 hermetisch dicht verschlossen ist.
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Am rückwärtigen Ende des Gehäuses 1 ist eine noch näher anhand von 3 und 4 zu beschreibende Antriebseinrichtung 3 angeordnet, die den mit seiner Rotationsachse koaxial zur Rotationsachse R des Gehäuses 1 drehbar angetriebenen Propeller 4 (siehe 3 und 4) antreibt. Der Propeller 4 ist in Radialerrichtung von einem Schutzring 5 – einem sogenannten „Shroud” – umgeben, der über vier Lagerstreben 6 an das Gehäuse 1 angebunden ist.
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Vor dem rückwärtigen Ende des Gehäuses 1 ist nach oben abstehend ein als Ganzes mit 7 bezeichneter Haltegriff angebracht, der aus abgewinkelten, zwei parallelen Wangen 8, 9 aufweisenden Tragstreben und zwei davon beiderseits abstehenden Griffstücke 10, 11 besteht. An diesen Griffstücken hält sich der Taucher mit beiden Händen fest, während er vom Unterwasserscooter gezogen wird.
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In den Haltegriff 7 ist eine als Ganzes mit 12 bezeichnete Bedienungseinrichtung integriert, die einen innerhalb der Wangen 8, 9 des Haltegriffs 7 verschiebbaren Schiebegriff 13 aufweist. Dieser Schiebegriff ist in der Außenkontur den Wagen 8, 9 entsprechend ausgebildet, wobei allerdings das äußere Ende 14 über die Wangen 8, 9 hinaus steht und mehrere Griffmulden 15.1, 15.2, 15.3 aufweist. Die vor dem Ende 14 liegenden Kanten der Wangen 8, 9 sind als Stufenkulisse 16 ausgeformt, die entsprechend den Griffmulden 15 sukzessive in Schieberichtung S zurückspringende Kulissenstufen 17.1, 17.2, 17.3 aufweisen.
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Am gehäuseseitigen Ende ist in den Schiebegriff 13 ein Permanentmagnet 18 eingesetzt, der mit einem mehrstufigen Reed-Schalter 19 im Inneren des Gehäuses 1 zusammenarbeitet. Die vier Schaltkontakte 20.0, 20.1, 20.2 und 20.3 entsprechen der in allen Figuren gezeigten Aus-Position des Schiebegriffs 13 beziehungsweise den Betätigungsstufen langsam – mittel – schnell, die durch Vorschieben des Schiebegriffs 13 bis zu Position der Griffmulde 15.1 in der Kulissenstufe 17.1 beziehungsweise 15.2 in 17.2 und 15.3 in 17.3 eingestellt werden. Damit kann die Antriebseinrichtung 3 über die im Gehäuse 1 vor dem Deckel 2 angebrachte Steuereinrichtung 21 in die verfügbaren Geschwindigkeitsstufen langsam/mittel/schnell des Scooters gesteuert werden.
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In den Haltegriff 7 ist ferner eine Notabschalteinrichtung 22 in Form eines magnetisch an dem Reed-Schalter 23 gekoppelten Hebels 24 vorgesehen, der über ein Seil 25 beispielsweise mit dem Flaschen-Tragegeschirr des Tauchers verbunden ist. Sollte dieser den Scooter während der Fahrt loslassen, wird der Hebel 24 mit dem darin eingebauten Permanentmagneten 26 vom Reed-Schalter 23 abgehoben, sodass dieser auslöst und die Steuereinrichtung 21 die Antriebseinrichtung 3 deaktiviert.
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Die Antriebeseinrichtung 3 des gezeigten Scooters wird nun anhand der 3 und 4 näher erläutert. Diese basiert auf einem als Ganzes mit 27 bezeichneten Spalttopfmotor, dessen Spalttopf 28 koaxial zur Rotationsachse R in eine Gehäuseaufnahme 29 in Form der hinteren Öffnung des Gehäuserohrs eingesetzt ist. Dazu weist der Spalttopf 28 einen Trägerflansch 30 auf, der mit einem umlaufenden Ringrand 31 unter Zwischenlage von Dichtringen 32.1, 32.2, 32.3 in die Gehäuseaufnahme 29 wasserdicht und mechanisch stabil eingepresst ist. Zwischen der umlaufenden, sehr dünnen Wand 33 des Spalttopfes 28 und diesem Ringrand 31 sind die Statorwicklungen 34 des als bürstenloser Gleichstrommotor ausgeführten Spalttopfmotors 27 eingesetzt und dort durch einen entsprechenden Verguss gekapselt. Die Statorwicklung 34 wird von der Steuereinrichtung 21 mit einem pulsierend drehenden Magnetfeld versorgt, wie dies bei bürstenlosen Gleichstrommotoren üblich ist und keiner näheren Erläuterung bedarf. Die grundsätzliche Energieversorgung des Spalttopfmotors 27 beruht auf dem in 3 schematisch angedeuteten Akkumulatorpack 35.
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Außerhalb des Gehäuses 1 vor dem Boden 36 des Spalttopfs 28 ist der Rotor 37 des Spalttopfmotors an einer Rotorwelle 38 drehbar gelagert. In den Rotor 37 sind über seinen Umfang verteilt Permanentmagneten 39 eingesetzt und durch einen Abdeckring 40 gehalten. Durch einen nicht näher dargestellten Verguss sind die Permanentmagneten 39 hermetisch dicht verkapselt. Die zentrale Rotorwelle 38 ist als gesondertes Teil mit dem Rotor 37 drehfest verbunden und in zwei axial beabstandeten Keramik-Gleitlagern 41.1, 41.2 drehbar gelagert. Letztere sind in einer Lagerbuchse 42 gehalten, die einstückig an einer Lagerplatte 43 ausgebildet ist. Letztere ist über Befestigungsschrauben zusammen mit einem etwa kegelförmigen Strömungskörper mit dem Trägerflansch 30 über Fixierschrauben 45.1, 45.2 verschraubt.
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Die Rotorwelle 38 bildet einen inneren Wellenabschnitt, der nach hinten durch den Strömungskörper 44 hindurch durch einen im Durchmesser verringerten, koaxialen Stutzen 46 verlängert ist. Auf diesen Stutzen ist der Propeller 4 mit seinem einstückig daran angeformten, äußeren Wellenabschnitt 47 unter Zwischenlage einer auf dem äußeren Gleitlager 41.2 sitzenden Gleitscheibe 48 aufgesetzt. Der äußere Wellenabschnitt 47 ist über eine schematisch angedeutete Verrastung, die auch als Klemmung ausgebildet sein kann, mit dem inneren Wellenabschnitt in Form der Rotorwelle 38 verbunden, wobei diese Verrastung keinen besonders hohen Lösekräften standhalten muss, da im Normalbetrieb die vom Propeller 4 durch dessen Rotation auf die Rotorwelle 38 ausgeübten Kräfte zum Gehäuse 1 hin wirken. Im Wesentlichen muss die Verrastung 49 also eine Abzugssicherung bilden, die allerdings durch Ziehen am Propeller 4 überwunden werden kann, wenn letzterer beispielsweise bei einer Blockade durch einen eingeklemmten Fremdkörper während eines Unterwassereinsatzes abgezogen werden muss.
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Zur Übertragung des Drehmomentes der Rotorwelle 38 ist natürlich ein Formschluss in Rotationsrichtung zwischen Rotorwelle 38 als inneren Wellenabschnitt und dem äußeren Wellenabschnitt 47 vorzusehen.
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Ein Deckel 50 auf dem äußeren Ende des Wellenabschnitts 47 des Propellers ist mit einer Einströmöffnung 51 versehen, über die Umgebungswasser durch die Spülbohrung 52 im Stutzen 46 zu den Keramik-Gleitlagern 41.1, 41.2 und in den Spalttopf 28 hinein geleitet werden kann. Von dort wird das Wasser über Abzugsöffnungen 53 im Trägerflansch 30 und Kanäle 54 zwischen dem Trägerflansch 30 und dem Strömungskörper 44 nach außen geleitet. Durch die hydrodynamischen Verhältnisse beim Betrieb des Scooters wird an diesen Kanälen 54 ein starker Unterdruck erzeugt, der für ein Einsaugen von Umgebungswasser durch die Einströmöffnung 51 und eine Durchspülung des Spalttopfmotors auf der außerhalb des Spalttopfes gelegenen Seite mit einer Schmierung aller Gleitlager und Kühlung des Motors gewährleistet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2011/038869 A2 [0003]
- WO 2011/308869 A2 [0006]
