DE3632645A1 - Unterwassermotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Unterwassermotor gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 2.

Es ist ein Unterwasserpropellerantrieb mit permanent erregtem elektrischem Motor für Querstrahlruder oder Unterwasserpumpen bekannt (DE-OS 33 00 380). Dieser Antrieb mit mindestens einem Schraubenpropeller, dessen Flügelenden über einen peripheren Ring miteinander verbunden sind, der den permanent erregten Motor eines elektrischen Antriebsmotors aufnimmt, weist einen in einem ortsfesten Teil angeordneten Stator auf, wobei der Spalt zwischen Rotor und Stator geflutet ist. Um die Montage solcher Antriebe zu verein­ fachen, ist der Schraubenpropeller mit seiner Lagerung in ein zylindrisches, an den Stirnflächen offenes Gehäuse eingebaut, welches als Baueinheit in einen bestehenden Rohrtunnel einschiebbar und in der Einbaulage befestig­ bar ist. Der Stator ist über ein Stromkabel an einen Anschlußkasten außer­ halb des Wasserbereiches angeschlossen, wobei der Anschlußkasten wahlweise an ein speisendes Netz oder einen Kurzschlußschalter angeschlossen sein kann. Dieser vorbekannte Unterwasserpropellerantrieb ist weniger geeignet für Erzschlammgewinnung, Meeresbergbau und zur Verwendung im Unterwasser­ dauerbetrieb wegen erhöhter hydraulischer Verluste.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Unterwassermotor zu schaffen, der sich durch niedrige Drehzahlen, einen guten Wirkungsgrad und Leistungsfaktor sowie durch geringes Gewicht und Baugröße auszeichnet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 2 gelöst.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 14 be­ schrieben.

Bei der Erfindung ist von besonderem Vorteil, daß der gute elektrische Wirkungsgrad durch hydrodynamische Verluste nicht wesentlich herabgesetzt wird.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigen

Fig. 1a und 1b einen Unterwassermotor im Längs- bzw. Querschnitt,

Fig. 2 einen Doppelstatormotor im Halbschnitt, und

Fig. 3 einen an einem Unterwasserfahrzeug angeordneten Unterwassermotor.

In Fig. 1 ist eine Propellerwelle 1 mittels mechanischer Drehlager 2 und 3 in den rotationssymmetrischen Seitenwänden 4 und 5 eines Hohlzylinders drehbeweglich und abdichtend gelagert, der praktisch das Gehäuse des Unter­ wassers darstellt und in dessen ringförmiger Wandung 6 ein ringförmiger Stator 7 angeordnet ist. Die Propellerwelle 1 ragt an einer Seite über eine der beiden Stirnwände zwecks Aufnahme eines zeichnerisch nicht dargestellten Propellers oder zwecks Anschluß an diesem hinaus. Im Innenraum des Hohlzy­ linders ist ein als Rotor wirkender und mit der Propellerwelle 1 in mecha­ nisch fester Verbindung stehender Hohlzylinder 9 mit ebenen Stirnflächen 10 und 11 angeordnet, in dessen vom Stator 7 umgebener ringförmiger Wan­ dung 12 Permanentmagnete 13 angeordnet sind. Sowohl der Hohlraum 14 des Hohlzylinders 9 als auch die von den Seitenwänden 4 und 5 bzw. 10 und 11 der beiden Hohlzylinder 8 und 9 gebildeten Zwischenräume 15 und 16 sowie der magnetische Spalt zwischen Stator 7 und Rotor 9 sind mit einer un­ kompressiblen Flüssigkeit gefüllt.

Da die Reibungsflächen der Flüssigkeiten in den Zwischenräumen 15 und 16 von der antreibenden Seite, d. h. von den Stirnflächen 10 und 11 des Hohl­ zylinders 9, und von der bremsenden Seite, d. h. von den Seitenwänden 4 und 5 des Hohlzylinders 8 annähernd gleich sind, wird sich bei konstanter Dreh­ geschwindigkeit des Rotors 9 die in den Zwischenräumen 15 und 16 vorhandene Flüssigkeit mit ca. halber Drehgeschwindigkeit bewegen. Die Verluste der Seitenreibung des Unterwassermotors in der sich drehenden Wassermasse wird auf 25% gegenüber einer stehenden Wassermasse verringert. Die Verringerung wird durch die glatte, rotationssymmetrische Hohlraumbildung erreicht. Bei­ spielsweise ist bei einer stehenden Flüssigkeitsmasse die Verlustleistung P _V der dritten Potenz der Drehgeschwindigkeit des Rotors proportional (P _V ∼ v ³). Diese Verlustleistung reduziert sich bei einer mit halber Drehgeschwindigkeit des Rotors drehenden Wassermenge auf ein viertel

Bei dem aus Fig. 1 ersichtlichen Unterwassermotor können - ebenso wie bei dem in Fig. 2 dargestellten Unterwassermotor - durch ein vorgegebenes großes Durchmesser-Breitenverhältnis kleine Nenndrehzahlen realisiert und die Anzahl der Permanentmagneten minimiert werden. Auch ist es zweckmäßig, den mit Flüssigkeit gefüllten magnetischen Spalt zwischen Stator 7 und Rotor 9 für die magnetische Ausnutzung optimal klein zu halten. Um bei dem Beispiel nach Fig. 1 im Rotorhohlraum 14 keine Verluste durch Flüssig­ keitsreibung zu erhalten, insbesondere bei einer Drehzahländerung, kann eine Abschottung 17 vorgesehen sein, wie sie in Fig. 1b dargestellt ist. Bei höherdynamischen Antrieben kann auf Grund geringerer Schwungmasse diese Abschottung entfallen.

Bei dem Unterwassermotor gemäß Fig. 2 ist der Rotor als einseitig offener zylindrischer Topf 20 ausgebildet, in dessen ringförmiger Zylinderwand 21 die Permanentmagneten 13 eingelassen sind und dessen an der Propellerwelle 1 befestigter Boden 22 eben ausgebildet ist. Die die Permanentmagnete 13 tragende ringförmige Zylinderwand 21 ist innen und außen von jeweils einem Innen- und Außenstatorring 23 bzw. 24 umgeben, so daß eine doppelte Aus­ nutzung der teuren Magnetmaterialien ermöglicht wird. Die Innen- und Außen­ statorringe 23 und 24 sind in den ringförmigen Wandungen 25 bzw. 26 von je­ weils einem von zwei ineinander geschachtelten feststehenden Hohlzylindern 27 bzw. 28 angeordnet, die an einer Stirnseite mechanisch miteinander ver­ bunden sind, beispielsweise durch einen Zwischenring 29. An dieser Stirn­ seite sind die beiden Hohlzylinder 27 und 28 durch eine gemeinsame Stirn­ wandung 30 verschlossen, während die anderen Stirnseiten der Hohlzylinder durch separate Stirnwandungen 31 und 32 verschlossen sind, die in einem vorgegebenen Abstand voneinander angeordnet sind und einen den Boden 22 des Rotors aufnehmenden Zwischenraum 33 bilden. In mindestens zwei Stirn­ wandungen 30, 31 oder 32 ist die Propellerwelle 1 drehbeweglich und ab­ dichtend gelagert. Die von den Hohlzylindern gebildeten Hohlräume 33 und 34 sind ebenso wie die nicht bezeichneten magnetischen Spalte mit einer unkompressiblen Flüssigkeit derart gefüllt, daß sich bei einer Drehung des Rotors in dem Zwischenraum 33 eine Geschwindigkeit der Flüssigkeits­ massen bei minimaler Reibung von annähernd halber Drehgeschwindigkeit des Rotors ausbildet.

Der Hohlraum 34 des Hohlzylinders 28 kann beispielsweise zur Gewichtser­ sparnis mit einer Flüssigkeit geringer Dichte, z. B. Benzin, gefüllt werden und mit einer Druckausgleichsmembran abgedichtet sein. Dieses gilt auch für den Hohlraum 14 des Rotors 9 aus Fig. 1. Die zeichnerisch nicht be­ zeichneten Abdichtungen des Stators 7 aus Fig. 1 bzw. der Statorringe 23 und 24 aus Fig. 2 sind vorzugsweise aus Kunststoff hergestellt, wobei der Wicklungsraum ausgenommen werden kann, denn die rotierende Flüssigkeit sorgt automatisch für eine Kühlung. Ein solcher Motor erreicht gute Ge­ samtwirkungsgrade von etwa 88%. Durch die Einführung von polymeren Ad­ ditiven in die rotierenden Flüssigkeiten kann der Wirkungsgrad auf über 90% gesteigert werden. Der Unterwassermotor ist von der Wasseroberfläche mit einem Leistungsfaktor cos ϕ = 1 durch Pulswechselrichter ohne Rück­ meldung im Vier-Quadrantenbetrieb steuerbar. Auch eine drehzahlgeregelte Speisung von einem Pulswechselrichter ist zweckmäßig. Der Rotor kann zu­ sätzlich mit einer Dämpferwicklung ausgerüstet werden, so daß der Unter­ wassermotor mit einem Strom-Umrichter betrieben werden kann.

Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß bei einem Tauchboot der Unterwassermotor außerhalb des Druckkörpers aber direkt dahinter mit einem möglichst großen Durchmesser angeordnet ist. Hierbei ist der auf der Propellerwelle 1 an­ geordnete Propeller mit 35 bezeichnet. Über ein Kabel 36, das in den Innen­ raum des Tauchbootes 37 geführt ist, wird dem Stator 7 die erforderliche elektrische Energie zugeführt. Die Induktivität eines langen Unterwasser- Seekabels bei der Stellung von Frequenz und Spannung des Pulswechselrich­ ters über Wasser wird so berücksichtigt, daß am Unterwassermotor im tiefen Wasser eine Einspeisung mit dem Leistungsfaktor cos d = 1 erfolgt.

Claims (14)

1. Unterwassermotor, bei dem der mit einer Antriebswelle mechanisch fest verbundene Rotor als Radialfeldläufer mit Permanentmagneterregung ausge­ bildet ist und mit einem stehenden Stator und der Stator und Rotor zum Druck­ ausgleich einen mit einer Flüssigkeit gefüllten magnetischen Spalt bilden, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor als geschlossener Hohlzylinder (9 ) mit ebenen Stirnflächen (10, 11) ausgeführt ist, in dessen vom Stator (7) um­ gebener ringförmiger Wandung (12) die Permanentmagnete (13) angeordnet sind, daß der Hohlraum (14) des Rotors mit einer unkompressiblen Flüssigkeit gefüllt ist, daß der Stator (7) in der ringförmigen Wandung (6) eines zweiten, den Rotor (9) aufnehmenden Hohlzylinders (8) angeordnet ist, in dessen glatten und rotationssymmetrischen Seitenwänden (4, 5) die Propellerwelle (1) drehbe­ weglich und abdichtend gelagert ist, und daß in den von den Seitenwänden (4, 5) bzw. Stirnwänden (10, 11) beider Hohlzylinder (8 bzw. 9) gebildeten Zwischenräumen (15, 16) eine unkompressible Flüssigkeit derart angeordnet ist, daß bei Drehung des Rotors (9) diese Flüssigkeitsmassen infolge der fest­ stehenden Seitenwände des ersten Hohlzylinders (8) bei minimaler Reibung auf etwa die halbe Drehgeschwindigkeit des Rotors (9) beschleunigt werden.

2. Unterwassermotor, bei dem der mit einer Antriebswelle mechanisch fest verbundene Rotor als Radialfeldläufer mit Permanentmagneterregung ausge­ bildet ist und mit einem feststehenden Stator und der Stator und Rotor zum Druckausgleich einen mit einer Flüssigkeit gefüllten magnetischen Spalt bilden, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor als einseitig offener zylindrischer Topf (20) ausgebildet ist, in dessen ringförmiger Zylinderwand (21) die Permanentmagnete (13) eingelassen sind und dessen an der Propellerwelle ( 1) befestigter Boden (22) eben ausgebildet ist, daß die die Permanentmagnete (13) tragende ring­ förmige Zylinderwand (21) innen und außen von einem Innen- und Außenstator­ ring (23 bzw. 24) umgeben ist, daß die Innen- und Außenstatorringe (23, 24) in den ringförmigen Wandungen (25, 26) von jeweils einem von zwei ineinan­ der geschachtelten feststehenden Hohlzylindern (27 bzw. 28) angeordnet sind, die an einer Stirnseite mechanisch miteinander verbunden und durch eine Stirnwandung (30) verschlossen sind, daß die anderen Stirnseiten der Hohl­ zylinder (27 bzw. 28) durch separate Stirnwandungen (31 bzw. 32) ver­ schlossen sind, die in einem vorgegebenen Abstand voneinander angeordnet sind und einen den Boden (22) des Rotors aufnehmenden Zwischenraum (33) bilden, daß die Propellerwelle (1) in mindestens zwei Stirnwandungen (30 bis 32) drehbeweglich und abdichtend gelagert ist, und daß die von den Hohlzylindern (27, 28) gebildeten Hohlräume (33, 34) mit einer unkompres­ siblen Flüssigkeit derart gefüllt sind, daß sich bei einer Drehung des Rotors in dem den Rotor aufnehmenden Zwischenraum (32) eine Geschwindig­ keit der Flüssigkeitsmassen bei minimaler Reibung von annähernd halber Drehgeschwindigkeit des Rotors ausbildet.

3. Unterwassermotor nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen die beiden Hohlzylinder (27, 28) miteinander verbindenden Zwischenring (29).

4. Unterwassermotor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine dreh­ zahlgeregelte Speisung von einem Pulswechselrichter.

5. Unterwassermotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor zusätzlich eine Querdämpferwicklung aufweist, und daß der Unter­ wassermotor mit einem Umrichter mit Stromzwischenkreis betrieben wird.

6. Unterwassermotor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch ein vorgegebenes großes Durchmesser-Breitenverhältnis des Unterwasser­ motors kleine Nenndrehzahlen realisiert und die Anzahl der Permanentma­ gneten (13) minimiert werden.

7. Unterwassermotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der mit Flüssigkeit gefüllte magnetische Spalt zwischen Stator (7) und Rotor (9) für die magnetische Ausnutzung optimal klein gehalten wird.

8. Unterwassermotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die freirotierende Flüssigkeit Zusätze von viskositäts-fördernden polymeren Additiven aufweist.

9. Unterwassermotor nach Anspruch 1, 2, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht mit dem magnetischen Spalt in Verbindung stehenden Flüssig­ keiten eine möglichst geringe Dichte haben.

10. Unterwassermotor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlzylinder Druckausgleichsmembranen aufweisen.

11. Unterwassermotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abdichtung mit Stopfbuchsen am Propellerwellenausgang erfolgt.

12. Unterwassermotor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Induktivität eines langen Unterwasser-Seekabels bei der Stellung von Frequenz und Spannung des Pulswechselrichters über Wasser so berücksichtigt wird, daß am Motor im tiefen Wasser eine Einspeisung mit dem Leistungsfaktor cos ϕ = 1 erfolgt.

13. Unterwassermotor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeich­ net, daß bei Tauchbooten (37) die Motore außerhalb des Druckkörpers aber direkt dahinter mit möglichst großem Durchmesser angeordnet sind.

14. Unterwassermotor nach Anspruch 1, 2, 4, 5, 7, 8, 9, 12 oder 13, da­ durch gekennzeichnet, daß zum Erreichen eines geringen Schwungmomentes die Längsabschottung des Rotors entfällt.