DE3932918C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Antreiben von Wasser­ fahrzeugen, mit einem von Umgebungswasser durchströmten zylin­ drischen Körper, in dem ein als Schraube ausgebildetes hydrodyna­ misches Antriebselement auf einer Welle angeordnet ist, wobei die Schraube als Rotor einer elektrischen Maschine ausgestaltet und der zylindrische Körper von einer Solenoid-Magnetspule umgeben ist.

Eine Vorrichtung der vorstehend genannten Art ist aus der GB-Z "Marine Propulsion, Juli/August 1989, Seite 40", bekannt.

Bei der bekannten Vorrichtung ist ein axial verhältnismäßig kurzes Rohr vorgesehen, das von Umgebungswasser durchströmt wird. Mittels radialer Streben ist ein axiales Wellenaggregat zentral gehalten, bei dem eine Welle in einer raumfest gelagerten Hülse drehbar gelagert ist. Auf der drehbaren Welle sitzt eine Schraube, deren Flügel an ihren freien Enden wiederum mit einem rohrförmigen Bauteil versehen sind. Das rohrförmige Bauteil trägt an seinem Außenumfang einen Rotoreisen-Ring und darauf wiederum Permanentmagnete. Diese Permanentmagnete befinden sich in geringem radialem Abstand von einem Stator, der in das äußere Rohr der Vorrichtung integriert ist. Das äußere Rohr wirkt damit zugleich als Ständerschutzzylinder.

Die Schraube mit dem ringförmigen Rotoreisen und den Permanent­ magneten bildet daher den Rotor einer elektrischen Maschine, dessen Stator in dem äußeren Rohr der Vorrichtung angeordnet ist. Wird nun der Stator mittels eines Wechselstroms erregt, so dreht sich der Rotor, d. h. die Schraube, in dem äußeren Rohr der Vorrichtung und erzeugt damit einem Vorschub.

Die bekannte Anordnung hat damit prinzipiell die Funktion einer Wechselstrommaschine, mit der Folge, daß ein Wechselstrom zur Erregung der Statorwindungen benötigt wird. Bei der bekannten Vorrichtung ist hierzu ein Wechselstromgenerator vorgesehen, der mittels eines Dieselmotors angetrieben wird und dessen Leistungsbandbreite mit 40 kW bis 1500 kW angegeben ist.

Die bekannte Anordnung ist damit mechanisch und elektrisch sehr aufwendig, weil zunächst die chemische Energie eines fossilen Brennstoffs (Dieselöl) in mechanische Energie, dann wieder in elektrische Energie und schließlich wiederum in mechanische Energie, umgewandelt werden muß. Hierdurch entsteht ein schlechter Wirkungsgrad, und die Anordnung ist überdies ausschließlich für Überwasserfahrzeuge geeignet, weil ein Diesel­ aggregat bei vertretbarem Aufwand nur bei Überwasserfahrzeugen betreibbar ist.

Eine weitere Vorrichtung zum Antreiben von Wasserfahrzeugen ist aus einem Vortragsmanuskript von Intichar, L., Erlangen, mit dem Titel "Supraleitende Maschinen" bekannt, das anläßlich eines Vortrages ausgegeben wurde, der im Rahmen eines Seminars "Supraleitungstechnik" am 13. und 14. Mai 1985 in der Schule für Kerntechnik des Kernforschungszentrums Karlsruhe stattfand.

Bei dieser bekannten Vorrichtung ist an Bord eines Überwasser­ schiffes ein mechanischer Antrieb, bestehend aus zwei Diesel­ maschinen mit mittlerer Geschwindigkeit vorgesehen. Die Diesel­ maschinen treiben mechanisch zwei supraleitende Generatoren an, die wiederum elektrisch eine supraleitende Unipolar-Maschine antreiben. Die supraleitende Unipolar-Maschine wiederum treibt in konventioneller Weise über eine Welle eine übliche Schiffs­ schraube an. Alternativ wird dabei vorgeschlagen, für die supraleitende Maschine entweder eine Unipolar-Maschine vom Scheibentyp mit homogen axial gerichtetem Magnetfeld oder eine Unipolar-Maschine vom Trommeltyp mit radial gerichtetem Magnet­ feld einzusetzen.

Bei der bekannten Vorrichtung, die offenbar für zivile Anwen­ dungsbereiche bei Überwasserschiffen gedacht ist, wird somit ein wesentlicher möglicher Vorteil einer Unipolar-Maschine verschenkt, nämlich der, daß eine Unipolar-Maschine im Prinzip nur ein einziges bewegtes Teil, nämlich den bewegten Leiter mit dem damit drehverbundenen Antriebselement aufweist, das wiederum die erforderliche Vortriebskraft erzeugt. Bei der bekannten Vorrichtung wird vielmehr eine komplizierte Anordnung mit Dieselmaschinen, supraleitendem Generator und supraleitender Unipolar-Maschine verwendet, die nicht nur äußerst aufwendig ist, sondern darüber hinaus auch durch die Vielzahl periodisch alternierend bewegter Teile, z. B. der Kolben der Dieselmotoren, erhebliche Geräusche erzeugt.

Die bekannte Vorrichtung ist daher nur für die genannten zivilen Anwendungen geeignet.

Eine weitere Vorrichtung zum Antreiben von Wasserfahrzeugen ist aus der GB-Z "Maritime Defense, The Journal of International Naval Technology", 12/1988, Seite 445, bekannt.

Diese bekannte Vorrichtung ist ein sogenannter magnetohydrodyna­ mischer Antrieb (MHD-Antrieb), bei dem einem Medium, das bewegliche Ladungsträger enthält, sowohl ein elektrisches wie auch ein magnetisches Feld aufgeprägt wird. Infolge des ein­ wirkenden elektrischen Feldes geraten die Ladungsträger in Bewegung, und es wird dann infolge der Bewegung der Ladungs­ träger im magnetischen Feld auf die Ladungsträger die sogenannte Lorentz-Kraft ausgeübt, die sich aus dem Kreuzprodukt der Vektoren des magnetischen Feldes und der Geschwindigkeit in bekannter Weise ergibt.

Bei diesem bekannten Wasserfahrzeug-Antrieb ist ein von Um­ gebungswasser durchströmtes Rohr von zwei symmetrisch zur Rohrachse angeordneten supraleitenden Sattelspulen umgeben. Die Sattelspulen erzeugen damit ein magnetisches Feld, dessen Richtung senkrecht zur Rohrachse verläuft. Im Rohr sind zwei kondensatorartige Plattenelektroden in axialer Richtung ange­ ordnet, so daß das von diesen Plattenelektroden erzeugte magnetische Feld ebenfalls senkrecht zur Achsrichtung, aber auch senkrecht zur Richtung des magnetischen Feldes verläuft. Dies hat zur Folge, daß den im Rohr befindlichen freien Ladungs­ trägern des Umgebungswassers, nämlich den Ionen des Salzwassers, eine Lorentz-Kraft mitgeteilt wird, die in Axialrichtung des Rohres verläuft. Die bekannte Anordnung erzeugt somit eine Rückstoßkraft, die von den im Rohr axial bewegten Ladungsträgern herrührt. Bei der bekannten Vorrichtung zum Antreiben eines Wasserfahrzeuges wird mit den Sattelspulen eine Magnetfeldstärke von 2 T mit einem Strom von 2000 A erzeugt, was zu einer Rückstoßkraft von 8 kN führen soll.

Bei der bekannten Vorrichtung ist von Vorteil, daß die Antriebs­ einheit keinerlei bewegliche Elemente benötigt und daher praktisch keine Antriebsgeräusche auftreten. Aufgrunddessen eignen sich derartige Anordnungen auch für militärische Zwecke, insbesondere zum Antreiben von Unterseebooten.

Allerdings ist bei der bekannten Vorrichtung von Nachteil, daß der Wirkungsgrad verhältnismäßig niedrig, die erzeugte Antriebs­ kraft, bezogen auf die eingesetzte Energie, somit ungünstig ist.

Aus der DE-PS 8 73 362 ist ein Antrieb für Wasserfahrzeuge bekannt, bei dem der Antrieb durch einen Propeller in einem etwa in Fahrzeuglängsrichtung verlaufenden Schacht bewirkt wird. Der Schacht kann dabei die Form eines sich stromabwärts ver­ jüngenden Rohres aufweisen.

Aus der DE-PS 8 88 515 ist ein Schnellschiff bekannt, das als Tragflügelboot ausgebildet ist. Bei diesem Schnellschiff sind Antriebspropeller im Abstand vom Rumpf angeordnet, und zwar am unteren Ende von Stelzen, auf denen sich der Rumpf des Schnellschiffes bei schneller Fahrt über die Wasseroberfläche erhebt.

Aus der CH-PS 4 94 672 ist ein Motorboot mit Schraubenantrieb bekannt, bei dem die Schraube in einem vom Bug zum Heck ver­ laufenden Wasserführungsfohr arbeitet, das in der Längsrichtung des Bootes verläuft.

Aus der DE-Z: HANSA, 1989, Nr. 9/10, Seiten 681 bis 684, sind Hochleistungsmotoren für Schiffsantriebe bekannt, bei denen ebenfalls magnetohydrodynamische Antriebe verwendet werden. In diesem Zusammenhang wird auch vorgeschlagen, supraleitende Magnetspulen einzusetzen. In diesem Zusammenhang wird auch vorgeschlagen, hierfür neuere Supraleiter zu verwenden, die bereits bei -200°C supraleitend werden.

Unipolar-Maschinen an sich sind allgemein bekannt, z. B. aus dem DE-Buch: Moeller/Fricke/Frohne/Vaske, Grundlagen der Elektrotechnik; B. G. Teubner, Stuttgart 1986, Seiten 187 bis 191, insbesondere Fig. 4.43.

Unter "Solenoid-Spulen" sind im Rahmen der vorliegenden Anmeldung solche zylindrischen Magnetspulen zu verstehen, die im Vergleich zum Durchmesser axial lang ausgebildet sind. Nähere Einzelheiten hierzu finden sich im DE-Buch von Schnell, G. "Magnete", Verlag Karl Thiemig, München, 1973, Seite 139ff.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß mit einem Gleichstromantrieb bei geringstmöglicher Geräuschent­ wicklung eine größtmögliche Vortriebskraft bei niedrigem Energieeinsatz erzielt wird.

Diese Aufgabe wird zum einen erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die elektrische Maschine eine Unipolarmaschine ist, bei der der zylindrische Körper als Rohr ausgebildet ist, und die Solenoid-Magnetspule in dem Rohr ein im wesentlichen axiales Konstant-Magnetfeld erzeugt, und daß die Schraube mindestens einen radialen elektrischen Leiter umfaßt, der einerseits mit einer in der Welle verlaufenden ersten Zuleitung und andererseits mit einer entlang des Rohres verlaufenden zweiten Zuleitung elektrisch verbunden ist.

Die Aufgabe wird ferner dadurch gelöst, daß die elektrische Maschine eine Unipolarmaschine ist, bei der der zylindrische Körper als Rohr ausgebildet ist, und die Magnetspule mindestens bereichsweise ein im wesentlichen radiales Konstant-Magnetfeld erzeugt, und daß das Rohr mindestens einen im wesentlichen parallel zu einer Achse der Welle verlaufenden elektrischen Leiter umfaßt, der durch den radialen Bereich des Magnetfeldes verläuft und beidendig an Zuleitungen angeschlossen ist.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst. Durch die Verwendung einer Konfiguration, die ausschließlich nach Art einer Unipolar-Maschine ausgebildet ist, wird mit nur einem einzigen bewegten Teil, nämlich mit dem bewegten Leiter sowie dem damit integrierten Antriebselement, die erforderliche Vortriebskraft erzeugt. Es sind also weder Antriebselemente mit periodisch alternierend linear bewegten Maschinenelementen erforderlich, noch komplizierte Strukturen üblicher Gleichstromantriebe, wie sie beispielsweise in Unter­ seebooten eingesetzt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat vielmehr eine extrem einfache Struktur und eignet sich damit besonders für einen Einsatz im maritimen Bereich.

Die Erfindung hat ferner den wesentlichen Vorteil, daß die Schraube und der elektrische Leiter einstückig miteinander kombiniert sind, so daß die elektrischen Leiter hydrodynamisch nicht in Erscheinung treten. Hierbei macht man sich also in vorteilhafter Weise die Tatsache zunutze, daß eine Schraube als hydrodynamisches Antriebselement zur Aufnahme von elektri­ schen Leitern geeignet ist, die radial oder axial verlaufen können.

Unipolar-Maschinen sind, wie bereits erwähnt, an sich bekannt, beispielsweise aus dem Lehrbuch von Pohl "Einführung in die Physik", 20. Auflage, 1967, Band 2 "Elektrizitätslehre", Seiten 69 und 101 sowie aus dem Lehrbuch von Flegler, Grundgebiete der Elektrotechnik, Seite 219.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des zunächst genannten Ausführungsbeispiels der Erfindung verläuft der Leiter durch mindestens einen Flügel der Schraube.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß eine hydrodynamisch besonders günstige Form entsteht, weil der Leiter nicht als separates und damit strömungswiderstandsbehaftetes Element in Erscheinung tritt.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des zunächst genannten Ausführungsbeispiels sind das Rohr und die Schraube drehstarr miteinander verbunden.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß eine mechanisch stabile Einheit von Rohr und Schraube entsteht.

Bei der Erfindung ist ferner bevorzugt, wenn die Magnetspule mindestens eine Solenoidspule umfaßt.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß eine besonders einfache Spulenkonfiguration verwendet wird, die als Baueinheit hydro­ dynamisch günstig ist, die einfach gewickelt werden kann und die auch in supraleitender Ausführung ohne Probleme handhabbar ist.

Die Schraube ist vorzugsweise mehrgängig und koaxial zur Solenoidspule angeordnet.

Auf diese Weise entsteht eine kompakte, hydrodynamische günstige und in ihren Antriebseigenschaften vorteilhafte bzw. mit bekannten Mitteln optimierbare Antriebseinheit, die sowohl in Überwasserschiffen wie auch in Unterseebooten in mannigfaltiger Einbauart Verwendung finden kann.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung dieses Ausführungsbeispiels sind zwei Solenoidspulen gleichachsig und axial voneinander beabstandett angeordnet, und der Leiter verläuft in axialer Richtung im Zwischenraum zwischen den Solenoidspulen.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß das zwischen den Solenoid­ spulen in radialer Richtung austretende Magnetfeld zu einem doppelten Drehmoment führt, und daß das Feld bei genügend naher axialer Beabstandung der beiden Solenoidspulen auch auf einen axial kurzen Raumbereich konzentriert werden kann und dort auch in genügender Homogenität radial verläuft.

Um die erforderlichen elektrischen Verbindungen zwischen den raumfesten und den drehbaren Elementen herzustellen, sind unterschiedliche Kombinationen denkbar.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Rohr über einen ersten Schleifkontakt mit einer raumfest angeordneten Spannungsquelle elektrisch verbunden.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß das Rohr eine kontinuierlich umlaufende Umfangsfläche hat, an der Schleifkontakte besonders gut anliegen können.

Bei weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung sind die Welle der Schraube und die Schraube drehstarr miteinander verbunden, und die Welle ist über einen zweiten Schleifkontakt mit einer raumfest angeordneten Spannungsquelle elektrisch verbunden.

Mit diesen Maßnahmen können unterschiedliche kinematische Variationen für Antriebsanordnungen und elektrische Verbindungen zwischen Welle, Schraube und Rohr, relativ zum raumfesten Bezugssystem, realisiert werden.

Bei noch einer weiteren Gruppe von Ausführungsbeispielen ist die Schraube drehstarr mit der Solenoidspule verbindbar und ein radial gerichtetes elektrisches Feld ist in dem von der Solenoidspule umschlossenen Raum erzeugbar.

Diese Maßnahmen haben den Vorteil, daß in bestimmten Betriebs­ fällen des Wasserfahrzeuges auf einen MHD-Antrieb umgeschaltet werden kann, der frei von mechanischer Geräuschentwicklung ist. Hierzu wird die Schraube arretiert und mittels des radial gerichteten elektrischen Feldes in Zusammenwirkung mit dem axial gerichteten magnetischen Feld dem Umgebungswasser im Bereich der Schraube eine zirkulare Bewegung um die Achse der Schraube herum aufgeprägt. Da die Schraube eine Leitfläche aufweist, die zur Achse angestellt ist, wird das zirkulare umlaufende Umgebungswasser in axialer Richtung umgelenkt und erzeugt auf diese Weise einen Rückstoß.

Mit den vorstehend erläuterten Maßnahmen ist es somit möglich, ein Wasserfahrzeug mit einem Antrieb zu versehen, der im nicht­ sensiblen Einsatzfall nach Art einer Unipolarmaschine arbeitet, d. h. mit einer gewissen, wenngleich geringen Geräuschentwicklung, während im sensiblen Einsatz, bspw. bei einer Schleichfahrt eines Unterseebootes auf den MHD-Antrieb umgeschaltet wird.

Im Rahmen der Erfindung ist besonders bevorzugt, wenn eine supraleitende Spule als Magnetspule eingesetzt wird, weil die Vortriebskraft sowohl beim Unipolar-Antrieb mit sich drehendem Antriebselement wie auch beim MHD-Antrieb die Vortriebskraft direkt von der magnetischen Feldstärke abhängt.

Hierbei ist besonders bevorzugt, wenn die Spule aus einem Hochtemperatur-Supraleiter besteht.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß je nach Sprungtemperatur des Supraleiters nur verhältnismäßig einfache Kühleinrichtungen oder sogar überhaupt keine Kühleinrichtungen erforderlich sind, wenn ein supraleitendes Material zum Wickeln der Spule eingesetzt wird, das bereits bei der Umgebungstemperatur des Wasser­ fahrzeuges in supraleitendem Zustand ist.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nach­ stehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematisierte Ansicht eines in einem Magnet­ feld befindlichen, stromdurchflossenen Leiters, zur Erläuterung eines Unipolar-Antriebes;

Fig. 2 eine schematisierte Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 3 in vergrößertem Maßstab einen Ausschnitt aus der Darstellung der Fig. 2, jedoch für eine Variante eines erfindungsgemäßen Antriebes mit zusätzlicher Betriebsmöglichkeit als MHD-Antrieb;

Fig. 4 eine Darstellung, ähnlich Fig. 2, jedoch für noch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 5 bis 8 schematisierte Frontansichten von Wasserfahrzeugen mit unterschiedlichen Anordnungen erfindungsgemäßer Vorrichtungen.

In Fig. 1 sind mit 10 Feldlinien eines magnetischen Feldes B bezeichnet. Die magnetischen Feldlinien 10 verlaufen zueinander parallel in einer vorgegebenen Richtung.

Ein elektrischer Leiter 11 ist senkrecht zu den magnetischen Feldlinien 10 angeordnet und wird von einem Gleichstrom I durchflossen. Der elektrische Leiter 11 ist in einer Richtung senkrecht zu seiner Erstreckung in mit 12 angedeuteten Lagern drehbar gehalten.

Da der Leiter 11, wie erwähnt, senkrecht zu den magnetischen Feldlinien 10 gerichtet und stromdurchflossen ist, wird er infolge der sich einstellenden Lorentz-Kraft senkrecht zu seiner Erstreckung und senkrecht zu den magnetischen Feldlinien 10 ausgelenkt, so daß er eine Drehbewegung um eine durch die Lager 12 definierte Achse 14 ausführt, die parallel zu den magnetischen Feldlinien 10 gerichtet ist.

Über die Drehbewegung des elektrischen Leiters 11 um die Achse 14 kann ein Drehmoment abgenommen und zu Antriebszwecken verwendet werden.

In Fig. 2 bezeichnet 20 insgesamt eine Antriebseinheit für Wasserfahrzeuge.

Eine Solenoidspule 21 ist um eine Achse 22 herum rotations­ symmetrisch angeordnet. Die Solenoidspule 21 kann eine resisti­ ve, d. h. normal leitende Spule, oder aber auch eine supraleiten­ de Spule sein, wozu weitere Einzelheiten in den Fig. der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sind.

Die Solenoidspule 21 ist an einer Außenseite eines Wasser­ fahrzeuges angeordnet, so daß ihr Innenraum vom Umgebungswasser ausgefüllt ist.

Mit 23 ist eine raumfeste Halterung der Solenoidspule 21 am Schiffskörper angedeutet, um zu verdeutlichen, daß die Solenoid­ spule 21 nicht drehbar ist.

Mit 24 sind die Feldlinien des von der Solenoidspule 21 erzeug­ ten magnetischen Feldes B bezeichnet. Die Feldlinien 24 ver­ laufen im Inneren der Solenoidspule 21 im wesentlichen in axialer Richtung und werden erst im Außenraum der Solenoidspule 21 in eine radiale Richtung umgelenkt, wie dies an sich bekannt ist.

Eine Welle 30 erstreckt sich koaxial zur Solenoidspule 21 entlang der Achse 22. Die Welle 30 ist in raumfesten Lagern 31 drehbar gelagert. Sie trägt eine Schraube 32, die im darge­ stellten Ausführungsbeispiel eine mehrgängige archimedische Spirale ist.

An dem in Fig. 2 rechten Ende trägt die Welle 30 einen ersten Schleifring 33, der mit einer ersten elektrischen Leitung 34 verbunden ist. Die erste elektrische Leitung 34 durchsetzt die Welle 30 in axialer Richtung. Von der ersten elektrischen Leitung 34 gehen radiale Stichleitungen 35 ab, die sich durch Flügel der Schraube 32 hindurch erstrecken.

Die freien Enden der Flügel der Schraube 32 sind von einem zylindrischen Rohr 36 umgeben, das mit der Schraube 32 und damit auch mit der Welle 30 drehstarr verbunden ist.

Das Rohr 36 ist in axialer Richtung elektrisch leitfähig, entweder dadurch, daß axial verlaufende elektrische Leitungen verlegt sind, wie dies mit der ersten elektrischen Leitung 34 in der Welle 30 der Fall ist, oder indem das Rohr 36 teilweise oder insgesamt leitfähig ist.

Wichtig bei der vorstehend erläuterten Konfiguration ist alleine, daß die Flügel der Schraube 32 in radialer Richtung stromdurchflossen sind, während im übrigen die Leitung des elektrischen Stromes in axialer Richtung durch die Welle 30 und durch das Rohr 36 in unterschiedlichster Weise ausgeführt sein kann.

Am Rohr 36 befindet sich ein zweiter Schleifring 37. Mit Bürsten 38 bzw. 39 wird ein elektrischer Kontakt zu den Schleifringen 33 bzw. 37 hergestellt. Die Bürsten 38, 39 sind an eine erste Spannungsquelle 40 angeschlossen.

Wie mit einem Pfeil 41 angedeutet, werden die radialen Stich­ leitungen 35 auf diese Weise von Strom durchflossen, und zwar sämtlich bei der eingezeichneten Polarität von außen radial nach innen. Da andererseits die magnetischen Feldlinien 24 in Fig. 2 von rechts nach links gerichtet sind, bedeutet dies, wie ein Vergleich mit der Prinzipdarstellung der Fig. 1 zeigt, daß der Welle 30 ein Drehmoment in Uhrzeigerrichtung, von der linken Seite der Fig. 2 her betrachtet, mitgeteilt wird.

Auf diese Weise wird die Schraube 32 gedreht und die Antriebs­ einheit 20 entwickelt einen Rückstoß.

Fig. 3 zeigt das rechte stirnseitige Ende einer Antriebseinheit 20′, die sehr ähnlich der Antriebseinheit 20 gemäß Fig. 2 gestaltet ist; und es sind daher auch gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wie man aus Fig. 3 erkennt, ist das Rohr 36 auf seiner innen­ zylindrischen Oberfläche mit einem ersten leitfähigen Belag 50 versehen, während die Welle 30′ an ihrer außenzylindrischen Oberfläche einen zweiten leitfähigen Belag 51 trägt. Es versteht sich dabei, daß das Rohr 36′ bzw. die Welle 30′ auch insgesamt leitfähig, beispielsweise metallisch, ausgebildet sein können.

Eine zweite elektrische Leitung 52 erstreckt sich in axialer Richtung durch die Welle 30′ und ist einerseits mit dem zweiten leitfähigen Belag 51 und andererseits einem dritten Schleifring 53 verbunden. Mittels einer dritten Bürste 54 wird der Kontakt zum dritten Schleifring 53 hergestellt.

Eine zweite Spannungsquelle 55 ist zwischen die dritte Bürste 54 und die zweite Bürste 39 geschaltet, die ihrerseits gal­ vanisch mit dem ersten leitfähigen Belag 50 verbunden ist.

Während die erste Spannungsquelle 40 so ausgelegt ist, daß ein möglichst hoher Strom I (vgl. Fig. 2) durch die radialen Stichleitungen 35 fließt, ist die zweite Spannungsquelle 55 so ausgelegt, daß eine möglichst hohe Spannung zwischen den leitfähigen Belägen 50, 51 erzeugt wird. Auf diese Weise wird ein radial gerichtetes elektrisches Feld erzeugt, dessen Feldlinien 65 sich in radialer Richtung zwischen den leitfähigen Belägen 50, 51 erstrecken.

Mittels Schaltern 56, 57 kann einmal die erste Spannungsquelle 40 und zum anderen die zweite Spannungsquelle 55 in ihren jeweiligen Stromkreis eingeschaltet werden.

Wenn der erste Schalter 56 geschlossen ist, fließt nur ein Gleichstrom I in der bereits erläuterten Weise über die radialen Stichleitungen 35, und die Antriebseinheit 20′ arbeitet nach Art einer Unipolar-Maschine, wie bereits zu Fig. 2 erläutert wurde.

Alternativ dazu kann nun jedoch auf einen MHD-Antrieb umgeschal­ tet werden.

Hierzu wird zunächst eine Feststellbremse 60 angezogen, mit der die Welle 30′ raumfest arretiert, d. h. drehstarr mit der Solenoidspule 21 verbunden werden kann. Nun wird bei geöffnetem ersten Schalter 56 der zweite Schalter 57 geschlossen. Zwischen den leitfähigen Belägen 50, 51 liegt nun eine hohe Gleich­ spannung, und es bildet sich das elektrische Feld E mit den Feldlinien 65 aus.

Da die Feldlinien 24 des magnetischen Feldes B und die Feld­ linien 25 des elektrischen Feldes E senkrecht aufeinander stehen und zwar in axialer bzw. in radialer Richtung, wird den Ionen des umgebenden Salzwassers eine Lorentz-Kraft mitge­ teilt, die zirkular um die Achse 22 herum gerichtet ist. Dies ist bei 66 angedeutet, wo man erkennt, daß das Umgebungswasser in Uhrzeigerrichtung, in Fig. 3 von links betrachtet, umläuft.

Da die Flügel der Schraube 32 mit zur Achse 22 geneigten Leitflächen versehen sind, wird das Umgebungswasser auf seiner zirkularen Bahn zugleich in axialer Richtung umgelenkt und erzeugt damit ebenfalls einen Rückstoß auf die Antriebseinheit 20′.

Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel weist eine Antriebseinheit 70 zwei Solenoidspulen 71a, 71b auf, die koaxial zu einer Achse 72, jedoch axial beabstandet nebeneinander angeordnet sind.

Die Solenoidspulen 71a, 71b werden von einer gemeinsamen Welle 73 durchdrungen, die wiederum eine Schraube trägt. Dabei befindet sich ein Schraubenabschnitt 74a innerhalb der Solenoid­ spule 71a und ein weiterer Schraubenabschnitt 74b innerhalb der Solenoidspule 71b.

Über Schleifkontakte 75a, 75b kann eine elektrisch leitende Verbindung zur Welle 73 an deren beiden freien Enden hergestellt werden.

Innerhalb der Welle 73 verlaufen axiale elektrische Leitungs­ stücke 76a bzw. 76b, jeweils im Bereich der Solenoidspulen 71a, 71b. Von den axialen elektrischen Leitungen 76a, 76b zweigen wiederum radiale Stichleitungen 77a bzw. 77b ab, die die Flügel der Schraubenabschnitte 74a, 74b radial durchsetzen.

Die radialen Stichleitungen 77a, 77b verlaufen dann axial in einem Rohr 78, das die Schraubenabschnitte 74a, 74b wiederum umgibt und das auch drehstarr sowohl mit den Schraubenabschnit­ ten 74a, 74b wie auch mit der Welle 73 verbunden ist.

Die im Rohr 78 axial verlaufenden Leitungsabschnitte sind mit 79 bezeichnet.

Die Solenoidspulen 71a, 71b werden gegensinnig von Strom durchflossen, so daß sie axial entgegengesetzt gerichtete magnetische Felder B erzeugen. Mit 85aa sind die axial gerich­ teten magnetischen Feldlinien der Solenoidspule 71a und mit 85ba die entsprechend entgegengesetzt gerichteten axial ver­ laufenden magnetischen Feldlinien der Solenoidspule 71b bezeich­ net. In entsprechender Weise bezeichnen 85ar bzw. 85br die radial verlaufenden magnetischen Feldlinien der Solenoidspulen 71a bzw. 71b, wobei zu beachten ist, daß diese radial gleich­ sinnig verlaufen.

Bei der in Fig. 4 eingezeichneten Konfiguration wird ein Gleichstrom I über den rechten Schleifkontakt 75b in die axial verlaufende elektrische Leitung 76b eingespeist. Der Strom verzweigt sich von dort aus in die radialen Stichleitungen 77b und strömt dann durch die axial verlaufenden elektrischen Leitungen 79 entlang des Rohres 78, um dann wieder in die radialen Stichleitungen 77a einzutreten, sich in der axial gerichteten elektrischen Leitung 76a innerhalb der linken Solenoidspule 71a zu sammeln und dann über den linken Schleif­ kontakt 75a wieder abgeführt zu werden.

Im Bereich der Flügel der Schraubenabschnitte 74a, 74b stellt sich nun derselbe Effekt ein, wie er bereits zu Fig. 2 im einzelnen beschrieben wurde. Mit 86r ist dabei der radial verlaufende Strom I bezeichnet und man erkennt leicht, daß die Verhältnisse innerhalb der Solenoidspule 71a, 71b jeweils zweifach entgegengesetzt sind, so daß sich daraus dieselbe Drehrichtung für die Welle 73 ergibt.

Der in axialer Richtung 86a strömende Strom I trifft im axialen Zwischenraum zwischen Solenoidspule 71a und 71b auf zu seiner Strömungsrichtung rechtwinklig verlaufende Feldlinien 85ar bzw. 85br, so daß auch dort eine Kraft in Umfangsrichtung auf die elektrischen Leitungen 79 ausgeübt wird. Auch hier ist die Konfiguration so, daß der Welle 73 dieselbe Drehrichtung mitgeteilt wird.

Bei der Antriebseinheit 70 der Fig. 4 wird somit sowohl das axial gerichtete magnetische Feld wie auch das radial gerichtete magnetische Feld ausgenutzt. Es versteht sich, daß die Anordnung der Fig. 4 sich in axialer Richtung mehrfach mit kurzen Sole­ noiden wiederholen kann.

Es versteht sich dabei, daß bei Ausführungsbeispielen der Erfindung auch solche Anordnungen gewählt werden können, bei denen nur die radial gerichteten Feldlinien ausgenutzt werden und es können bei der Anordnung der Fig. 4 selbstverständlich auch diejenigen radial gerichteten Feldlinien ausgenutzt werden, die sich links und rechts der Antriebseinheit 70 in den Außen­ raum hinein erstrecken.

Der die Schraube umgebende Außenmantel kann durchaus vollkommen geschlossen sein. Ebenso können die Solenoidspulen 71a und 71b starr miteinander verbunden sein, etwa über ein gemeinsames Stützrohr. Insbesondere supraleitende Solenoide können sich innerhalb eines gemeinsamen Kryostaten auf einem Spulenträger befinden, so daß mechanische Kräfte zwischen den Solenoiden sicher abgefangen werden.

In den Fig. 5 bis 8 sind verschiedene Varianten dargestellt, wie einzelne Antriebseinheiten oder Tandem-Antriebseinheiten in Schiffsrümpfen von Über- oder Unterwasserfahrzeugen unter­ gebracht werden können.

Bei der Variante gemäß Fig. 5 ist eine einzelne Antriebseinheit 20 der in Fig. 2 erläuterten Art in einem Schiffsrumpf 90 integriert, so daß ein minimaler Strömungswiderstand entsteht.

Bei der Variante gemäß Fig. 6 ist eine Tandem-Antriebseinheit 20a, 20b an Auslegern 92a, 92b im Abstand von einem Schiffsrumpf 91 angeordnet.

Bei der Variante gemäß Fig. 7 befindet sich wiederum eine einzelne Antriebseinheit 20 gemäß Fig. 2 am unteren Ende eines Kieles 94 eines Schiffsrumpfes 93.

Schließlich veranschaulicht Fig. 8 noch die Möglichkeit, eine Tandem-Antriebseinheit 20a, 20b in einem Schiffsrumpf 95 derart anzuordnen, daß die Richtung der Antriebseinheit 20a, 20b nicht parallel zur Fahrtrichtung verläuft, sondern um eine zur Fahrtrichtung senkrechte Achse 97 geschwenkt werden kann, wie mit einem Pfeil 96 angedeutet. Bei Unterwasserfahrzeugen kann damit in Tiefenrichtung mannövriert werden, während bei Überwasserfahrzeugen eine Levitation des Schiffsrumpfes erreicht werden kann, mit dem Ziel, den hydrodynamischen Widerstand nach Art von Tragflügelbooten zu verringern.

Es versteht sich dabei, daß die Anordnungen der Fig. 5 bis 8 auch in Kombination miteinander oder in Vertauschung der einzelnen Elemente eingesetzt werden können, beispielsweise beim Fall der Fig. 7, indem am unteren Ende des Kiels 64 nicht eine einzelne Antriebseinheit 20, sondern vielmehr eine Tandem- Einheit 20a, 20b nach Art der Fig. 4 eingesetzt wird.

Claims (13)

1. Vorrichtung zum Antreiben von Wasserfahrzeugen, mit einem von Umgebungswasser durchströmten zylindrischen Körper, in dem ein als Schraube (32; 74) ausgebildetes hydro­ dynamisches Antriebselement auf einer Welle (30; 73) angeordnet ist, wobei die Schraube (32; 74) als Rotor einer elektrischen Maschine ausgestaltet und der zylindrische Körper von einer Solenoid-Magnetspule (27; 71) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Maschine eine Unipolarmaschine ist, bei der der zylindrische Körper als Rohr (36; 78) ausgebildet ist, und die Solenoid- Magnetspule (27; 71) in dem Rohr (36; 78) ein im wesent­ lichen axiales Konstant-Magnetfeld (B) erzeugt, und daß die Schraube (32; 77) mindestens einen radialen elektrischen Leiter (35; 74) umfaßt, der einerseits mit einer in der Welle (30; 73) verlaufenden ersten Zuleitung (34; 76) und andererseits mit einer entlang des Rohres (36; 78) ver­ laufenden zweiten Zuleitung elektrisch verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (35; 77) durch mindestens einen Flügel der Schraube (32, 74) verläuft.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (36) und die Schraube (32) drehstarr miteinan­ der verbunden sind.

4. Vorrichtung zum Antreiben von Wasserfahrzeugen, mit einem von Umgebungswasser durchströmten zylindrischen Körper (78), in dem ein als Schraube (74) ausgebildetes hydrodyna­ misches Antriebselement auf einer Welle (73) angeordnet ist, wobei die Schraube (74) als Rotor einer elektrischen Maschine ausgestaltet und der zylindrische Körper von einer Magnetspule (71) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Maschine eine Unipolarmaschine ist, bei der der zylindrische Körper als Rohr (78) ausgebildet ist, und die Magnetspule (71) mindestens bereichsweise ein im wesentlichen radiales Konstant-Magnetfeld (85ar, 85br) erzeugt, und das Rohr (78) mindestens einen im wesentlichen parallel zu einer Achse (72) der Welle (73) verlaufenden elektrischen Leiter (79) umfaßt, der durch den radialen Bereich des Magnetfeldes (85ar, 85br) verläuft und beidendig an Zuleitungen (76) angeschlossen ist.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspule mindestens eine Solenoidspule (21; 71) umfaßt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Solenoidspulen (71a, 71b) gleichachsig und axial voneinander beabstandet angeordnet sind, und daß der Leiter (79) in axialer Richtung im Zwischenraum zwischen den Solenoidspulen (71a, 71b) verläuft.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (36) über einen ersten Schleifkontakt (37/39) mit einer raumfest an­ geordneten Spannungsquelle (40) elektrisch verbunden ist.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (30; 73) der Schraube (32; 74) und die Schraube (32; 74) drehstarr miteinander verbunden sind, und daß die Welle (30; 73) über einen zweiten Schleifkontakt (33/38; 75) mit einer raumfest angeordneten Spannungsquelle (40) elektrisch verbunden ist.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraube (32) drehstarr mit der Solenoidspule (21) verbindbar und daß ein radial gerichtetes elektrisches Feld (E) in dem von der Solenoid­ spule (21) umschlossenen Raum erzeugbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Feld (E) zwischen dem Rohr (36′) und der Welle (30′) erzeugbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (30′), die Schraube (32) und das Rohr (36′) drehstarr miteinander verbunden sind, und daß eine Span­ nungsquelle (55) einerseits mit dem Rohr (36′) und anderer­ seits mit der Welle (30′) jeweils über Schleifkontakte (37/39, 53/54) verbindbar ist.

12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Solenoidspule eine supraleitende Spule ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule aus einem Hochtemperatur-Supraleiter besteht.