EP2106998A1 - Unterseeboot - Google Patents

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EP2106998A1
EP2106998A1 EP09002562A EP09002562A EP2106998A1 EP 2106998 A1 EP2106998 A1 EP 2106998A1 EP 09002562 A EP09002562 A EP 09002562A EP 09002562 A EP09002562 A EP 09002562A EP 2106998 A1 EP2106998 A1 EP 2106998A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
propeller
rotor
drive motor
submarine
submarine according
Prior art date
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Granted
Application number
EP09002562A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP2106998B1 (de
Inventor
Hartmut Dipl.- Ing. Angenendt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ThyssenKrupp Marine Systems GmbH
Original Assignee
Howaldtswerke Deutsche Werft GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Howaldtswerke Deutsche Werft GmbH filed Critical Howaldtswerke Deutsche Werft GmbH
Publication of EP2106998A1 publication Critical patent/EP2106998A1/de
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Publication of EP2106998B1 publication Critical patent/EP2106998B1/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63G—OFFENSIVE OR DEFENSIVE ARRANGEMENTS ON VESSELS; MINE-LAYING; MINE-SWEEPING; SUBMARINES; AIRCRAFT CARRIERS
    • B63G8/00—Underwater vessels, e.g. submarines; Equipment specially adapted therefor
    • B63G8/08—Propulsion
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H21/00—Use of propulsion power plant or units on vessels
    • B63H21/12—Use of propulsion power plant or units on vessels the vessels being motor-driven
    • B63H21/17—Use of propulsion power plant or units on vessels the vessels being motor-driven by electric motor

Definitions

  • the invention relates to a submarine with the features specified in the preamble of claim 1.
  • the prior art includes submarines powered by an electric drive motor disposed in the pressure hull of the submarine.
  • the mechanical power generated by the drive motor is transmitted via a shaft from the drive motor to a propeller arranged on the outside of the pressure hull of the submarine.
  • Such a shaft is usually connected via an elastic coupling with the drive motor and guided by a pressure body passage through the pressure hull of the submarine to the propeller.
  • the shaft must be sealed to the pressure body bushing against the pending at maximum depth of the outside pressure, which is associated with a large design effort.
  • the seal required for this has the disadvantage that, in order to ensure the pressure tightness even at maximum depth, presses with considerable force on the shaft, which in turn leads to relatively large energy losses in the power transmission from the drive motor to the propeller.
  • DE 2 001 510 such as DE 1 895 486 are drives for submarines known, which are arranged outside the pressure hull.
  • drives containers are provided in each case, which are arranged at a distance from the pressure body.
  • these drives are not suitable because their arrangement generates large signatures, which may possibly lead to a discovery of the submarine.
  • the invention has the object to provide a submarine, which has an improved drive compared to the previously known submarines with an electric drive and also has improved rowing properties in development of the invention.
  • the submarine according to the invention which is in particular a military submarine, has a pressure body and is equipped with a propeller driven by an electric drive motor. According to the invention, this drive motor is arranged outside of the pressure chamber interior. Insofar it is with the Submarine according to the invention not required to provide a Druck Economics Modell debilitating Druckmaschinenger arrangement for the propeller shaft. As a result, the hitherto necessary sealing of the propeller shaft with respect to the pressure body in the region of a pressure body leadthrough becomes superfluous, whereby also the associated power losses in the power transmission from the drive motor to the propeller are eliminated. In addition, the arrangement of the drive motor outside the interior of the pressure hull a significant gain in space in the pressure hull, which is against the background of submarines in itself limited space of particularly advantageous importance.
  • the drive motor of the submarine according to the invention is designed as an external rotor. That is, the rotatable rotor of the electric drive motor, with which the propeller is typically operatively connected, circumferentially surrounds its stationary stator.
  • the electric drive motor can be designed both as an asynchronous motor and as a synchronous motor.
  • the drive motor is preferably designed as a synchronous motor and particularly advantageous as a synchronous motor in external rotor design in which the annular external rotor or rotor is permanently magnetized and preferably a plurality of distributed over its circumference Permanent magnets for generating the exciter field, while the stator carries a plurality of distributed over its outer circumference arranged Bestrombare coils.
  • the synchronous motor or the coils of the stator are expediently supplied with electrical energy via an inverter from the DC network of the submarine, wherein the inverter can form a structural unit both with the synchronous motor and can also be arranged at a distance from the synchronous motor.
  • the rotor of the drive motor forms part of the propeller.
  • a plurality of preferably radially aligned to the rotor propeller blades for generating a feed can be arranged on the outer peripheral side of the rotatable rotor distributed over the circumference.
  • the drive motor and the propeller form virtually a structural unit, so that advantageously no additional means for transmitting the engine power of the drive motor to the propeller are required.
  • the stator of the drive motor is incorporated in the Druckzzowandung.
  • the pressure body may have on its outer side an annular recess extending over the entire circumference of the pressure body, in which the likewise ring-shaped stator, which preferably has a plurality of juxtaposed coils for generating a magnetic field traveling on the circumference of the stator, is preferably fixed by means of a welded joint.
  • the rotor of the drive motor On the outside of the stator, that is to say on the outside of the outer circumference of the stator, the rotor of the drive motor is typically arranged, wherein the rotor advantageously also engages in the pressure-body wall.
  • the outside of the rotor is flush with the outside of the pressure body, ie the rotor and the regions of the pressure body wall surrounding the rotor together form a substantially smooth outside of the submarine, at which only the projecting radially on the outer circumference of the rotor arranged propeller blades.
  • the recess of the Druck Economicswandung in which the rotatably mounted on the stator rotor is incorporated, is suitably designed so that the rotor also under maximum Feed force of the propeller can not move in the axial direction.
  • the propeller blades can be rigidly arranged on the rotor, wherein they are aligned so that they impart the submarine during rotation of the rotor an advance in the direction of its longitudinal axis.
  • the submarine additionally to have conventional rudder means for side and depth control.
  • the propeller itself forms part of a rudder device. Accordingly, the propeller is designed such that it not only generates an advance of the submarine in the direction of its longitudinal axis, but also allows any movements of the submarine transverse to this longitudinal axis.
  • the propeller advantageously propeller blades whose angle of attack, d. H. whose orientation is variable transversely to its longitudinal extent.
  • the individual propeller blades are advantageously each individually controllable. This allows any movement of the submarine transversely to its longitudinal axis, so both movements in the horizontal and in the vertical direction.
  • rudder devices advantageously also horizontal movements transverse to the longitudinal axis of the submarine possible if the submarine experiences no advance in the direction of its longitudinal axis.
  • the rudder forces required for a given lateral or deep movement can be generated at a corresponding angle of attack only from the propeller blades, which are located during the rotation of the rotor just in a certain peripheral portion of the rotor, while the other propeller blades would counteract this movement at the same angle of attack.
  • the angle of attack of the propeller blades is individually variable as a function of their circumferential position on the rotor. Similar to the rotor blade adjustment of a helicopter, the change in the angle of attack of the individual propeller blades takes place cyclically because of the rotational movement of the rotor.
  • each propeller blade is in each case movement-coupled with its own adjusting device, d. H.
  • Each propeller blade is coupled in each case with a permanent magnet, wherein each of the permanent magnets by driving one of a plurality of distributed around the circumference of the pressure body arranged coils, which are each excited by a separate voltage pulse generator, is displaceable.
  • the adjusting device is incorporated into the Druckêtdung.
  • the coils of the adjusting device in the serving for receiving the drive motor recess on the outside of the pressure hull in the longitudinal direction of the submarine spaced from the stator of the drive motor, wherein the permanent magnets of the adjusting coupled to the rotor of the drive motor so motion-coupled are arranged so that their position in the direction of the longitudinal extent of the submarine corresponds to the position of the coils of the adjusting device.
  • the adjusting device in the submarine according to the invention thus of several in the Druck Economicswandung fixedly arranged coils and from an outside of the coil on the Rotor of the drive motor in the circumferential direction of the pressure body slidably disposed permanent magnets formed, wherein in this embodiment, the permanent magnet is coupled in motion via a gear means with a propeller blade.
  • a gear means As a transmission means z. B. a lever mechanism may be provided in the form of a crank mechanism, which converts the translational movement of the permanent magnet in a rotational movement of the propeller blade about its longitudinal axis.
  • the gear means expediently designed and the movement of the permanent magnet so dimensioned that the propeller blade can be adjusted relative to the direction of movement of the rotor in an angular range of 0 ° to 90 °.
  • Fig. 1 shows a submarine with a pressure body 2, wherein the outside in the wall of the pressure hull 2 in the region of the stern 3 of the submarine an electric drive motor 4 of the submarine is incorporated.
  • the drive motor 4 is designed as an external rotor motor, thus has a rotatable rotor 6, which is arranged externally about a fixed stator 8.
  • the outside of the rotor 6 is aligned with the outside of the pressure body 2, wherein the outside of the rotor 6 has a curvature corresponding to the outer contour of the pressure body 2.
  • the drive motor 4 essentially does not influence the flow around and thus also the signature of the submarine.
  • On the outside of the annular rotor 6 are distributed over the circumference at regular intervals several propeller blades 10 which, as will be explained in more detail below the drive of the submarine in the direction of its longitudinal extent also serve to control the submarine and so movements of the submarine transverse to its longitudinal extent allow.
  • the longitudinal axes A of the propeller blades 10 extend from the rotor 6 approximately radially outward.
  • annular recess 12 For receiving the drive motor 4 is on the outside of the wall of the pressure hull 2 a over the entire circumference of the pressure hull 2 extending annular recess 12 is formed ( Fig. 2 ). In this recess 12 of the substantially likewise annular stator 8 of the drive motor 4 is arranged stationary.
  • the stator 8 has a multiplicity of coils 14 distributed uniformly over its circumference. These coils 14 are supplied to drive or to control the submarine via an inverter, not shown, from the DC power of the submarine with electrical energy.
  • the stator 8 In the radial direction of the pressure body 2 on the outside of the coils 14, the stator 8 has a groove-like recess 16, which extends over the entire circumference of the stator 8 radially in the direction the center of the pressure body 2 extends. In this recess 16 engages a portion of the rotor 6 of the drive motor 4, in which a plurality of uniformly distributed over the circumference of the rotor 6 permanent magnet 18 corresponding to the position of the coils 14 of the stator 8 are arranged.
  • a yoke component 20 is assigned to the coils 14 of the stator 8.
  • the cross section of the yoke member 20 has the shape of a rectangular, one-sided open frame, in the interior of the coils 14 are arranged, wherein the free legs of the yoke member 20 and the outside of the coils 14 arranged permanent magnets 18 laterally.
  • the coils 14 of the stator 8 are supplied with voltage such that a magnetic field traveling around the circumference of the stator 8 forms, which excites the permanent magnets 18 and, associated therewith, the rotor 6 with the propeller blades 10 arranged thereon to rotate.
  • the speed and the sense of rotation of this rotational movement can be adjusted by appropriate control of the inverter.
  • Such electromagnetic arrangements are basically known in external rotors, to which reference is made in this regard.
  • the propeller blades 10 are fastened to the rotor 6 of the drive motor 4 via a shaft 22, which forms an extension of the longitudinal axis A of the propeller blades 10.
  • the shaft 22 is rotatably supported in the rotor 6 about the longitudinal axis A.
  • the propeller blades 10 are in each case via an adjusting device, which has a gearbox, which is coupled in motion with an electromagnetically driven linear motor 24, about its longitudinal axis A rotatable.
  • the linear motors 24, which are each assigned to a propeller blade 10, have a stator 26 which is arranged in the recess 12 in the direction of the longitudinal extent of the pressure hull 2 at the side of the drive motor 4 facing away from the stern 3 of the submarine is. According to the number of propeller blades 10, therefore, a plurality of stators 26 are arranged around the circumference of the pressure body 2 next to each other in series in the recess 12.
  • the stators 26 each have a coil 28.
  • This coil 28, which is connected to the power supply to a voltage pulse generator, not shown, is assigned in each case in the direction of the outside of the pressure body 2 on the outside arranged permanent magnet 30 which is guided in the circumferential direction of the pressure body 2 in a formed on the stator 26 recess 32.
  • the linear motors 24 have, to form a magnetic closure with the permanent magnet 30, a yoke component 36 whose cross-sectional contour, with a smaller size, substantially corresponds to the cross-sectional contour of the yoke
  • the permanent magnets 30 are arranged on a projecting at the side remote from the rear of the submarine 3 side 34 of the rotor 6 of the drive motor 4, that is rotatably arranged together with the rotor 6.
  • a rod-shaped component 38 is arranged, which extends in the radial direction of the pressure body 2 in the direction of the outside of the rotor 6.
  • a linkage 40 is articulated in the form of a crank drive, which couples the permanent magnet 30 via the component 38 with the shaft 22 of the propeller blade 10.
  • FIG. 3 the angle of attack of the propeller blades 10 by means of the linear motors 24 in an angular range of 0 ° to 90 ° adjustable.
  • Fig. 3 is a portion of a rotor 6 of the drive motor 4 of the submarine according to the invention with three propeller blades 10 a, 10 b and 10 c arranged thereon.
  • Each of the propeller blades 10a, 10b and 10c is connected via a linkage 40 with a permanent magnet 30 motion coupled.
  • the rotor 6 rotates when driving in the direction X around its circumference. Accordingly, arranged on the portion 34 of the rotor 6 permanent magnet 30 rotate in the annular recess 32 in the direction X.
  • the coupled to the propeller blade 10a permanent magnet 30 is energized by energizing its associated coils 28 via a voltage pulse generator such that he Movement of the rotor 6 leads.
  • the linkage 40, the propeller blade 10a in an angle at which the propeller blade 10a is aligned with respect to its width parallel to the circumference of the rotor 6. In this position, the propeller blade 10a generates upon rotation of the rotor 6 neither a feed in the direction Y of the longitudinal extent of the submarine nor a feed transverse to this longitudinal extent.
  • the permanent magnet 30 coupled to the propeller blade 10b is energized to move with the rotor 6 in a position in which the linkage 40 places the propeller blade 10b in a position in which the broad sides of the propeller blade 10b are at an angle of 45 ° are aligned with the longitudinal extent of the submarine. In this position, the propeller blade 10b generates a feed in the direction Y of the longitudinal extent of the submarine, thus allowing a straight ahead of the submarine.
  • the permanent magnet 30 coupled to the propeller blade 10c travels to the rotor 6 with respect to the permanent magnets 30 coupled to the propeller blades 10a and 10b, thereby setting the pitch of the propeller blade 10c such that the broad sides of the propeller blade 10c are substantially parallel to the direction Y of the longitudinal extent of the submarine are aligned.
  • the propeller blade 10c produces the maximum thrust in a direction transverse to the direction Y, with the precise rudder action of the propeller blade 10c depends on which circumferential position of the rotor 6 it is currently.
  • FIG. 4 This is going out Fig. 4 clearly, in which a rotor 6 is shown, distributed over the circumference eight propeller blades 10d, 10e, 10f, 10g, 10h, 10i, 10j and 10k with the angle of attack of the propeller blade 10c in Fig. 3 are arranged.
  • the propeller blades 10d, 10f, 10e, 10h, 10j and 10k act as rudder and the propeller blades 10e and 10i as depth rudder.
  • the rudder force in the rudder propeller blades 10d, 10j and 10k to starboard and the rudder force of the propeller blades 10f, 10g and 10h are directed to port.
  • the propeller blade 10e exerts a downwardly directed and, from the propeller blade 10i, an upwardly directed rudder force.
  • the angle of attack of each propeller blade 10 in the submarine according to the invention is individually variable. For example, if the submarine is to go starboard, the propeller blades 10 will become as soon as they reach the position of the propeller blade 10f Fig. 4 reach, z. B. in the angle of attack of the propeller blade 10c in Fig. 3 posed. This angle of attack can be up to the circumferential position of the propeller blade 10h in Fig. 4 to be kept.
  • the propeller blades 10 in the propulsion in the longitudinal direction of the submarine generating position of the propeller blade 10 b in Fig. 3 set to reach the position of the propeller blade 10f in Fig. 4 is maintained. Accordingly, the depth control can take place, with a combination of both controls is conceivable, so that each propeller blade 10 must be adjusted only over a peripheral portion, whereby the number of adjustment movements is kept small.

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Abstract

Das Unterseeboot weist einen Druckkörper (2) auf und ist mit einem von einem elektrischen Antriebsmotor (4) angetriebenen Propeller ausgestattet. Der Antriebsmotor (4) ist außerhalb des Druckkörperinneren angeordnet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Unterseeboot mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
  • Zum Stand der Technik zählen Unterseeboote, die von einem in dem Druckkörper des Unterseeboots angeordneten elektrischen Antriebsmotor angetrieben werden. Die von dem Antriebsmotor erzeugte mechanische Leistung wird über eine Welle von dem Antriebsmotor zu einem außenseitig des Druckkörpers des Unterseeboots angeordneten Propeller übertragen. Eine solche Welle ist in der Regel über eine elastische Kupplung mit dem Antriebsmotor verbunden und durch eine Druckkörperdurchführung durch den Druckkörper des Unterseeboots zu dem Propeller geführt.
  • Typischerweise muss die Welle an der Druckkörperdurchführung gegenüber dem bei maximaler Tauchtiefe anstehenden Außendruck abgedichtet werden, was mit einem großen konstruktiven Aufwand verbunden ist. Darüber hinaus hat die hierzu erforderliche Dichtung den Nachteil, dass sie, um die Druckdichtigkeit auch in maximaler Tauchtiefe zu gewährleisten, mit erheblicher Kraft auf die Welle drückt, was wiederum zu verhältnismäßig großen energetischen Verlusten bei der Leistungsübertragung von dem Antriebsmotor zu dem Propeller führt.
  • Diese mit der Druckkörperdurchführung der Propellerwelle verbundenen Probleme ergeben sich auch bei Stelleinrichtungen für Seiten- und Tiefenruder von Unterseebooten, bei denen bewegliche Bauteile zum Stellen der Ruderblätter durch den Druckkörper geführt sind. Zwar ist aus DE 103 49 591 B4 eine Rudereinrichtung bekannt, bei der der Stellantrieb außerhalb des Druckkörpers angeordnet ist, so dass keine Druckkörperdurchführung erforderlich ist, allerdings hat diese Rudereinrichtung, wie alle mit Ruderblättern ausgerüstete Rudereinrichtungen den Nachteil, dass zum Rudern eine Bewegung des Unterseeboots entlang seiner Längsachse erforderlich ist, da Ruderkräfte nur bei einer Anströmung der Ruderblätter entstehen können.
  • Aus DE 2 302 062 A , DE 2 001 510 sowie DE 1 895 486 sind Antriebe für Unterseeboote bekannt, die außerhalb des Druckkörpers angeordnet sind. Für diese Antriebe sind jeweils Behälter vorgesehen, die beabstandet von dem Druckkörper angeordnet sind. Insbesondere für militärisch genutzte Unterseeboote sind diese Antriebe nicht geeignet, da ihre Anordnung große Signaturen erzeugt, die gegebenenfalls zu einer Entdeckung des Unterseeboots führen kann.
  • Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Unterseeboot zu schaffen, das gegenüber den bislang bekannten Unterseebooten mit einem elektrischen Antrieb einen verbesserten Antrieb aufweist und in Weiterbildung der Erfindung auch verbesserte Rudereigenschaften aufweist.
  • Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Unterseeboot mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen, wobei vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung in den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie der Zeichnung angegeben sind.
  • Das erfindungsgemäße Unterseeboot, bei dem es sich insbesondere um ein militärisches Unterseeboot handelt, weist einen Druckkörper auf und ist mit einem von einem elektrischen Antriebsmotor angetriebenen Propeller ausgestattet. Gemäß der Erfindung ist dieser Antriebsmotor außerhalb des Druckkörperinneren angeordnet. Insofern ist es bei dem erfindungsgemäßen Unterseeboot nicht erforderlich, eine die Druckkörperstruktur schwächende Druckkörperdurchführung für die Propellerwelle vorzusehen. Hierdurch wird auch die bislang notwendige Abdichtung der Propellerwelle gegenüber dem Druckkörper im Bereich einer Druckkörperdurchführung überflüssig, wodurch auch die damit verbundenen Leistungsverluste bei der Leistungsübertragung von dem Antriebsmotor zu dem Propeller entfallen. Darüber hinaus bedeutet die Anordnung des Antriebsmotors außerhalb des Inneren des Druckkörpers einen erheblichen Platzgewinn in dem Druckkörper, was vor dem Hintergrund des in Unterseebooten an sich begrenzten Raumangebots von besonders vorteilhafter Bedeutung ist.
  • Der Antriebsmotor des erfindungsgemäßen Unterseeboots ist als ein Außenläufer ausgebildet. D. h., der drehbewegliche Rotor des elektrischen Antriebsmotors, mit dem typischerweise der Propeller wirkungsverbunden ist, umschließt umfänglich dessen feststehenden Stator. Grundsätzlich kann der elektrische Antriebsmotor sowohl als Asynchronmotor als auch als Synchronmotor ausgebildet sein. Da zur Energieversorgung in Unterseebooten üblicherweise ein Gleichstromnetz verwendet wird, ist der Antriebsmotor allerdings bevorzugt als ein Synchronmotor und besonders vorteilhaft als ein Synchronmotor in Außenläufer-Bauform ausgebildet, bei dem der ringförmige Außenläufer bzw. Rotor permanent magnetisiert ist und vorzugsweise mehrere über seinen Umfang verteilt angeordnete Permanentmagnete zur Erzeugung des Erregerfelds aufweist, während der Stator mehrere über seinen Außenumfang verteilt angeordnete bestrombare Spulen trägt. Der Synchronmotor bzw. die Spulen des Stators werden zweckmäßigerweise über einen Wechselrichter aus dem Gleichstromnetz des Unterseeboots mit elektrischer Energie versorgt, wobei der Wechselrichter sowohl mit dem Synchronmotor eine bauliche Einheit bilden kann als auch beabstandet von dem Synchronmotor angeordnet sein kann.
  • Vorteilhaft bildet bei dem erfindungsgemäßen Unterseeboot der Rotor des Antriebsmotors einen Teil des Propellers. Hierbei können an der äußeren Umfangsseite des drehbaren Rotors über dessen Umfang verteilt mehrere vorzugsweise radial zu dem Rotor ausgerichtete Propellerblätter zur Erzeugung eines Vorschubs angeordnet sein. D. h. bei dieser Weiterbildung der Erfindung bilden der Antriebsmotor und der Propeller quasi eine Baueinheit, so dass vorteilhafterweise keine zusätzlichen Mittel zur Übertragung der Motorleistung des Antriebsmotors auf den Propeller erforderlich sind.
  • Besonders vorteilhaft ist der Stator des Antriebsmotors in die Druckkörperwandung eingegliedert. Dementsprechend kann der Druckkörper bei dieser Ausgestaltung an seiner Außenseite eine sich über den gesamten Umfang des Druckkörpers erstreckende ringförmige Ausnehmung aufweisen, in der der ebenfalls ringförmig ausgebildete Stator, der vorzugsweise mehrere nebeneinander angeordnete Spulen zur Erzeugung eines auf dem Umfang des Stators wandernden magnetischen Feldes aufweist, bevorzugt mittels einer Schweißverbindung befestigt ist.
  • Außenseitig des Stators, d. h. außenseitig des Außenumfangs des Stators ist typischerweise der Rotor des Antriebsmotors angeordnet, wobei der Rotor vorteilhaft auch in die Druckkörperwandung eingreift. Zur Herstellung möglichst guter Signatureigenschaften des Unterseeboots ist hierbei bevorzugt vorgesehen, dass die Außenseite des Rotors mit der Außenseite des Druckkörpers fluchtet, d. h., der Rotor und die den Rotor umgebenden Bereiche der Druckkörperwandung bilden gemeinsam eine im Wesentlichen glatte Außenseite des Unterseeboots, an der lediglich die an dem Außenumfang des Rotors angeordneten Propellerblätter radial herausragen. Die Ausnehmung der Druckkörperwandung, in die der auf dem Stator drehbar gelagerte Rotor eingegliedert ist, ist zweckmäßigerweise so ausgebildet, dass sich der Rotor auch unter maximaler Vorschubkraft des Propellers nicht in axialer Richtung verschieben kann.
  • Grundsätzlich können die Propellerblätter starr an dem Rotor angeordnet sein, wobei sie so ausgerichtet sind, dass sie dem Unterseeboot beim Drehen des Rotors einen Vorschub in Richtung seiner Längsachse verleihen. In diesem Fall ist es allerdings erforderlich, dass das Unterseeboot zusätzlich konventionelle Rudereinrichtungen zur Seiten- und Tiefensteuerung aufweist. Um auf solche zusätzlichen Rudereinrichtungen verzichten zu können, sieht eine weitere besonders bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Unterseeboots vor, dass der Propeller selbst Teil einer Rudereinrichtung bildet. Dementsprechend ist der Propeller derart ausgebildet, dass er nicht nur einen Vorschub des Unterseeboots in Richtung dessen Längsachse erzeugt, sondern auch beliebige Bewegungen des Unterseeboots quer zu dieser Längsachse ermöglicht.
  • Zu diesem Zweck weist der Propeller vorteilhaft Propellerblätter auf, deren Anstellwinkel, d. h. deren Ausrichtung quer zu ihrer Längsausdehnung veränderbar ist. Zur Änderung ihrer Anstellwinkel sind die einzelnen Propellerblätter vorteilhafterweise jeweils einzeln ansteuerbar. Dies ermöglicht jegliche Bewegung des Unterseeboots quer zu seiner Längsachse, also sowohl Bewegungen in horizontaler als auch in vertikaler Richtung. Dabei sind im Gegensatz zu bislang verwendeten Rudereinrichtungen vorteilhafterweise auch dann Horizontalbewegungen quer zur Längsachse des Unterseeboots möglich, wenn das Unterseeboot keinen Vorschub in Richtung seiner Längsachse erfährt.
  • Die für eine bestimmte Seiten- oder Tiefenbewegung erforderlichen Ruderkräfte können bei entsprechendem Anstellwinkel nur von den Propellerblättern erzeugt werden, die sich während der Drehung des Rotors gerade in einem bestimmten Umfangsabschnitt des Rotors befinden, während die übrigen Propellerblätter bei gleichem Anstellwinkel dieser Bewegung entgegenwirken würden. Aus diesem Grund ist vorteilhaft vorgesehen, dass der Anstellwinkel der Propellerblätter in Abhängigkeit von deren Umfangsposition am Rotor einzeln veränderbar ist. Ähnlich der Rotorblattverstellung eines Hubschraubers erfolgt die Veränderung der Anstellwinkel der einzelnen Propellerblätter wegen der Drehbewegung des Rotors zyklisch.
  • Um den Anstellwinkel der Propellerblätter ändern zu können, sind die Propellerblätter vorteilhaft mit einer elektromagnetischen Verstelleinrichtung bewegungsgekoppelt. Bevorzugt ist jedes Propellerblatt jeweils mit einer eigenen Verstelleinrichtung bewegungsgekoppelt, d. h. jedes Propellerblatt ist jeweils mit einem Permanentmagneten bewegungsgekoppelt, wobei jeder der Permanentmagneten durch Ansteuerung einer von mehreren um den Umfang des Druckkörpers verteilt angeordneten Spulen, die jeweils von einem eigenen Spannungspulsgenerator angeregt werden, verschiebbar ist.
  • Zweckmäßigerweise ist auch die Verstelleinrichtung in die Druckkörperwandung eingegliedert. In diesem Zusammenhang ist es beispielsweise möglich, die Spulen der Verstelleinrichtung in der zur Aufnahme des Antriebsmotors dienenden Ausnehmung an der Außenseite des Druckkörpers in Längsrichtung des Unterseeboots beabstandet von dem Stator des Antriebmotors ortsfest anzuordnen, wobei die Permanentmagneten der Verstelleinrichtung mit dem Rotor des Antriebsmotors derart bewegungsgekoppelt angeordnet sind, dass ihre Lage in Richtung der Längsausdehnung des Unterseeboots mit der Lage der Spulen der Verstelleinrichtung korrespondiert.
  • Vorteilhaft wird die Verstelleinrichtung bei dem erfindungsgemäßen Unterseeboot also von mehreren in der Druckkörperwandung ortsfest angeordneten Spulen und von einem außenseitig der Spule an dem Rotor des Antriebsmotors in Umfangsrichtung des Druckkörpers verschiebbar angeordneten Permanentmagneten gebildet, wobei bei dieser Ausgestaltung der Permanentmagnet über ein Getriebemittel mit einem Propellerblatt bewegungsgekoppelt ist. Als Getriebemittel kann z. B. ein Hebelgetriebe in Form eines Kurbeltriebs vorgesehen sein, das die translatorische Bewegung des Permanentmagneten in eine Drehbewegung des Propellerblatts um seine Längsachse umwandelt. Bei der Verstelleinrichtung sind zweckmäßigerweise die Getriebemittel so ausgelegt und der Bewegungsweg des Permanentmagneten so bemessen, dass das Propellerblatt bezogen auf die Bewegungsrichtung des Rotors in einem Winkelbereich von 0° bis 90° verstellt werden kann.
  • Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
    • Fig. 1
    ein Unterseeboot gemäß der Erfindung in vereinfachter schematischer Seitenansicht,
    Fig. 2
    einen Bereich einer Druckkörperwandung mit dort angeordnetem Antriebsmotor in einer schematischen Schnittansicht,
    Fig. 3.
    einen Rotor des Antriebsmotors mit daran angeordneten Propellerblättern und deren Bewegungskopplung mit einer Verstelleinrichtung in stark vereinfachter schematischer Seitenansicht und
    Fig. 4
    eine Heckansicht des erfindungsgemäßen Unterseeboots in stark vereinfachter schematischer Darstellung.
  • Fig. 1 zeigt ein Unterseeboot mit einem Druckkörper 2, wobei außenseitig in die Wandung des Druckkörpers 2 im Bereich des Hecks 3 des Unterseeboots ein elektrischer Antriebsmotor 4 des Unterseeboots eingegliedert ist. Der Antriebsmotor 4 ist als Außenläufermotor ausgebildet, weist also einen drehbeweglichen Rotor 6 auf, der außen um einen feststehenden Stator 8 angeordnet ist.
  • Die Außenseite des Rotors 6 fluchtet mit der Außenseite des Druckkörpers 2, wobei die Außenseite des Rotors 6 eine der Außenkontur des Druckkörpers 2 korrespondierende Wölbung aufweist. Durch diese Ausgestaltung beeinflusst der Antriebsmotor 4 im Wesentlichen nicht die Umströmung und somit auch nicht die Signatur des Unterseeboots. An der Außenseite des ringförmigen Rotors 6 sind über dessen Umfang in regelmäßigen Abständen verteilt mehrere Propellerblätter 10 angeordnet, die, wie im folgenden noch ausführlicher erläutert wird, neben dem Antrieb des Unterseeboots in Richtung dessen Längsausdehnung auch zur Steuerung des Unterseeboots dienen und so Bewegungen des Unterseeboots quer zu dessen Längsausdehnung ermöglichen. Die Längsachsen A der Propellerblätter 10 erstrecken sich von dem Rotor 6 etwa radial nach außen.
  • Zur Aufnahme des Antriebsmotors 4 ist an der Außenseite der Wandung des Druckkörpers 2 eine sich über den gesamten Umfang des Druckkörpers 2 erstreckende ringförmige Ausnehmung 12 ausgebildet (Fig. 2). In dieser Ausnehmung 12 ist der im Wesentlichen ebenfalls ringförmig ausgebildete Stator 8 des Antriebsmotors 4 ortsfest angeordnet.
  • Der Stator 8 weist eine Vielzahl von gleichmäßig über dessen Umfang verteilt angeordnete Spulen 14 auf. Diese Spulen 14 werden zum Antrieb bzw. zum Steuern des Unterseeboots über einen nicht dargestellten Wechselrichter aus dem Gleichstromnetz des Unterseeboots mit elektrischer Energie versorgt. In radialer Richtung des Druckkörpers 2 außenseitig der Spulen 14 weist der Stator 8 eine nutartige Ausnehmung 16 auf, die sich über den gesamten Umfang des Stators 8 radial in Richtung der Mitte des Druckkörpers 2 erstreckt. In dieser Ausnehmung 16 greift ein Abschnitt des Rotors 6 des Antriebsmotors 4 ein, in dem eine Vielzahl gleichmäßig über den Umfang des Rotors 6 verteilter Permanentmagneten 18 korrespondierend zur Lage der Spulen 14 des Stators 8 angeordnet sind. Zur Bildung eines magnetischen Schlusses mit dem Permanentmagneten 18 des Rotors 6 ist den Spulen 14 des Stators 8 ein Jochbauteil 20 zugeordnet. Der Querschnitt des Jochbauteils 20 hat die Form eines rechteckigen, einseitig offenen Rahmens, in dessen Inneren die Spulen 14 angeordnet sind, wobei die freien Schenkel des Jochbauteils 20 auch die außenseitig der Spulen 14 angeordneten Permanentmagneten 18 seitlich umfassen. Von dem Wechselrichter werden die Spulen 14 des Stators 8 so mit Spannung versorgt, dass sich ein um den Umfang des Stators 8 wanderndes magnetisches Feld bildet, welches die Permanentmagneten 18 und damit einhergehend den Rotor 6 mit den daran angeordneten Propellerblättern 10 zu einer Rotationsbewegung anregt. Die Drehzahl und der Drehsinn dieser Rotationsbewegung können durch entsprechende Ansteuerung des Wechselrichters eingestellt werden. Derartige elektromagnetische Anordnungen sind bei Außenläufern grundsätzlich bekannt, auf die insoweit verwiesen wird.
  • Die Propellerblätter 10 sind über eine Welle 22, die eine Verlängerung der Längsachse A der Propellerblätter 10 bildet, an dem Rotor 6 des Antriebsmotors 4 befestigt. Die Welle 22 ist in dem Rotor 6 um die Längsachse A drehbar gelagert. Die Propellerblätter 10 sind jeweils über eine Verstelleinrichtung, die ein Getriebe aufweist, das mit einem elektromagnetisch angetriebenen Linearmotor 24 bewegungsgekoppelt ist, um ihre Längsachse A drehbar.
  • Die Linearmotoren 24, die jeweils einem Propellerblatt 10 zugeordnet sind, weisen einen Stator 26 auf, der in Richtung der Längsausdehnung des Druckkörpers 2 an der von dem Heck 3 des Unterseeboots abgewandten Seite des Antriebsmotors 4 ortsfest in der Ausnehmung 12 angeordnet ist. Entsprechend der Anzahl der Propellerblätter 10 sind also in der Ausnehmung 12 mehrere Statoren 26 um den Umfang des Druckkörpers 2 verteilt nebeneinander in Reihe angeordnet. Die Statoren 26 weisen jeweils eine Spule 28 auf. Dieser Spule 28, die zur Spannungsversorgung mit einem nicht dargestellten Spannungspulsgenerator verbunden ist, ist jeweils ein in Richtung der Außenseite des Druckkörpers 2 außenseitig angeordneter Permanentmagnet 30 zugeordnet, der in Umfangsrichtung des Druckkörpers 2 in einer an dem Stator 26 ausgebildeten Ausnehmung 32 beweglich geführt ist. Die Linearmotoren 24 weisen zur Bildung eines magnetischen Schlusses mit dem Permanentmagneten 30 ein Jochbauteil 36 auf, dessen Querschnittskontur bei kleinerer Baugröße im Wesentlichen der Querschnittskontur des Jochbauteils 20 des Antriebsmotors 4 entspricht.
  • Die Permanentmagneten 30 sind an einem an der von dem Heck 3 des Unterseeboots abgewandten Seite auskragenden Abschnitt 34 des Rotors 6 des Antriebsmotors 4 angeordnet, also zusammen mit dem Rotor 6 drehbeweglich angeordnet. An der von der Spule 28 abgewandten Seite des Permanentmagneten 30 ist ein stabförmiges Bauteil 38 angeordnet, das sich in radialer Richtung des Druckkörpers 2 in Richtung der Außenseite des Rotors 6 erstreckt. An dem von dem Permanentmagneten 30 abgewandten Ende des Bauteils 38 ist ein Gestänge 40 in Form eines Kurbelstriebs angelenkt, das den Permanentmagneten 30 über das Bauteil 38 mit der Welle 22 des Propellerblatts 10 bewegungskoppelt.
  • Wie Fig. 3 zu entnehmen ist, ist der Anstellwinkel der Propellerblätter 10 mit Hilfe der Linearmotoren 24 in einem Winkelbereich von 0° bis 90° verstellbar. In dieser Fig. 3 ist ein Abschnitt eines Rotors 6 des Antriebsmotors 4 des erfindungsgemäßen Unterseeboots mit drei daran angeordneten Propellerblättern 10a, 10b und 10c dargestellt. Jedes der Propellerblätter 10a, 10b und 10c ist über ein Gestänge 40 mit einem Permanentmagneten 30 bewegungsgekoppelt. Der Rotor 6 dreht sich beim Antrieb in Richtung X um seinen Umfang. Entsprechend drehen sich auch die an dem Abschnitt 34 des Rotors 6 angeordneten Permanentmagneten 30 in der ringförmigen Ausnehmung 32 in Richtung X. Hierbei wird der mit dem Propellerblatt 10a gekoppelte Permanentmagnet 30 durch Bestromung der ihm zugeordneten Spulen 28 über einen Spannungspulsgenerator derart angeregt, dass er der Bewegung des Rotors 6 vorauseilt. Hierbei stellt das Gestänge 40 das Propellerblatt 10a in einen Anstellwinkel, bei dem das Propellerblatt 10a bezogen auf seine Breite parallel zum Umfang des Rotors 6 ausgerichtet ist. In dieser Stellung erzeugt das Propellerblatt 10a bei Drehung des Rotors 6 weder einen Vorschub in Richtung Y der Längsausdehnung des Unterseeboots noch einen Vorschub quer zu dieser Längsausdehnung.
  • Der mit dem Propellerblatt 10b gekoppelte Permanentmagnet 30 wird so angeregt, dass er mit dem Rotor 6 in einer Stellung mitläuft, in der das Gestänge 40 das Propellerblatt 10b in eine Stellung stellt, in der die Breitseiten des Propellerblatts 10b in einem Winkel von 45° bezogen auf die Längsausdehnung des Unterseeboots ausgerichtet sind. In dieser Stellung erzeugt das Propellerblatt 10b einen Vorschub in Richtung Y der Längsausdehnung des Unterseeboots, ermöglicht also eine Geradeausfahrt des Unterseeboots.
  • Der mit dem Propellerblatt 10c gekoppelte Permanentmagnet 30 läuft dem Rotor 6 bezogen auf die mit den Propellerblättern 10a und 10b gekoppelten Permanentmagneten 30 nach, wodurch der Anstellwinkel des Propellerblatts 10c so gestellt wird, dass die Breitseiten des Propellerblatts 10c im Wesentlichen parallel zur Richtung Y der Längsausdehnung des Unterseeboots ausgerichtet sind. In dieser Stellung erzeugt das Propellerblatt 10c den maximalen Schub in einer Richtung quer zur Richtung Y, wobei die genaue Ruderwirkung des Propellerblatts 10c davon abhängt, in welcher Umfangsposition des Rotors 6 es sich gerade befindet.
  • Dies wird aus Fig. 4 deutlich, in der ein Rotor 6 dargestellt ist, über dessen Umfang verteilt acht Propellerblätter 10d, 10e, 10f, 10g, 10h, 10i, 10j und 10k mit dem Anstellwinkel des Propellerblatts 10c in Fig. 3 angeordnet sind. In Fig. 4 wirken die Propellerblätter 10d, 10f, 10e, 10h, 10j und 10k als Seitenruder und die Propellerblätter 10e und 10i als Tiefenruder. Hierbei ist die Ruderkraft in der als Seitenruder wirkenden Propellerblätter 10d, 10j und 10k nach Steuerbord und die Ruderkraft der Propellerblätter 10f, 10g und 10h nach Backbord gerichtet. Von den als Tiefenruder wirkenden Propellerblättern 10e und 10i wird von dem Propellerblatt 10e eine nach unten ausgerichtete und von dem Propellerblatt 10i eine nach oben gerichtete Ruderkraft ausgeübt. Um eine bestimmte Ruderwirkung erzielen zu können, ist der Anstellwinkel jedes Propellerblatts 10 bei dem erfindungsgemäßen Unterseeboot einzeln veränderbar. Soll das Unterseeboot beispielsweise nach Steuerbord fahren, werden die Propellerblätter 10, sobald sie die Position des Propellerblatts 10f in Fig. 4 erreichen, z. B. in den Anstellwinkel des Propellerblatts 10c in Fig. 3 gestellt. Dieser Anstellwinkel kann bis in die Umfangsposition des Propellerblatts 10h in Fig. 4 beibehalten werden. Nach Verlassen dieser Position werden die Propellerblätter 10 in die einen Vortrieb in Längsrichtung des Unterseeboots erzeugende Stellung des Propellerblatts 10b in Fig. 3 gestellt, die bis zum Erreichen der Position des Propellerblatts 10f in Fig. 4 beibehalten wird. Entsprechend kann auch die Tiefensteuerung erfolgen, wobei auch eine Kombination beider Steuerungen denkbar ist, sodass jedes Propellerblatt 10 nur über einen Umfangsabschnitt verstellt werden muss, wodurch die Zahl der Verstellbewegungen klein gehalten wird.
    • Bezugszeichenliste
    • 2
    Druckkörper
    3
    Heck
    4
    Antriebsmotor
    6
    Rotor
    8
    Stator
    10, 10a-10k
    Propellerblatt
    12
    Ausnehmung
    14
    Spule
    16
    Ausnehmung
    18
    Permanentmagnet
    20
    Jochbauteil
    22
    Welle
    24
    Linearmotor
    26
    Stator
    28
    Spule
    30
    Permanentmagnet
    32
    Ausnehmung
    34
    Abschnitt
    36
    Jochbauteil
    38
    Bauteil
    40
    Gestänge
    A
    Längsachse
    X
    Richtung
    Y
    Bauteil

Claims (11)

  1. Unterseeboot mit einem Druckkörper (2) und mit einem von einem elektrischen Antriebsmotor (4) angetriebenen Propeller, wobei der Antriebsmotor (4) außerhalb des Druckkörperinneren angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor (4) als Außenläufer ausgebildet ist.
  2. Unterseeboot nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor (4) als Synchronmotor ausgebildet ist.
  3. Unterseeboot nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rotor (6) des Antriebsmotors (4) einen Teil des Propellers bildet.
  4. Unterseeboot nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (8) des Antriebsmotors (4) in die Druckkörperwandung eingegliedert ist.
  5. Unterseeboot nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenseite des Rotors (6) mit der Außenseite des Druckkörpers (2) fluchtet.
  6. Unterseeboot nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Propeller eine Rudereinrichtung bildet.
  7. Unterseeboot nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Propeller Propellerblätter (10) aufweist, deren Anstellwinkel veränderbar ist.
  8. Unterseeboot nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Anstellwinkel der Propellerblätter (10) in Abhängigkeit von deren Umfangsposition am Rotor (6) veränderbar ist.
  9. Unterseeboot nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Propellerblätter (10) mit einer elektromagnetischen Verstelleinrichtung bewegungsgekoppelt sind.
  10. Unterseeboot nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung in die Druckkörperwandung eingegliedert ist.
  11. Unterseeboot nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung von mehreren in der Druckkörperwandung ortsfest angeordneten Spulen (28) und von einem außenseitig der Spulen (28) an dem Rotor (6) des Antriebsmotors (4) in Umfangsrichtung des Druckkörpers (2) verschiebbar angeordneten Permanentmagneten (30) gebildet wird, wobei der Permanentmagnet (30) über Getriebemittel mit einem Propellerblatt (10) bewegungsgekoppelt ist.
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