EP2238019A2 - Antrieb für ein wasserfahrzeug mit einem elektromotor - Google Patents

Antrieb für ein wasserfahrzeug mit einem elektromotor

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EP2238019A2
EP2238019A2 EP09707102A EP09707102A EP2238019A2 EP 2238019 A2 EP2238019 A2 EP 2238019A2 EP 09707102 A EP09707102 A EP 09707102A EP 09707102 A EP09707102 A EP 09707102A EP 2238019 A2 EP2238019 A2 EP 2238019A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor
drive according
propeller
stator
air gap
Prior art date
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Granted
Application number
EP09707102A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2238019B1 (de
Inventor
Benjamin Holstein
Norman Perner
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Voith Patent GmbH
Original Assignee
Voith Patent GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Voith Patent GmbH filed Critical Voith Patent GmbH
Priority to PL09707102T priority Critical patent/PL2238019T3/pl
Publication of EP2238019A2 publication Critical patent/EP2238019A2/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2238019B1 publication Critical patent/EP2238019B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • 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 drive for a watercraft, in particular a pod drive or a drive for an underwater vehicle.
  • pod ship propulsion systems for which an electric propulsion engine is housed in a nacelle hinged to a ship's hull.
  • the energy for operating the externally mounted engine is usually generated by means of a diesel generator, which is housed in a suitable location in the ship's hull.
  • Pod marine propulsion systems have a number of advantages over conventional propulsion systems. This is on the one hand, the connection of an effective propulsion system with a control unit, resulting from the rotation of pod ship propulsion relative to the ship's longitudinal axis. This circumstance is particularly important for ferries and icebreakers.
  • pod ship propulsion engines are characterized by a reduced noise within the hull and lower vibration tendency. Furthermore, additional space is created in the hull by displacing at least parts of the drive to the outside. Due to the above advantages, pod ship propulsion systems, especially for cruise liners, in which, in addition to the high Eigenmanövrierpronounced high comfort for the passengers, enforced.
  • US 2714866 discloses a design of a pod ship propulsion with a fresh water flow electric motor with coaxial rotor and stator arrangement.
  • the radially inner rotor is rotationally rigidly connected to a hollow shaft, which cooperates via a coupling with a coaxially disposed within the hollow shaft drive shaft of the propeller. Due to the intermediate coupling, the construction is expensive, in addition, the drive shaft of the propeller is supported by radial bearings with a relatively small diameter.
  • a pod ship propulsion system has become known from DE 102004048754 A1. Described is a pod ship propulsion with high efficiency, wherein a slow-running, large-scale propeller is driven by a high-speed electric motor via an intermediate hydrodynamic power split transmission. This measure creates an energy-efficient drive system, which, however, is structurally complex.
  • the invention has for its object to provide a drive for a watercraft, which overcomes the disadvantages set out above. What is needed is a transmission-free direct drive, which leads to a structurally simplified and yet stable generic ship propulsion and whose large-sized electric motor provides an efficient drive for a slowly revolving propeller.
  • the drive according to the invention for a watercraft comprises a revolving unit, which additionally carries the rotor of an electric motor in addition to the propeller, so that there is a rotationally fixed connection between the rotor and the propeller.
  • the electric motor has a coaxial arrangement of rotor and stator and a radially directed magnetic field in the air gap between Rotor and stator on.
  • the stator is housed either in an air gap pointing portion of the hull of the vessel or in a hinged to the hull of the vessel gondola housing a pod drive. Preference is given to a radially large-sized generator having a plurality of poles.
  • the air gap between the rotor and the stator is flooded, in which area either ambient water, preferably filtered, or fresh water is supplied.
  • the stator cladding is preferably encapsulated waterproof. This is achieved either by a can of austenitic steel or another non-electrically conductive material. For this purpose, inter alia, a glass or carbon fiber reinforced material or an elastomer in question. Alternatively, the seal can be done by a potting compound.
  • a pressure compensation vessel is preferably provided for this area.
  • the rotor is encapsulated, as far as this is not carried out purely passive with permanent magnets. This therefore concerns embodiments with external excitation, in which case preferred for
  • At least one water lubricated sliding bearing is arranged for supporting the rotating unit in the axial direction on both sides of the air gap, which is designed and oriented such that at least one support takes place in the radial direction for the revolving unit.
  • the water-lubricated sliding bearings lead to a variety of advantages, on the one hand they are characterized by a high load capacity and a high resistance to contamination and the ingress of sediments. In addition, they tolerate to some extent structural deformations, especially when using a hard-soft mating, and thus can absorb vibrations and shocks. Furthermore, the water-lubricated slide bearings used in the invention are inexpensive and can be constructed of individual segments, which in turn are separately exchangeable.
  • the water-lubricated plain bearings used according to the invention for the axial support of the rotating unit allow safe guidance even for high-performance drives.
  • a segmented design of the sliding bearing is preferred, so that when worn individual components can be replaced. It also simplifies the assembly and adjustment of the plain bearing.
  • the region of the circulating unit which serves to support the propeller, is axially spaced from that region in which the rotor is arranged and on which the water-lubricated plain bearings are provided for radial support.
  • the thrust bearing is designed to intercept the propeller thrust as close as possible to the point of introduction of the propeller forces. The further design is advantageous because the propeller forces and the associated deformations are kept as far as possible from the rotor and its storage, thereby remain largely constant during operation, the air gap tolerances, so that unwanted fluctuations in the drive power can be avoided.
  • a hub disc which carries the propeller and which is rotationally rigidly connected to the part of the revolving unit which carries the rotor.
  • This part can be cylindrical or hollow cylindrical.
  • the rotor of the electric motor is designed as an external rotor and is therefore located in a hollow cylinder, which is part of the rotating unit.
  • the hollow cylinder is axially extended asymmetrically to the center of the air gap and so offset the propeller axially relative to the rotor and the
  • Radial bearing of the rotating unit which is arranged on both sides of the air gap.
  • the rotor is designed as an internal rotor.
  • the rotating unit comprises a rotor supporting or receiving part, which is inserted into a recess in that part of the ship's hull or the nacelle, which serves to receive the stator (fixed part) is inserted. Subsequently, this is referred to as a support body. Accordingly, the support body runs through the water-lubricated plain bearings on both sides of the air gap on the inner wall of the recess in the fixed part.
  • a particular advantage of this embodiment variant is the fact that the support body for receiving and / or supporting the rotor may have a separate buoyancy volume, for example, by a voluminous, watertight executed embodiment or by separate buoyancy bodies. Due to the buoyancy volume, the water-lubricated plain bearings on both sides of the air gap can be relieved and / or the rotating unit is balanced so that a defined preload of the bearings is made. As a result, especially when starting the area of mixed friction in the camps go through quickly.
  • Figure 1 shows in an axial section a preferred embodiment of a drive according to the invention, for which the rotor is designed as an external rotor.
  • Figure 2 shows a further embodiment of a drive according to the invention in axial section, in which the rotor is designed as an internal rotor.
  • FIG. 1 schematically shows in simplified form a first preferred embodiment of the invention in longitudinal section along the axis of rotation 17. Shown is a circumferential unit 1, comprising a propeller 2, which is supported by a hub disc 15. An additional part of the rotating unit 1 is the hood 14, which is designed aerodynamically. Further, opposite to the hood 14, the rotor-carrying part 10 of the revolving unit 1 axially adjoins the hub wheel 15 and allows axial spacing of the electric motor 3 from the propeller 2.
  • the rotor 4 of the electric motor 3 is part of the rotating unit and is arranged coaxially with the stator 5, which is housed in a fixed part 16.
  • the fixed part may be either a gondola housing of a pod ship drive rotatably hinged to a ship's hull or a part of the pod ship
  • a first water-lubricated sliding bearing 12.1 and a second water-lubricated sliding bearing 12.2 is provided for the expiry of the rotating unit 1 on the fixed part 16.
  • these water-lubricated plain bearings 12.1, 12.2 are designed as radial bearings. Further embodiments, such as a combination of radial and axial bearings, are conceivable.
  • a separate thrust bearing 13 is provided to intercept the thrust forces of the propeller 2, which is mounted as possible propeller close.
  • the support is made on a flange 19 connected to the fixed part 16, wherein the separate thrust bearing 13 double-acting is formed and traction / thrust loads of the propeller 2 traps in the axial direction.
  • the water-lubricated plain bearings 12.1, 12.2 used according to the invention and the correspondingly designed separate axial bearings 13 are preferably segmented and designed as a hard-soft pairing. This results in bearings with high load capacity, which are insensitive to penetrating sediments.
  • the bearings are inexpensive and can safely intercept the forces and moments even for drives with high performance in the range of a few megawatts.
  • the bearings spring safely from a certain inherent elasticity shocks. That is, they are deformable to some extent. However, only so far as the necessary tolerances of the air gap 11 for the electric motor 3 can be safely met.
  • the electric motor 3 has a watertight encapsulation, in particular of the plated areas.
  • an encapsulated stator region 8 is provided in FIG. 2 for protecting the stator laminations.
  • a rotor 4 is selected with external excitation, so that on the rotor side an encapsulated rotor region 7 is present.
  • a unit for contactless energy transfer 6 is provided for supplying the energy required for the external excitation from the existing part 16 to the circulating unit 1. This can be designed as an annular coil arrangement for inductive energy transmission or as an exciter machine. The details of the embodiment are not shown in the figures.
  • encapsulated rotor region 7 and the encapsulated stator region 8 different embodiments are conceivable, for example the use of a split tube or the use of casting compounds for watertight encapsulation.
  • a pressure compensation vessel 9 is provided for pressure equalization of the encapsulated rotor portion 7.
  • FIG. 2 shows a further preferred embodiment variant of the invention.
  • the reference numerals are retained.
  • the arrangement of the rotor 4 is changed in the present case, this is designed as an internal rotor.
  • the rotor-carrying part 10 of the rotating unit 1 is formed as a support body 18 which receives or supports the rotor 4.
  • This support member 18 is inserted into a recess in the fixed part 16 and is supported by means of the water-lubricated plain bearings 12.1, 12.2 in the radial direction against the inner wall of this recess in the fixed part 16 from.
  • the relative position of the lifting point and the center of gravity of the rotating unit 2 and the size of the resulting torque can be adjusted so that the lubricated sliding bearings 12.1, 12.2 are defined to be biased and so bearing vibrations be damped. Furthermore, the mixed friction phase is traversed faster at low speeds.
  • an inventive drive more than comprise a propeller, it is conceivable in particular for a pod ship propulsion that a pulling and pushing propeller are mounted on both sides of a nacelle, and it is conceivable that each propeller is driven by a separate electric motor or drive multiple propellers with an electric motor.

Landscapes

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Description

Antrieb für ein Wasserfahrzeug
Die Erfindung betrifft einen Antrieb für ein Wasserfahrzeug, insbesondere einen Pod-Antrieb oder einen Antrieb für ein Unterwasserfahrzeug.
Antriebe für Unterwasserfahrzeuge mit außerhalb der Druckhülle untergebrachten Elektromotoren sind bekannt. Hierzu wird beispielsweise auf die US 5509830 verwiesen. Eine solche Konstruktion erlaubt den Verzicht auf einen Durchgang für eine Antriebswelle durch die Druckhülle, sodass der Antrieb ohne druckfeste Dichtungen ausgestaltet werden kann. Darüber hinaus treten die mit solchen Durchführungen für Antriebswellen verbundenen Vibrations- und Geräuschprobleme nicht auf.
Ein anderes Anwendungsbeispiel sind Pod-Schiffsantriebe, für die ein elektrischer Antriebsmotor in einer drehbar an einem Schiffsrumpf angelenkten Gondel untergebracht ist. Die Energie zum Betrieb der außenseitig angebrachten Antriebsmaschine wird üblicherweise mittels eines Dieselgenerators erzeugt, der an einem geeigneten Ort im Schiffsrumpf untergebracht ist.
Pod-Schiffsantriebe weisen eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber konventionellen Antrieben auf. Dies ist zum einen die Verbindung eines effektiven Vortriebsorgans mit einer Steuereinheit, die sich aus der Drehbarkeit von Pod-Schiffsantrieben relativ zur Schiffslängsachse ergibt. Dieser Umstand ist insbesondere für Fähren und Eisbrecher von Bedeutung. Darüber hinaus zeichnen sich Pod-Schiffsantriebe durch eine verringerte Geräuschentwicklung innerhalb des Schiffsrumpfs und geringere Vibrationsneigung aus. Ferner wird im Schiffsrumpf durch die Verlagerung wenigstens von Teilen des Antriebs nach außen zusätzlicher Platz geschaffen. Aufgrund der genannten Vorteile haben sich Pod-Schiffsantriebe, insbesondere für Kreuzfahrtschiffe, bei denen neben der hohen Eigenmanövrierfähigkeit ein hoher Komfortanspruch für die Passagiere besteht, durchgesetzt. Die US 2714866 offenbart eine Gestaltung eines Pod-Schiffsantriebs mit einem frischwasserumströmten Elektromotor mit koaxialer Anordnung von Rotor und Stator. Der radial innenliegende Rotor ist drehstarr mit einer Hohlwelle verbunden, die über eine Kupplung mit einer koaxial innerhalb der Hohlwelle angeordneten Antriebswelle des Propellers zusammenwirkt. Aufgrund der zwischengeschalteten Kupplung ist die Konstruktion aufwendig, zusätzlich wird die Antriebswelle des Propellers über Radiallager mit relativ kleinem Durchmesser abgestützt.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Pod-Schiffsantriebs ist aus der DE 102004048754 A1 bekannt geworden. Beschrieben wird ein Pod- Schiffsantrieb mit hohem Wirkungsgrad, wobei ein langsam laufender, großbauender Propeller von einem schnelllaufenden Elektromotor über ein zwischengeschaltetes hydrodynamisches Leistungsverzweigungsgetriebe angetrieben wird. Durch diese Maßnahme entsteht ein energieeffizientes Antriebssystem, das allerdings konstruktiv aufwendig ist.
Alternativ wurden daher gattungsgemäße Direktantriebe ohne zwischengeschaltete Getriebe vorgeschlagen, die hochpolige, großbauende Elektromotoren verwenden. Eine mögliche Ausgestaltung besteht darin, den Rotor eines Elektromotors als Außenläufer auszubilden und drehstarr mit einem
Propeller in einer umlaufenden Einheit zu verbinden. Beispielhaft wird hierzu auf den durch die DE 3141339 A1 offenbarten Antrieb für ein Unterwasserfahrzeug verwiesen.
Hieraus geht ein Antrieb hervor, bei dem der Stator eines Elektromotors in einer umlaufenden Nut eines zylindrischen Abschnitts des Fahrzeugrumpfs untergebracht ist. Der Rotor des Elektromotors ist in der Nabe einer umlaufenden Einheit angelegt, die gleichzeitig den Propeller trägt. Der Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator ist wassergeflutet. Zum Ablauf der umlaufenden Einheit sind Wälzlager vorgesehen, wobei die Lagerschalen an den axialen Seitenflächen der umlaufenden Einheit, beziehungsweise der umlaufenden Nut zur Aufnahme des Stators, angebracht sind. Mit einer solchen Lageranordnung können Kippmomente auf den Propeller, die die Luftspaltdimensionen verändern, nur schwer abgefangen werden. Darüber hinaus sind Wälzlager problematisch im Hinblick auf limitierte Flächenpressungen und die Widerstandsfähigkeit gegenüber einer Verschmutzung durch Sedimente. Darüber hinaus können solche Lager nur in begrenztem Maß Stöße und Vibrationen aufnehmen, beziehungsweise sie erlauben nur geringfügige Deformationen.
Zur konstruktiven Verbesserung des Antriebs wurden daher in der bereits genannten Druckschrift DE 3141339 A1 elektrische Antriebe in Form von Scheibenmotoren offenbart. Hierbei werden Kippmomente auf die umlaufende
Einheit durch magnetische Kräfte am Luftspalt des Elektromotors abgestützt. Eine entsprechende Konstruktion ist aus der EP 1140618 A1 bekannt. Nachteilig ist jedoch, dass die vom Propeller ausgehenden statischen und dynamischen Belastungen unmittelbar auf die Luftspalttoleranzen des Scheibenmotors wirken und somit dessen Leistungsabgabe beeinflussen. Ferner sind Lagerungen solcher Scheibenmotoranordnungen aufgrund der radialen Erstreckung der Rotorscheibe nach radial innen versetzt, sodass mit abnehmendem Lagerumfang die Flächenpressungen im Lager zunehmen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Antrieb für ein Wasserfahrzeug anzugeben, der die voranstehend dargelegten Nachteile überwindet. Gefordert wird ein getriebefreier Direktantrieb, der zu einem konstruktiv vereinfachten und dennoch standfesten gattungsgemäßen Schiffsantrieb führt und dessen großbauender Elektromotor einen effizienten Antrieb für einen langsam umlaufenden Propeller bietet.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Demnach umfasst der erfindungsgemäße Antrieb für ein Wasserfahrzeug eine umlaufende Einheit, die neben dem Propeller zusätzlich den Rotor eines Elektromotors trägt, sodass eine drehfeste Verbindung zwischen dem Rotor und dem Propeller vorliegt. Der Elektromotor weist eine koaxiale Anordnung von Rotor und Stator und ein radial gerichtetes magnetisches Feld im Luftspalt zwischen Rotor und Stator auf. Der Stator ist entweder in einem zum Luftspalt hinweisenden Teil des Rumpfs des Wasserfahrzeugs oder in einem am Rumpf des Wasserfahrzeugs drehbar angelenkten Gondelgehäuse eines Pod-Antriebs untergebracht. Bevorzugt wird ein radial großbauender Generator mit einer Vielzahl von Polen.
Der Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator ist geflutet, wobei in diesem Bereich entweder Umgebungswasser, vorzugsweise gefiltert, oder Frischwasser zugeführt wird. Zur Abtrennung vom wassergefüllten Luftspalt wird vorzugsweise die Statorverblechung wasserdicht abgekapselt. Dies gelingt entweder durch ein Spaltrohr aus einem austenitischen Stahl oder einem anderen nicht elektrisch leitfähigen Werkstoff. Hierfür kommt unter anderem ein glas- oder kohlefaserverstärktes Material oder ein Elastomer in Frage. Alternativ kann die Abdichtung durch eine Vergussmasse erfolgen.
Für den Fall, dass zur Abdichtung des Stators ein Volumenbereich abgekapselt wird, wird bevorzugt für diesen Bereich ein Druckausgleichsgefäß vorgesehen. Entsprechend zum Stator wird der Rotor abgekapselt, so weit dieser nicht rein passiv mit Permanentmagneten ausgeführt ist. Dies betrifft demnach Ausführungen mit Fremderregung, wobei für diesen Fall bevorzugt die zur
Fremderregung notwendige Energie über den Luftspalt hinweg berührungslos, insbesondere induktiv, übertragen wird.
Erfindungsgemäß wird zur Abstützung der umlaufenden Einheit in Axialrichtung zu beiden Seiten des Luftspalts wenigstens ein wassergeschmiertes Gleitlager angeordnet, das so ausgestaltet und orientiert ist, dass wenigstens eine Abstützung in Radialrichtung für die umlaufende Einheit erfolgt. Die wassergeschmierten Gleitlager führen zu einer Vielzahl von Vorteilen, zum einen zeichnen sie sich durch eine hohe Tragkraft sowie eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Verschmutzen und das Eindringen von Sedimenten aus. Ferner tolerieren sie insbesondere bei der Verwendung einer Hart-Weich-Paarung im gewissen Maße Strukturdeformationen und können so Vibrationen und Stöße aufnehmen. Des Weiteren sind die erfindungsgemäß verwendeten wassergeschmierten Gleitlager kostengünstig und können aus einzelnen Segmenten aufgebaut sein, die wiederum separat tauschbar sind.
Die erfindungsgemäß verwendeten wassergeschmierten Gleitlager zur axialen Abstützung der umlaufenden Einheit erlauben die sichere Führung auch für leistungsstarke Antriebe. Zusätzlich wird bevorzugt, für die großen auftretenden Achsschübe ein zusätzliches, separat angelegtes Axiallager vorzusehen, das ebenfalls als wassergeschmiertes Gleitlager, wiederum insbesondere in Form einer Hart-Weich-Paarung für die Lagerungsflächen ausgebildet ist. Bevorzugt wird des Weiteren eine segmentierte Gestaltung des Gleitlagers, sodass bei Verschleiß Einzelkomponenten ausgetauscht werden können. Außerdem vereinfacht sich damit die Montage und die Justage des Gleitlagers.
Für eine Weiterbildung der Erfindung wird der Bereich der umlaufenden Einheit, der zur Abstützung des Propellers dient, axial von jenem Bereich beabstandet, in dem der Rotor angeordnet ist und an dem die wassergeschmierten Gleitlager zur radialen Abstützung vorgesehen sind. Ferner wird das Axiallager zum Abfangen des Propellerschubs möglichst nah am Einleitungspunkt der Propellerkräfte angelegt. Die Weitergestaltung ist deshalb vorteilhaft, da die Propellerkräfte und die damit verbundenen Deformationen möglichst vom Rotor und dessen Lagerung ferngehalten werden, hierdurch bleiben während des Betriebs die Luftspalttoleranzen weitgehend konstant, sodass unerwünschte Fluktuationen in der Antriebsleistung vermieden werden.
Zur Umsetzung der bevorzugten Beabstandung des Propellers gegenüber den in Axialrichtung zu beiden Seiten des Luftspalts angeordneten Gleitlagern wird eine Nabenscheibe vorgesehen, die den Propeller trägt und die drehstarr mit dem den Rotor tragenden Teil der umlaufenden Einheit verbunden ist. Dieser Teil kann zylindrisch oder hohlzylindrisch ausgebildet sein. Für eine erste Ausgestaltungsvariante der Erfindung ist der Rotor des Elektromotors als Außenläufer ausgebildet und befindet sich demnach in einem Hohlzylinder, der Teil der umlaufenden Einheit ist. Gemäß der bevorzugten Ausgestaltung wird der Hohlzylinder asymmetrisch zur Mitte des Luftspalts axial verlängert und versetzt so den Propeller axial gegenüber dem Rotor und der
Radiallagerung der umlaufenden Einheit, die beidseitig des Luftspalts angeordnet ist.
Für eine zweite Ausgestaltungsvariante ist der Rotor als Innenläufer ausgebildet. Demnach umfasst die umlaufende Einheit einen den Rotor tragenden oder diesen aufnehmenden Teil, der in eine Ausnehmung in jenem Teil des Schiffsrumpfs beziehungsweise der Gondel, der zur Aufnahme des Stators dient (festsehender Teil), eingeführt ist. Nachfolgend wird dieser als Tragkörper bezeichnet. Entsprechend läuft der Tragkörper durch die wassergeschmierten Gleitlager zu beiden Seiten des Luftspalts an der Innenwandung der Ausnehmung im feststehenden Teil ab.
Ein besonderer Vorteil dieser Ausgestaltungsvariante ist darin zu sehen, dass der Tragkörper zur Aufnahme und/oder zur Abstützung des Rotors ein separates Auftriebsvolumen aufweisen kann, beispielsweise durch eine voluminöse, wasserdicht ausgeführte Ausgestaltung oder durch separate Auftriebskörper. Durch das Auftriebsvolumen können die wassergeschmierten Gleitlager zu beiden Seiten des Luftspalts entlastet werden und/oder die umlaufende Einheit wird so austariert, dass eine definierte Vorspannung der Lager vorgenommen wird. Hierdurch wird insbesondere beim Anlaufen der Bereich der Mischreibung in den Lagern schnell durchlaufen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit Figurendarstellungen genauer erläutert. In diesen ist im Einzelnen Folgendes dargestellt: Figur 1 zeigt in einem Axialschnitt eine bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Antriebs, für die der Rotor als Außenläufer ausgebildet ist.
Figur 2 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Antriebs im Axialschnitt, bei der der Rotor als Innenläufer ausgebildet ist.
Figur 1 zeigt schematisch vereinfacht eine erste bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung im Längsschnitt längs der Rotationsachse 17. Dargestellt ist eine umlaufende Einheit 1 , umfassend einen Propeller 2, der von einer Nabenscheibe 15 getragen wird. Einen zusätzlichen Teil der umlaufenden Einheit 1 stellt die Haube 14 dar, die strömungsgünstig gestaltet ist. Ferner schließt sich gegenüberliegend zur Haube 14 der den Rotor tragende Teil 10 der umlaufenden Einheit 1 axial an die Nabenscheibe 15 an und ermöglicht eine axiale Beabstandung des Elektromotors 3 vom Propeller 2.
Der Rotor 4 des Elektromotors 3 ist Teil der umlaufenden Einheit und ist koaxial zum Stator 5 angeordnet, der in einem feststehenden Teil 16 untergebracht ist. Das feststehende Teil kann entweder ein drehbar an einem Schiffsrumpf angelenktes Gondelgehäuse eines Pod-Schiffsantriebs oder ein Teil des
Schiffsrumpfs selbst sein, etwa der Heckbereich eines Unterwasserfahrzeugs.
Zu beiden Seiten des Luftspalts 11 ist zum Ablauf der umlaufenden Einheit 1 am feststehenden Teil 16 ein erstes wassergeschmiertes Gleitlager 12.1 und ein zweites wassergeschmiertes Gleitlager 12.2 vorgesehen. Für die vorliegende Ausgestaltung sind diese wassergeschmierten Gleitlager 12.1 , 12.2 als Radiallager ausgebildet. Weitere Ausgestaltungen, etwa eine Kombination aus Radial- und Axiallager, sind denkbar. Für die dargestellte bevorzugte Ausgestaltung wird jedoch zum Abfangen der Schubkräfte des Propellers 2 ein separates Axiallager 13 vorgesehen, das möglichst propellernah angebracht ist. Vorliegend erfolgt die Abstützung an einem mit dem feststehenden Teil 16 verbundenen Flansch 19, wobei das separate Axiallager 13 doppeltwirkend ausgebildet ist und Zug-/Schubbelastungen des Propellers 2 in Axialrichtung auffängt.
Die erfindungsgemäß verwendeten wassergeschmierten Gleitlager 12.1 , 12.2 und das entsprechend ausgeführte separate Axiallager 13 sind bevorzugt segmentiert und als Hart-Weich-Paarung angelegt. Hierdurch entstehen Lager mit hoher Tragkraft, die unempfindlich gegenüber eindringenden Sedimenten sind. Darüber hinaus sind die Lager kostengünstig und können die Kräfte und Momente auch für Antriebe mit hoher Leistung im Bereich von einigen Megawatt sicher abfangen. Ferner federn die Lager durch eine gewisse Eigenelastizität Stöße sicher ab. Das heißt, sie sind bis zu einem gewissen Maß verformbar. Allerdings nur so weit, wie die notwendigen Toleranzen des Luftspalts 11 für den Elektromotor 3 sicher eingehalten werden können.
Der Elektromotor 3 weist eine wasserdichte Abkapselung, insbesondere der verblechten Bereiche, auf. Hierzu ist in Figur 2 zum Schutz der Statorbleche ein abgekapselter Statorbereich 8 vorgesehen. Für die dargestellte Ausführungsform wird ein Rotor 4 mit Fremderregung gewählt, sodass auch rotorseitig ein abgekapselter Rotorbereich 7 vorliegt. Zur Fremderregung ist eine Einheit zur berührungslosen Energieübertragung 6 zur Zuführung der für die Fremderregung notwendigen Energie vom bestehenden Teil 16 zur umlaufenden Einheit 1 vorgesehen. Diese kann als ringförmige Spulenanordnung zur induktiven Energieübertragung oder als Erregermaschine ausgebildet sein. Die Details der Ausgestaltung sind in den Figuren nicht dargestellt.
Für die Ausführung des abgekapselten Rotorbereichs 7 und des abgekapselten Statorbereichs 8 sind unterschiedliche Ausgestaltungen denkbar, beispielsweise die Verwendung eines Spaltrohrs oder der Einsatz von Vergussmassen zur wasserdichten Abkapselung. Für das dargestellte Ausführungsbeispiel wird der abgekapselte Bereich in der umlaufenden Einheit, der abgekapselte Rotorbereich 7, durch ein wenigstens teilweise elastisches Material aus GFK vom wassergefüllten Bereich des Luftspalts 11 getrennt. Zum Druckausgleich des abgekapselten Rotorbereichs 7 ist ein Druckausgleichsgefäß 9 vorgesehen.
Figur 2 zeigt eine weitere bevorzugte Ausgestaltungsvariante der Erfindung. Für die mit der Ausführung gemäß Figur 1 übereinstimmenden Komponenten werden die Bezugszeichen beibehalten. Gegenüber der Ausführung gemäß Figur 1 ist vorliegend die Anordnung des Rotors 4 verändert, dieser ist als Innenläufer ausgeführt. Entsprechend ist der den Rotor tragende Teil 10 der umlaufenden Einheit 1 als ein Tragkörper 18 ausgebildet, der den Rotor 4 aufnimmt oder abstützt. Dieser Tragkörper 18 ist in eine Ausnehmung im feststehenden Teil 16 eingeführt und stützt sich mittels der wassergeschmierten Gleitlager 12.1 , 12.2 in Radialrichtung gegen die Innenwand dieser Ausnehmung im feststehenden Teil 16 ab.
Ein Vorteil, der sich aus einer Ausgestaltung gemäß Figur 2 mit einem Rotor als Innenläufer ergibt, ist darin zu sehen, dass der in die Ausnehmung im feststehenden Teil 16 eingeführte Tragkörper 18 mit einem eigenen Auftriebsvolumen versehen werden kann. Dies gelingt dadurch, dass wenigstens Teile dieses Tragkörpers 18 abgedichtet und hohl oder mit einem schwimmfähigen Material ausgebildet werden. Hierfür kommt eine zylindrische oder hohlzylindrische Ausgestaltung in Frage. Durch die Auftriebskräfte wird das Eigengewicht der umlaufenden Einheit 1 wenigstens teilweise kompensiert. Hieraus resultiert eine Entlastung asymmetrischer, statischer Lagerkräfte in den wassergeschmierten Gleitlagern 12.1 , 12.2, sodass sich insbesondere das Langsamlaufverhalten verbessert.
Darüber hinaus kann durch ein Austarieren der umlaufenden Einheit durch entsprechende Wahl der Auftriebskräfte der Haube 14, der Nabenscheibe 15 sowie des Tragkörpers 18 die relative Lage des Auftriebspunktes und des Schwerpunkts der umlaufenden Einheit 2 und die Größe des hieraus resultierenden Moments so eingestellt werden, dass die wassergeschmierten Gleitlager 12.1, 12.2 definiert vorgespannt werden und so Lagerschwingungen abgedämpft werden. Des Weiteren wird die Mischreibungsphase bei niedrigen Drehzahlen schneller durchlaufen.
In den Figurendarstellungen 2 und 3 sind die in Axialrichtung gesehen zu beiden Seiten des Luftspalts angeordneten, wassergeschmierten Gleitlager 12.1 , 12.2 im Wesentlichen auf dem durch den Luftspalt 11 vorgegebenen Radius angeordnet. Dies stellt eine bevorzugte Ausgestaltung dar, da auf diese Weise radial großbauende Lager mit entsprechend verringerter Flächenpressung entstehen. Allerdings sind Ausgestaltungen denkbar, bei denen die wassergeschmierten Gleitlager 12.1 , 12.2 auf einem vom Luftspalt 11 abweichenden Radius angeordnet sind. So ist es möglich, aus konstruktiven Gründen die wassergeschmierten Gleitlager 12.1 , 12.2 auf einen noch größeren oder auch auf einen verkleinerten Durchmesser zu setzen.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind im Rahmen der nachfolgenden Schutzansprüche denkbar. So kann ein erfindungsgemäßer Antrieb mehr als einen Propeller umfassen, dabei ist es insbesondere für einen Pod-Schiffsantrieb denkbar, dass ein ziehender und schiebender Propeller zu beiden Seiten einer Gondel angebracht sind, wobei es denkbar ist, dass jeder Propeller durch einen separaten Elektromotor angetrieben wird oder mehrere Propeller mit einem Elektromotor anzutreiben.
Bezugszeichenliste
1 umlaufende Einheit
2 Propeller
3 Elektromotor
4 Rotor
5 Stator
6 Einheit zur berührungslosen Energieübertragung
7 gekapselter Rotorbereich
8 gekapselter Statorbereich
9 Druckausgleichsgefäß
10 den Rotor tragender Teil
11 Luftspalt
12.1, 12.2 wassergeschmiertes Gleitlager
13 separates Axiallager
14 Haube
15 Nabenscheibe
16 feststehender Teil
17 Drehachse
18 Tragkörper
19 Flansch

Claims

Patentansprüche
1. Antrieb für ein Wasserfahrzeug, umfassend
1.1 eine umlaufende Einheit (1) mit einem Propeller (2); 1.2 einen Elektromotor (3) mit einer koaxialen Anordnung von Rotor (4) und
Stator (5) und einem radial gerichteten magnetischen Feld, wobei der Rotor außerhalb des Rumpfs des Wasserfahrzeugs angeordnet ist und in drehstarrer Verbindung mit dem Propeller (2) steht;
1.3 der Luftspalt (11) zwischen dem Rotor (4) und dem Stator (5) ist geflutet, wobei der Rotor (4) und/oder der Stator (5) wasserdicht abgekapselt sind;
1.4 in Axialrichtung gesehen sind zu beiden Seiten des Luftspalts (11) wassergeschmierte Gleitlager (12.1, 12.2) angeordnet, die die umlaufende Einheit (1) wenigstens radial abstützen.
2. Antrieb nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Propeller (2) gegenüber den zu beiden Seiten des Luftspalts (11) angeordneten Gleitlagern (12.1 , 12.2) axial beabstandet ist.
3. Antrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Propeller (2) von einer Nabenscheibe (15) getragen wird, die drehstarr mit dem den
Rotor tragenden Teil (10) der umlaufenden Einheit (1) verbunden ist.
4. Antrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der den Rotor tragende Teil (10) der umlaufenden Einheit (1) zylindrisch oder hohlzylindrisch ausgebildet ist.
5. Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (4) als Außenläufer ausgebildet ist.
6. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (4) als Innenläufer ausgebildet ist.
7. Antrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die umlaufende Einheit (1) einen Tragkörper (18) zur Aufnahme und/oder zur Abstützung des Rotors (4) umfasst, dem ein Auftriebsvolumen zugeordnet ist.
8. Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein separates Axiallager (13) für die umlaufende Einheit (1) vorgesehen ist, das als wassergeschmiertes Gleitlager ausgebildet ist.
9. Antrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das separate Axiallager (13) der umlaufenden Einheit (1) in Axialrichtung gesehen zwischen dem Propeller und dem Rotor angeordnet ist.
10. Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (4) und/oder der Stator (5) durch ein
Spaltrohr aus einem elektrisch nicht leitfähigen Werkstoff oder durch eine Vergussmasse wasserdicht abgekapselt sind.
11. Antrieb nach wenigstens einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem wasserdicht abgekapselten Rotor (4) und/oder
Stator (5) ein Druckausgleichsgefäß zugeordnet ist.
12. Verwendung eines Antriebs nach einem der vorausgehenden Ansprüche für einen Pod-Schiffsantrieb und/oder zum Antrieb eines Unterwasserfahrzeugs.
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