EP2280862A2 - Azimut-propellerantriebseinrichtung mit niedriger einbauhöhe für eine schwimmende einrichtung - Google Patents

Azimut-propellerantriebseinrichtung mit niedriger einbauhöhe für eine schwimmende einrichtung

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EP2280862A2
EP2280862A2 EP09749744A EP09749744A EP2280862A2 EP 2280862 A2 EP2280862 A2 EP 2280862A2 EP 09749744 A EP09749744 A EP 09749744A EP 09749744 A EP09749744 A EP 09749744A EP 2280862 A2 EP2280862 A2 EP 2280862A2
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EP
European Patent Office
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shaft
propeller
rotor
motor
drive device
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EP09749744A
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Dierk SCHRÖDER
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
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    • B63H5/07—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water of propellers
    • B63H5/125—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water of propellers movably mounted with respect to hull, e.g. adjustable in direction, e.g. podded azimuthing thrusters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
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    • 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
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    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H5/00—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water
    • B63H5/07—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water of propellers
    • B63H5/125—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water of propellers movably mounted with respect to hull, e.g. adjustable in direction, e.g. podded azimuthing thrusters
    • B63H2005/1254—Podded azimuthing thrusters, i.e. podded thruster units arranged inboard for rotation about vertical axis
    • B63H2005/1256—Podded azimuthing thrusters, i.e. podded thruster units arranged inboard for rotation about vertical axis with mechanical power transmission to propellers

Definitions

  • the invention relates to an azimuth propeller drive device with low installation height for a floating device such. a ship or an offshore platform with
  • a housing to be arranged below a structure of the floating device in the water, in which at least one propeller shaft is rotatably mounted, with which at least one propeller is coupled,
  • At least one electric motor with a stator and a rotor for driving the at least one propeller, a hollow shaft which rotatably supports the housing,
  • the electric motor is arranged outside the housing and drives with its rotor a drive shaft which is coupled to the at least one propeller shaft and which extends at least partially through the hollow shaft.
  • propeller propulsion devices are used in particular in the form of azimuth propulsion systems for ships, i.
  • the propeller drive is used both for propulsion and for the control of the ship, more and more frequently and with ever higher performance, since they significantly extend the range of use of many types of ships and thus provide a ship for a wider range of applications.
  • azimuth propulsion systems examples include rudder propellers, POD drives and thrusters.
  • the shaft and the attached propeller housing in the form of a nacelle by means of an actuator with respect to a substantially vertical axis of rotation relative to the ship's structure is rotatable.
  • the at least one propeller shaft is mounted substantially horizontally in this gondola-shaped housing.
  • the electric motor for driving the drive shaft is here at the upper end of the shaft usually on the shaft or on a non-rotatably mounted in the ship support structure be strengthens and has a stator and a rotor, wherein the rotor is connected to the drive shaft which extends at least partially through the hollow shaft.
  • the transmission of the torque of the electric motor from the drive shaft to the propeller shaft can then take place, for example, via a bevel gear, which is arranged in the gondola-shaped housing.
  • the motor Since in such motors the length of the motor in the axial direction, i. in the direction of the axis of rotation of the rotor, is relatively large, the motor extends with a relatively large length above the shaft into the floating device inside.
  • the propeller driving device thus has a considerable installation height, which results in restrictions on the positioning of the propeller drive device on the floating device and the space available in the floating device.
  • a jet propulsion system for water vehicles is known, which is based on the drive concept of an electric ring motor.
  • Such an electric ring motor is an electric machine having a ring-shaped rotor and a stator, which is arranged in a ring around the rotor in such a way that it forms an electrical machine with the rotor.
  • On the inside of the ring of the rotor blades are arranged.
  • the jet engine does not have a central rotor shaft, i. it is free of a component which passes along the axis of rotation of the rotor therethrough.
  • the electric motor is designed as an electric ring motor, which is arranged annularly around the drive shaft, wherein the rotor of the ring motor is rotatably connected via a rotor carrier with the drive shaft.
  • a ring motor is understood as meaning a motor which, in relation to the axis of rotation of the rotor, has a significantly greater extent in the radial direction than in the axial direction.
  • the rotor is annular in this case and the stator is arranged in a ring around the rotor.
  • An annular arrangement of the rotor about the drive shaft is here understood to mean that the drive shaft runs along the axis of rotation of the rotor and preferably even through the rotor, i. through the surface spanned by the rotor.
  • the ring motor is preferably adapted to the outside diameter of a support structure of the floating device for the azimuth propeller drive device.
  • the outer diameter of the ring motor is less than or equal to the outer diameter of the support structure.
  • the ring motor can in this case be mounted above or inside the support structure (also called "support cone").
  • the rotor carrier comprises a hub, a circular support ring and a connecting element for connecting the Hub with the support ring, wherein the hub is rotatably connected to the drive shaft and the support ring carries the rotor.
  • the connecting element is designed as a disc wheel.
  • the disc wheel may be provided with holes or slots.
  • the connecting element can also be designed as a spoke wheel.
  • the rotor carrier can also be a gear, e.g. a planetary gear, include. As a result, the size of the motor can be reduced.
  • the drive shaft is rotatably mounted in the shaft.
  • the rotor can also be rotatably mounted in the shaft. With a suitable mounting of the rotor in the shaft may possibly be dispensed with an (additional) storage of the drive shaft in the shaft.
  • the hollow shaft may be rotatable about an axis of rotation via at least one electric or hydraulic motor (hereinafter referred to as "rotary motor").
  • the rotary motor designed as an electric motor is designed as an electric ring motor which is arranged annularly about the axis of rotation of the shaft, wherein the rotor of the electric motor is connected to the shaft and the stator of the electric motor connected to the structure of the floating device has.
  • a particularly large power of the electric drive used for driving the drive shaft or the actuator ring motor in a small footprint is in this case possible that the ring motor designed as an electric motor is designed as a permanent magnet synchronous machine.
  • the coupling of the drive shaft with the propeller shaft via a bevel gear since such bevel gearboxes are characterized by a good torque transmission and high reliability.
  • the housing is closed, in particular shaped like a pod, and forms in its interior a cavity in which then, for example, the bevel gear can be accommodated.
  • the figure shows in diagrammatic form a longitudinal section of an azimuth propeller driving device 1 according to the invention for a floating device, such as e.g. a ship or an offshore platform.
  • the propeller drive device 1 comprises a hollow shaft 2, which is supported by bearings 13 at its lower and upper end about a substantially vertical axis 3 rotatably supported by a support structure 4 of the floating device. Seals 14 seal a gap 15 between the shaft 2 and the support structure 4 against ingress of water.
  • a substantially horizontally extending propeller shaft. 7 by means of bearings 8 rotatably mounted about an axis 9.
  • the axis of rotation 3 of the shaft 2 and the axis of rotation 9 of the propeller shaft 7 are thus substantially perpendicular to each other.
  • the propeller shaft 7 is guided at one end 10 to outside the housing 5 and has at this end 10 an attached thereto propeller 11.
  • An electric motor 20 drives the propeller shaft 7 via a drive shaft 21 and a bevel gear 28 arranged in the housing 5, consisting of a bevel gear 29a and a ring gear 29b.
  • the electric motor 20 drives the propeller shaft 7 via a drive shaft 21 and a bevel gear 28 arranged in the housing 5, consisting of a bevel gear 29a and a ring gear 29b.
  • the floating device 20 is disposed outside of the shaft 2 and the housing 5 in the interior of the floating device.
  • the floating device is a non-illustrated generator or other power source, the or the electric motor, possibly powered by an inverter with the necessary power.
  • the propeller drive device shown is a rotatable about a vertical axis 3 azimuth Propulsionsstrom in the form of a rudder propeller. It is possible that the propeller shaft 7 at its second end or an additional propeller shaft, via a suitable gear with the propeller shaft 7 or the Drive shaft 21 is coupled, is guided outside of the housing 5 and there also has an attached thereto propeller. The two propellers can then rotate (i.e., contrarotate) in the same or in opposite directions.
  • the electric motor 20 is designed as an electric ring motor and has an annular rotor 22 and an annular stator 23, which encloses the rotor 22 annularly to form an air gap.
  • the rotor 22 and the drive shaft 21 are rotatably supported about the same axis 3 as the shaft 2.
  • the rotor 22 is arranged annularly around the drive shaft 21, that is, that the drive shaft 21 along the axis of rotation 3 of the rotor 22 and thereby even through the rotor 22 through, that is, by the area spanned by the rotor 22 extends.
  • the electric motor 20 designed as a ring motor has, in relation to the axis of rotation 3 of the rotor 22 in the radial direction, a diameter A which is significantly greater than the length B of the motor in its axial longitudinal direction.
  • the annular stator 23 of the motor 20 is rotationally fixed to the shaft 2, here a support structure 24 (often referred to as “support cone”) at the upper end of the shaft 2, attached.
  • the ratio A / B depends essentially on the diameter of the supporting structure 24, on the torque to be applied to the propeller 11, and on the ratio of a gear possibly arranged between the motor 20 and the drive shaft 21 and that of the angular gear.
  • a gear may optionally be employed within the vertical extent of the motor 20, allowing for optimum tuning of the motor 20 to the drive torque required by the propeller.
  • the ring motor 20 is adapted in terms of its outer diameter to the outer diameter of the support structure 24 of the floating device for the azimuth propeller drive device and has an outer diameter which is approximately equal to the outer diameter of the support structure 24.
  • the annular rotor 22 is non-rotatably connected to the drive shaft 21 via a rotor carrier 25 fastened to its ring inner side.
  • the rotor carrier 25 thus carries on its outer side the rotor 22.
  • the rotor carrier 25 comprises a hub 40, a circular support ring 41 and a connecting element 42 for connecting the hub 40 with the support ring 41.
  • the hub 40 is rotatably connected to the drive shaft 21 and the support ring 41 carries on its outer side the rotor 22.
  • the connecting element 42 may be formed, for example, as a disk wheel, which is preferably provided for weight saving with holes or slots.
  • the rotor carrier may also include a transmission, eg a planetary gear.
  • Several bearings 26 are used for rotatable mounting and horizontal and vertical fixation of the drive shaft 21, the rotor carrier 25 and the rotor 22 relative to the stator 23 and the shaft second
  • the rotation of the propeller drive device 1 about the vertical axis 3 takes place by means of an electric motor 30, which is likewise designed as an electric ring motor.
  • the motor 30 has a ring-shaped rotor 32 and an annular stator 33, which surrounds the rotor 32 annularly to form an air gap.
  • the rotor 32 is rotatably mounted about the same axis 3 as the shaft 2, the drive shaft 21 and the rotor 22 of the electric motor 20.
  • the electric motor 30 designed as a ring motor has, in relation to the axis of rotation 3 of the rotor 32 in the radial direction, a diameter C which is significantly greater than the length D of the motor in its axial longitudinal direction.
  • the annular stator 33 of the motor 30 is rotationally fixed to a fixed part of the propeller driving device 1 or the floating device, e.g. the support structure 4, and the annular rotor 32 of the motor 30 is rotatably connected by means of a mounted on its inner ring rotor arm 45, which carries the rotor 32 with the shaft 2, here a flange 34 at the upper end of the shaft 2.
  • the connection between the motor 30 and the shaft 2 or between the motor 30 and the floating device can also take place via a suitable transmission. In this way, an optimal adaptation of the motor 30 to the required rotational speed and the required torque for rotating the propeller drive system is possible.
  • the electric motors 20, 30 are preferably designed as permanent-magnet synchronous machines.
  • the propeller drive device 1 can also be arranged retractable and extendable in a floating device.
  • a shaft into which the propeller drive device 1 is received in the retracted state can be formed in the floating device.

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Abstract

Eine Azimut-Propellerantriebseinrichtung (1) für eine schwimmende Einrichtung mit - einem unterhalb einer Struktur der schwimmenden Einrichtung im Wasser anzuordnenden Gehäuse (5), in dem zumindest eine Propellerwelle (7) drehbar gelagert ist, mit der zumindest ein Propeller (11) gekoppelt ist, - mindestens einem Elektromotor (20) mit einem Stator (23) und einem Rotor (22) zum Antrieb des zumindest einen Propellers (11), - einem hohlen Schaft (2), der das Gehäuse (5) drehfest haltert, - wobei der Elektromotor (20) außerhalb des Gehäuses (5) angeordnet ist und mit seinem Rotor (22) eine Antriebswelle (21) antreibt, die mit der zumindest einen Propellerwelle (7) gekoppelt ist, und die zumindest teilweise durch den hohlen Schaft (2) verläuft, soll eine möglichst geringe Einbauhöhe aufweisen. Dies gelingt erfindungsgemäß dadurch, dass der Elektromotor (20) als ein elektrischer Ringmotor ausgebildet ist, der ringförmig um die Antriebswelle (21) angeordnet ist, wobei der Rotor (22) des Elektromotors (20) über einen Rotorträger (25) drehfest mit der Antriebswelle (21) verbunden ist.

Description

Beschreibung
Azimut-Propellerantriebseinrichtung mit niedriger Einbauhöhe für eine schwimmende Einrichtung
Die Erfindung betrifft eine Azimut-Propellerantriebseinrichtung mit niedriger Einbauhöhe für eine schwimmende Einrichtung wie z.B. ein Schiff oder eine Offshore-Plattform mit
- einem unterhalb einer Struktur der schwimmenden Einrichtung im Wasser anzuordnenden Gehäuse, in dem zumindest eine Propellerwelle drehbar gelagert ist, mit der zumindest ein Propeller gekoppelt ist,
- mindestens einem Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor zum Antrieb des zumindest einen Propellers, - einem hohlen Schaft, der das Gehäuse drehfest haltert,
- wobei der Elektromotor außerhalb des Gehäuses angeordnet ist und mit seinem Rotor eine Antriebswelle antreibt, die mit der zumindest einen Propellerwelle gekoppelt ist und die zumindest teilweise durch den hohlen Schaft verläuft.
Derartige Propellerantriebseinrichtungen werden insbesondere in Form von Azimut-Propulsionsanlagen für Schiffe, d.h. der Propellerantrieb dient sowohl für den Vortrieb als auch für die Steuerung des Schiffes, immer häufiger und mit immer hö- heren Leistungen eingesetzt, da sie den Einsatzbereich vieler Schiffstypen signifikant erweitern und damit ein Schiff für ein breiteres Anwendungsspektrum zur Verfügung stellen.
Beispiele für derartige Azimut-Propulsionsanlagen sind Ruder- propeller, POD-Antriebe und Thruster. Dabei ist der Schaft und das daran befestigte Propellergehäuse in Form einer Gondel mittels eines Stellantriebes in Bezug auf eine im Wesentlichen vertikale Drehachse gegenüber der Schiffsstruktur drehbar. Die mindestens eine Propellerwelle ist im Wesentli- chen horizontal in diesem gondeiförmigen Gehäuse gelagert.
Der elektrische Motor zum Antrieb der Antriebswelle ist hierbei am oberen Ende des Schaftes in der Regel an dem Schaft oder an einer im Schiff drehfest befestigten Tragstruktur be- festigt und weist einen Stator und einen Rotor auf, wobei der Rotor mit der Antriebswelle verbunden ist, die zumindest teilweise durch den hohlen Schaft verläuft. Die Übertragung des Drehmomentes des elektrischen Motors von der Antriebswel- Ie auf die Propellerwelle kann dann beispielsweise über ein Winkelgetriebe erfolgen, das in dem gondeiförmigen Gehäuse angeordnet ist.
Da bei derartigen Motoren die Länge des Motors in axialer Richtung, d.h. in Richtung der Drehachse des Rotors, relativ groß ist, erstreckt sich der Motor mit einer relativ großen Länge oberhalb des Schaftes bis in die schwimmende Einrichtung hinein. Die Propellerantriebseinrichtung weist somit eine beträchtliche Einbauhöhe auf, wodurch sich Einschränkungen hinsichtlich der Positionierung der Propellerantriebseinrichtung an der schwimmenden Einrichtung sowie des in der schwimmenden Einrichtung zur Verfügung stehenden Platzes ergeben.
Aus der EP 1 687 201 Bl ist ein Strahlantrieb für Wasserfahr- zeuge bekannt, der auf dem Antriebskonzept eines Elektroring- motors beruht. Bei einem derartigen Elektroringmotor handelt es sich um eine elektrische Maschine mit einem ringförmig ausgebildeten Rotor und einem Stator, der ringförmig derart um den Rotor angeordnet ist, dass er mit dem Rotor eine e- lektrische Maschine bildet. An der Ringinnenseite des Rotors sind Schaufeln angeordnet sind. Der Strahlantrieb weist keine zentrale Rotorwelle auf, d.h. er ist frei von einem Bauteil, das entlang der Drehachse des Rotors durch diesen hindurch verläuft .
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe vorliegender Erfindung, eine Propellerantriebseinrichtung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, dass sie eine geringere Einbauhöhe in der schwimmenden Einrichtung aufweist.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch eine Propellerantriebseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche .
Erfindungsgemäß ist der Elektromotor als ein elektrischer Ringmotor ausgebildet ist, der ringförmig um die Antriebswelle angeordnet ist, wobei der Rotor des Ringmotors über einen Rotorträger drehfest mit der Antriebswelle verbunden ist.
Unter einem Ringmotor wird hierbei ein Motor verstanden, der in Bezug auf die Drehachse des Rotors in radialer Richtung eine deutlich größere Ausdehnung als in axialer Richtung aufweist. Der Rotor ist hierbei ringförmig ausgebildet und der Stator ist ringförmig um den Rotor angeordnet.
Unter einer ringförmigen Anordnung des Rotors um die Antriebswelle wird hierbei verstanden, dass die Antriebswelle entlang der Drehachse des Rotors verläuft und bevorzugt sogar durch den Rotor hindurch, d.h. durch die von dem Rotor aufgespannte Fläche, verläuft.
Durch die relativ geringe Ausdehnung des elektrischen Ringmotors in axialer Richtung ist die Einbauhöhe des Motors in der schwimmenden Einrichtung sehr gering. Der im Gegenzug aufgrund der größeren radialen Ausdehnung notwendige größere Einbauplatz in radialer Richtung ist in vielen schwimmenden Einrichtungen dagegen meist gegeben und als weniger kritisch anzusehen. Vorzugsweise ist der Ringmotor hinsichtlich seines Außendurchmessers an den Außendurchmesser einer Tragstruktur der schwimmenden Einrichtung für die Azimut-Propelleran- triebseinrichtung angepasst. Bevorzugt ist der Außendurchmesser des Ringmotors dabei kleiner oder gleich dem Außendurchmesser der Tragstruktur. Der Ringmotor kann hierbei oberhalb oder innerhalb der Tragstruktur (auch „Tragkegel" genannt) angebracht sein.
Gemäß einer konstruktiv besonders einfachen Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Rotorträger eine Nabe, einen kreisförmigen Tragkranz und ein Verbindungselement zur Verbindung der Nabe mit dem Tragkranz, wobei die Nabe drehfest mit der Antriebswelle verbunden ist und der Tragkranz den Rotor trägt.
Eine gute Drehmomentübertragung bei gleichzeitig geringem Platz- und Gewichtsbedarf ist hierbei dadurch möglich, dass das Verbindungselement als ein Scheibenrad ausgebildet ist. Zur weiteren Gewichtsreduzierung kann das Scheibenrad mit Löchern oder Schlitzen versehen sein. Alternativ kann das Verbindungselement auch als ein Speichenrad ausgebildet sein.
Der Rotorträger kann auch ein Getriebe, z.B. ein Planetengetriebe, beinhalten. Hierdurch kann die Baugröße des Motors verringert werden.
Hierbei ist bevorzugt die Antriebswelle drehbar in dem Schaft gelagert. Zusätzlich kann auch der Rotor drehbar in dem Schaft gelagert sein. Bei einer geeigneten Lagerung des Rotors im Schaft kann ggf. auf eine (zusätzliche) Lagerung der Antriebswelle in dem Schaft verzichtet werden.
Um eine Drehbarkeit der Propellerantriebseinrichtung um eine vertikale Achse in Bezug auf die schwimmende Einrichtung zu ermöglichen, kann der hohle Schaft über mindestens einen Elektro- oder Hydraulikmotor (im Folgenden als „Drehmotor" bezeichnet) um eine Drehachse drehbar sein.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist dabei der als Elektromotor ausgebildete Drehmotor als ein elektrischer Ringmotor ausgebildet, der ringförmig um die Drehachse des Schaftes angeordnet ist, wobei der Rotor des Elektromotors mit dem Schaft verbunden ist und der Stator des Elektromotors mit der Struktur der schwimmenden Einrichtung verbunden ist. Eine besonders große Leistung des für den Antrieb der Antriebswelle oder den Stellantrieb verwendeten elektri- sehen Ringmotors bei kleinem Platzbedarf ist hierbei dadurch möglich, dass der als Ringmotor ausgebildete Elektromotor als eine permanent erregte Synchronmaschine ausgebildet ist. Durch die Anordnung eines Getriebes zwischen dem Motor zum Antrieb der Antriebswelle und der Antriebswelle bzw. zwischen dem Drehmotor und dem Schaft und/oder dem Drehmotor und der schwimmender Einrichtung kann jeweils ein zusätzlich gestei- gertes Drehmoment bei gleicher Baugröße erreicht werden.
Von Vorteil erfolgt die Kopplung der Antriebswelle mit der Propellerwelle über ein Kegelradgetriebe, da sich derartige Kegelradgetriebe durch eine gute Drehmomentübertragung und hohe Zuverlässigkeit auszeichnen.
Gemäß einer auch für größere Leistungsklassen einer erfindungsgemäßen Propellerantriebseinrichtung hydrodynamisch besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Ge- häuse geschlossen, insbesondere gondelartig geformt, und bildet in seinem Inneren einen Hohlraum aus, in dem dann beispielsweise das Kegelradgetriebe untergebracht werden kann.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles in der Figur näher erläutert .
Die Figur zeigt in schematischer Darstellung einen Längs- schnitt einer erfindungsgemäßen Azimut-Propellerantriebseinrichtung 1 für eine schwimmende Einrichtung wie z.B. ein Schiff oder eine Offshore-Plattform. Die Propellerantriebseinrichtung 1 umfasst einen hohlen Schaft 2, der mittels Lager 13 an seinem unteren und oberen Ende um eine im Wesentli- chen vertikale Achse 3 drehbar von einer Haltestruktur 4 der schwimmenden Einrichtung gehaltert ist. Dichtungen 14 dichten einen Zwischenraum 15 zwischen dem Schaft 2 und der Haltestruktur 4 gegen ein Eindringen von Wasser ab.
Ein strömungsgünstig, gondelartig geformtes Gehäuse 5, das in seinem Inneren einen Hohlraum 6 ausbildet, ist am unteren Ende des Schaftes 2 drehfest gehaltert. In dem Gehäuse 5 ist eine im Wesentlichen horizontal verlaufende Propellerwelle 7 mittels Lager 8 um eine Achse 9 drehbar gelagert. Die Drehachse 3 des Schaftes 2 und die Drehachse 9 der Propellerwelle 7 stehen somit im Wesentlichen senkrecht aufeinander.
Die Propellerwelle 7 ist an einem Ende 10 bis außerhalb des Gehäuses 5 geführt und weist an diesem Ende 10 einen daran befestigten Propeller 11 auf. Ein Elektromotor 20 treibt über eine Antriebswelle 21 und ein in dem Gehäuse 5 angeordnetes Kegelradgetriebe 28 bestehend aus einem Kegelrad 29a und ei- nem Tellerrad 29b die Propellerwelle 7 an. Der Elektromotor
20 ist außerhalb des Schaftes 2 und des Gehäuses 5 im Inneren der schwimmenden Einrichtung angeordnet. In der schwimmenden Einrichtung befindet sich ein nicht näher dargestellter Generator oder eine andere Stromquelle, der bzw. die den Elektro- motor, ggf. über einen Umrichter, mit dem nötigen Strom versorgt .
Die gezeigte Propellerantriebseinrichtung stellt eine um eine vertikale Achse 3 verdrehbare Azimut-Propulsionsanlage in Form eines Ruderpropellers dar. Es ist dabei möglich, dass die Propellerwelle 7 auch an ihrem zweiten Ende oder eine zusätzliche Propellerwelle, die über ein geeignetes Getriebe mit der Propellerwelle 7 oder der Antriebswelle 21 gekoppelt ist, bis außerhalb des Gehäuses 5 geführt ist und dort eben- falls einen daran befestigten Propeller aufweist. Die beiden Propeller können sich dann in die gleiche oder auch in entgegengesetzte Richtungen drehen (d.h. kontrarotieren) .
Der Elektromotor 20 ist als elektrischer Ringmotor ausgebil- det und weist einen ringförmig ausgebildeten Rotor 22 und einen ringförmig ausgebildeten Stator 23 auf, der den Rotor 22 ringförmig unter Bildung eines Luftspaltes umschließt. Der Rotor 22 und die Antriebswelle 21 sind um die gleiche Achse 3 wie der Schaft 2 drehbar gelagert. Der Rotor 22 ist dabei ringförmig um die Antriebswelle 21 angeordnet, d.h. dass die Antriebswelle 21 entlang der Drehachse 3 des Rotors 22 und dabei sogar durch den Rotor 22 hindurch, d.h. durch die von dem Rotor 22 aufgespannte Fläche, verläuft. Der als Ringmotor ausgebildete Elektromotor 20 weist in Bezug auf die Drehachse 3 des Rotors 22 in radialer Richtung einen Durchmesser A auf, der deutlich größer als die Länge B des Motors in seiner axialen Längsrichtung ist.
Der ringförmige Stator 23 des Motors 20 ist drehfest an dem Schaft 2, hier einer Tragstruktur 24 (häufig auch als „Tragkegel" bezeichnet) am oberen Ende des Schaftes 2, befestigt.
Das Verhältnis A/B hängt im Wesentlichen vom Durchmesser der Tragstruktur 24, von dem an dem Propeller 11 aufzubringenden Moment und der Übersetzung eines ggf. zwischen dem Motor 20 und der Antriebswelle 21 angeordneten Getriebes sowie der des Winkelgetriebes ab. Durch geeignete Auswahl eines Ringmotors kann ggf. ein Getriebe innerhalb der vertikalen Ausdehnung des Motors 20 eingesetzt werden, was eine optimale Abstimmung des Motors 20 an das durch den Propeller erforderliche Antriebsdrehmoment ermöglicht.
Der Ringmotor 20 ist hinsichtlich seines Außendurchmessers an den Außendurchmesser der Tragstruktur 24 der schwimmenden Einrichtung für die Azimut-Propellerantriebseinrichtung ange- passt und weist einen Außendurchmesser auf, der etwa gleich dem Außendurchmesser der Tragstruktur 24 ist.
Der ringförmige Rotor 22 ist über einen an seiner Ringinnenseite befestigten Rotorträger 25 drehfest mit der Antriebswelle 21 verbunden. Der Rotorträger 25 trägt somit auf seiner Außenseite den Rotor 22. Der Rotorträger 25 umfasst eine Nabe 40, einen kreisförmigen Tragkranz 41 und ein Verbindungselement 42 zur Verbindung der Nabe 40 mit dem Tragkranz 41. Die Nabe 40 ist dabei drehfest mit der Antriebswelle 21 verbunden und der Tragkranz 41 trägt auf seiner Außenseite den Rotor 22. Das Verbindungselement 42 kann beispielsweise als ein Scheibenrad ausgebildet sein, das zur Gewichtseinsparung vorzugsweise mit Löchern oder Schlitzen versehen ist. Alternativ kann der Rotorträger auch ein Getriebe, z.B. ein Planetengetriebe, beinhalten. Mehrere Lager 26 dienen zur drehbaren Lagerung und horizontalen und vertikalen Fixierung der Antriebswelle 21, des Rotorträgers 25 und des Rotors 22 gegenüber dem Stator 23 und dem Schaft 2.
Das Drehen der Propellerantriebseinrichtung 1 um die vertikale Achse 3 erfolgt mit Hilfe eines elektrischen Motors 30, der ebenfalls als ein elektrischer Ringmotor ausgebildet ist. Der Motor 30 weist einen ringförmig ausgebildeten Rotor 32 und einen ringförmig ausgebildeten Stator 33 auf, der den Rotor 32 ringförmig unter Bildung eines Luftspaltes umschließt. Der Rotor 32 ist um die gleiche Achse 3 wie der Schaft 2, die Antriebswelle 21 und der Rotor 22 des Elektromotors 20 dreh- bar gelagert.
Der als Ringmotor ausgebildete Elektromotor 30 weist in Bezug auf die Drehachse 3 des Rotors 32 in radialer Richtung einen Durchmesser C auf, der deutlich größer als die Länge D des Motors in seiner axialen Längsrichtung ist.
Der ringförmige Stator 33 des Motors 30 ist drehfest an einem feststehenden Teil der Propellerantriebseinrichtung 1 oder der schwimmenden Einrichtung, z.B. der Haltestruktur 4, und der ringförmige Rotor 32 des Motors 30 ist mittels eines an seiner Ringinnenseite befestigten Rotorträgers 45, der den Rotor 32 trägt, drehfest mit dem Schaft 2, hier einem Flansch 34 am oberen Ende des Schaftes 2, verbunden. Die Verbindung zwischen dem Motor 30 und dem Schaft 2 bzw. zwischen dem Mo- tor 30 und der schwimmenden Einrichtung kann auch über ein geeignetes Getriebe erfolgen. Auf diese Weise ist eine optimale Anpassung des Motors 30 an die erforderliche Drehgeschwindigkeit sowie die benötigten Momente zum Verdrehen der Propellerantriebsanlage möglich.
Durch die jeweils relativ geringe Ausdehnung in axialer Richtung sowohl des Motors 20 zum Antrieb der Propeller 11 als auch des Motors 30 zum Drehen des Schaftes 2 ist die Einbau- höhe der gesamten Propellerantriebseinrichtung in der schwimmenden Einrichtung sehr gering. Der im Gegenzug aufgrund der größeren radialen Ausdehnung notwendige größere Einbauplatz der Motoren 20, 30 ist unkritisch, da er sich nach der im We- sentlichen horizontalen Ausdehnung der Anlagen richtet.
Die Elektromotoren 20, 30 sind bevorzugt als permanenterregte Synchronmaschinen ausgebildet.
Aufgrund der geringen Einbauhöhe kann die Propellerantriebseinrichtung 1 auch ein- und ausfahrbar in einer schwimmenden Einrichtung angeordnet sein. In der schwimmenden Einrichtung kann hierzu ein Schacht ausgebildet sein, in den die Propellerantriebseinrichtung 1 im eingefahrenen Zustand aufgenommen ist.
Bei Verwendung eines elektrischen Ringmotors als Antriebsmotor für eine Azimut-Propulsionsanlage einer schwimmenden Einrichtung, insbesondere in Verbindung mit einem weiteren elek- trischen Ringmotor als Drehantrieb für die azimutale Drehung- der Propulsionsanlage, kann somit eine besonders niedrige Einbauhöhe der Azimut-Propulsionsanlage in der schwimmenden Einrichtung erzielt werden. In besonderem Maße gilt dies auch für die Verwendung eines Ringmotors als elektrischen Stellan- trieb für die azimutale Drehung von POD-Anlagen.

Claims

Patentansprüche
1. Azimut-Propellerantriebseinrichtung (1) mit niedriger Einbauhöhe für eine schwimmende Einrichtung, wie z.B. ein Schiff oder eine Offshore-Plattform, mit
- einem unterhalb einer Struktur der schwimmenden Einrichtung im Wasser anzuordnenden Gehäuse (5), in dem zumindest eine Propellerwelle (7) drehbar gelagert ist, mit der zumindest ein Propeller (11) gekoppelt ist, - mindestens einem Elektromotor (20) mit einem Stator (23) und einem Rotor (22) zum Antrieb des zumindest einen Propellers (11) ,
- einem hohlen Schaft (2), der das Gehäuse (5) drehfest hal- tert, - wobei der Elektromotor (20) außerhalb des Gehäuses (5) angeordnet ist und mit seinem Rotor (22) eine Antriebswelle (21) antreibt, die mit der zumindest einen Propellerwelle (7) gekoppelt ist, und die zumindest teilweise durch den hohlen Schaft (2) verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (20) als ein elektrischer Ringmotor ausgebildet ist, der ringförmig um die Antriebswelle (21) angeordnet ist, wobei der Rotor (22) des Elektromotor (20) über einen Rotorträger (25) mit der Antriebswelle (21) verbunden ist.
2. Propellerantriebseinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorträger (25) eine Nabe
(40), einen kreisförmigen Tragkranz (41) und ein Verbindungselement (42) zur Verbindung der Nabe (40) mit dem Tragkranz (41) umfasst, wobei die Nabe (40) drehfest mit der Antriebswelle (21) verbunden ist und der Tragkranz (42) den Rotor (22) trägt.
3. Propellerantriebseinrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (42) als ein Scheibenrad ausgebildet ist.
4. Propellerantriebseinrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Scheibenrad mit Löchern oder
Schlitzen versehen ist.
5. Propellerantriebseinrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (42) als ein Speichenrad ausgebildet ist.
6. Propellerantriebseinrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorträger (25) ein Getriebe, z.B. ein Planetengetriebe, beinhaltet.
7. Propellerantriebseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebs- welle (21) drehbar in dem hohlen Schaft (2) gelagert ist.
8. Propellerantriebseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (22) drehbar in dem Schaft oder in dem Stator (23) gelagert ist.
9. Propellerantriebseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens einen Elektro- oder Hydraulikmotor (30) zur Drehung des hohlen Schaftes (2) um eine Drehachse (3) .
10. Propellerantriebseinrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (30) zur Drehung des Schaftes (2) ebenfalls als ein elektrischer Ringmotor ausgebildet ist, der ringförmig um die Drehachse (3) des Schaftes (2) angeordnet ist, wobei der Rotor (32) des Elektromotors (30) drehfest mit dem Schaft (2) verbunden ist und der Stator (33) des Elektromotors (30) drehfest mit der Struktur der schwimmenden Einrichtung verbunden ist.
11. Propellerantriebseinrichtung (1) nach Anspruch 1 und/oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der als Ringmotor ausgebildete Elektromotor (20 bzw. 30) als permanent erregte Synchronmaschine ausgebildet ist.
12. Propellerantriebseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (21) über ein Kegelradgetriebe (28) mit der zumindest einen Propellerwelle (7) gekoppelt ist.
13. Propellerantriebseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse
(5) geschlossen ist, insbesondere gondelartig geformt ist, und in seinem Inneren einen Hohlraum (6) ausbildet.
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