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