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.