WO2018059844A1 - Kühlung eines elektrischen gondelantriebs - Google Patents

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WO2018059844A1
WO2018059844A1 PCT/EP2017/071336 EP2017071336W WO2018059844A1 WO 2018059844 A1 WO2018059844 A1 WO 2018059844A1 EP 2017071336 W EP2017071336 W EP 2017071336W WO 2018059844 A1 WO2018059844 A1 WO 2018059844A1
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electric
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propeller
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PCT/EP2017/071336
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Jörn GRUNDMANN
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • B63H2023/346—Propeller shafts; Paddle-wheel shafts; Attachment of propellers on shafts comprising hollow shaft members

Definitions

  • the invention relates to an electric nacelle drive for a ship having a nacelle housing, a housing arranged in Gondelge ⁇ electric motor with a stator and a rotor which is arranged coaxially to a rotational axis of the electric motor, and a gondola shaft, by means of which the nacelle housing rotatably with a Hull is connectable. Furthermore, the invention relates to a ship with such an electric nacelle drive.
  • Such an electric pod propulsion comes beispielswei ⁇ se as a drive unit for a vessel or generally in a vessel is used, wherein the pod propulsion generally outside of the ship hull and ⁇ half of the water level, in particular in sea water is, and drives a propeller.
  • Such nacelle drives are also known under the name POD drives and usually have an electric power in the megawatt range, in particular of more than 5 MW.
  • POD drives usually have an electric power in the megawatt range, in particular of more than 5 MW.
  • the heat loss of the electrical machine see in a suitable form to be discharged to the
  • a watercraft is a raft, an oil rig, a submarine, or the like.
  • electrical power of less than 5 MW may be used.
  • the heat dissipation of the stator is done for example via the surface of the housing by convection.
  • the stator lamination package for example, shrunk into a housing, whereby a good heat transfer is ensured.
  • the Ge ⁇ housing should have a sufficiently good thermal conductivity. Since the machine housing but in the water (in the maritime transport in salty seawater), also sufficient corrosion resistance is required.
  • a drive unit for a ship comprising a nacelle with egg ⁇ nem electric motor, which is rotatably mounted on a shaft to a ship's hull.
  • cooling channels are provided in the shaft, wel ⁇ che extend into the interior of the hull, where a heat exchanger is provided for recooling the cooling medium located in the cooling medium.
  • the cooling air is passed over the cooling channels in the connecting shaft to the drive motor.
  • the machine could be downsized if the rotor would be better cooled. From a reduction would result in significant advantages, especially if the diameter can be re ⁇ pokerd, the hydrodynamic efficiency can be improved.
  • An object of the invention is to provide an improveddekon ⁇ concepts for an electric pod propulsion.
  • a solution of the problem succeeds in an electric nacelle drive according to claim 1, and in a watercraft according to claim 10.
  • Embodiments of the invention will become apparent, for example, according to claims 2 to 9 and 11th
  • An electric nacelle drive for a ship has a nacelle housing and arranged in the nacelle housing Elektromo ⁇ tor with a stator and a rotor. Further, the electric nacelle drive, for example, also a gondola shaft, by means of which the nacelle housing is rotatably connected to a hull ei ⁇ nes vessel connected.
  • the electric nacelle ⁇ drive also has a shaft for driving a propeller, wherein the shaft has at least one means for conducting waste heat of the electric motor.
  • the shaft has, in particular, steel as a material.
  • the shaft can be forged. From the shaft, the heat can be transferred to the propeller or its propeller blades. The heat can propeller blades through the surface of the product then be given to the surrounding water ⁇ .
  • a thermally good conductive bronze propeller provides a large area for heat transfer to the water.
  • the large surface of the propeller which is surrounded by water during operation, can be used to cool the electric motor.
  • the heat from the rotor via the shaft to the propeller can also be transmitted via a hub.
  • a device for conducting heat this is in particular the waste heat / heat loss of the electric motor
  • the heat transfer of a shaft steel alone should be improved.
  • a passive cooling of the electric motor can be realized.
  • the electric motor to the drive In addition, the shaft can be cooled passively or cooled passively. In a purely passive cooling, there is no active cooling in which a cooling medium such as air or water is circulated. With purely passive cooling, the stator of the electric motor gives off its heat
  • the propeller is used as ⁇ in particular substantially the cooling of the rotor of the electric motor.
  • the rotor heat is hung quasi collected at the site of Entste- directed to the propeller, led to the Pro ⁇ propellers and then transferred from there to the surrounding water.
  • the device conducts heat better than steel.
  • steel For example, copper or aluminum have a higher thermal conductivity than
  • the device for conducting heat to a heat-conducting Homme ⁇ le In one embodiment of the electric nacelle drive, the device for conducting heat to a heat-conducting Hül ⁇ le.
  • This thermally conductive sheath is, for example, on the outside of the shaft and / or in the shaft, in particular as a hollow cylinder integrated into the shaft.
  • the shell has in particular ⁇ special copper as a heat-conducting material.
  • the filament for conducting heat has a heat-conducting layer on the outside of the shaft or in the interior of the shaft, wherein the shaft is in particular at least partially hollow.
  • the device for conducting heat has at least one cooling air channel.
  • cooling air can be conducted inside and / or outside along the shaft in order to dissipate heat.
  • the device is a heat pipe or has a heat pipe.
  • the heat pipe is an efficient means of heat conduction.
  • Examples of heatpipes are sintered heatpipes (eg copper with capillary sinter and antioxidant layer) or mesh heatpipes (eg copper nickel-plated, with capillary metal mesh).
  • the heat pipe can be integrated into the shaft and / or positioned outside on the shaft.
  • the heat pipe can e.g. shrunk into the bronze propeller for connection to the rotor. Also measures can be taken to make the contact area as large as possible.
  • the hub of the propeller can be extended and / or the end of the heatpipe arrangement adapted in its shape to the propeller hub.
  • the device comprises copper, aluminum, ceramic and / or plastic.
  • the heat of the electric motor can be guided over the surface of the shaft, or in the outer radial region of the shaft from the rotor to the propeller.
  • a thermally well conductive structure is applied on the rotor surface of the electric motor or close to it.
  • This can be a layer (example: an Al cylinder, which is shrunk and can also act as a bandage at the same time) or thermally well-conductive, smaller or rod-shaped structures. Smaller structures are therefore run at ⁇ game as rods which are positioned in particular symmetrically to the Rota ⁇ tion axis and parallel thereto.
  • the rods run, for example, in axial bores of the rotor, comparable to damper rods of an electric motor.
  • Suitable materials for the rod (s) or for the layer (in particular for a cylinder) are readily thermally conductive metals such as Cu or Al. But also ceramics (such as alumina) or conductive plastics can take over this job ⁇ given a suitable design. Ceramics and plastics may have an advantage if low electrical conductivity is required, otherwise AC Loss can be induced. For materials with good electrical conductivity, lamination can reduce AC losses. This might be the desired thermal Leitfä ⁇ capability in the axial direction of the propeller towards impair.
  • the material for the means for heat conduction can be found taking into account the environmental conditions such as temperature and / or salty air.
  • the surface of the device for heat conduction may be at least partially sealed, in particular in the case of sensitive materials. This can be done for example in the often without ⁇ out due impregnation of the rotor in a resin bath.
  • the device for conducting the heat (waste heat) of the electric motor is located in the region of the rotor and / or in the region of the shaft outside the rotor. This means into ⁇ particular the appropriate structures of the mechanical connection shaft between the electric motor and propeller are, in particular to the surface out. Comparable to the
  • Power supply lines of an externally excited synchronous machine can be placed on the shaft surface, for example massive copper lines (in particular ⁇ sondere copper rods), which are optionally guided in grooves under the bearings of the shaft and / or the rotor or other obstacles.
  • the propeller is thermally well conductive to this heat conduction path, which is formed by the device, so the structures can be formed connected.
  • end flanges used on the hub may be present.
  • Copper cables or copper rods can also be integrated into the interior of the shaft.
  • the design and construction of the electric motor can be adjusted. Thus, AC losses can be avoided in the area of the electric motor. In the area of the transition from nacelle to propeller, the tightness of the nacelle to the water must be taken into account.
  • the device is a hollow cylinder, or has this one Hollow cylinder on.
  • the hollow cylinder is pushed or shrunk onto the shaft, for example.
  • the apparatus comprises a heat conduction rod wel ⁇ cher, in particular, extend over the longitudinal portion of the rotor via this in a one-piece mold goes, extends beyond the longitudinal region of the shaft and terminates in the region of the propeller.
  • the material used is, for example, copper or aluminum.
  • the device can also be a heat pipe.
  • electric nacelle drive is at least a part of the device within the shaft. It may be a heat pipe, egg ⁇ NEN rod cylinder and / or a hollow cylinder.
  • the heat can therefore be in the center of a shaft, in particular in the center of a hollow shaft. center close to the axis of rotation of the shaft to the propeller.
  • the shaft to the propeller and / or the rotor of the electric motor are designed to be continuous or predominantly hollow.
  • the heat is transferred.
  • the heat can be transmitted as far as the propeller.
  • a copper pipe, which in particular ge ⁇ is closed the front side, introduced by, for example shrinkage fit.
  • Such a copper cooling bus as a device for heat conduction has in particular an outer collector structure in the vicinity of the electromagnetically active rotor components (eg thin copper sheets).
  • This collector ⁇ structure can be designed, for example, segmented by losses AC rails, so to avoid AC losses. Subsequently, the heat is conducted, for example via radial heat conductors (eg copper rods, thermally connected to the outer collector structure) to the inner copper tube (preferably via a thermally highly conductive connection).
  • radial heat conductors eg copper rods, thermally connected to the outer collector structure
  • the inner copper tube preferably via a thermally highly conductive connection.
  • the rotor iron is not impaired too much in its task of guiding the magnetic flux.
  • copper rods and / or copper plates may be arranged as a collecting structure and / or radial heat conductors in the middle of the rotor poles.
  • the copper tube is guided along the hollow shaft to the propeller and is connected to this advantageously thermally conductive well.
  • the tube may for example be made of aluminum.
  • the pipe is filled with water and transfers the heat according to the heat pipe principle.
  • the heat transfer along the cavity in various variants of a heat pipe can be performed, such as in a thermosiphon (single or multi-tube principle) or a heat pipe (use of capillary action to insensitivity to inclination) or a bundle of tubes or a single large diameter pipe, etc.
  • this example ⁇ as adjusting the inclination of the pipe when Thermosi- phon principle and / or a conical shape.
  • the rotor can heat to temperatures up to 100 ° C and more, for example, with a collection of parallel (water) heatpipes in a bore of only 100 mm diameter transmission powers in the range of a few kW possible , This can be viewed or considered almost independently of the length of the transmission link .
  • At least part of the device is in the radially outer region of the shaft. This can be combined with a hollow shaft having a heat pipe to further improve cooling. Due to the various possibilities of cooling the electric motor via the shaft and the propeller using a device for heat conduction, which conducts heat better than a pure shaft made of steel, a pure passiv ⁇ ve cooling of the electric motor can take place.
  • a watercraft may be equipped with an electric nacelle drive of the type described.
  • the watercraft is for example a passenger ship, a freighter or the like.
  • FIG hull 1 drives two electrical cable to a ship ⁇
  • FIG. 2 shows a longitudinal section of an electric gondola drive
  • FIG. 3 shows a further longitudinal section of an electric gondola drive
  • Gondola drive 5 shows another cross section of a rotor of an elec trical ⁇ gondola drive
  • FIG. 7 shows a further cross-section of a rotor of an elec trical ⁇ gondola drive
  • FIG 1 The representation of FIG 1 in a perspective view in the section a section through a ship's hull 9, to which 2 gondolas 8 and 8 'are mounted.
  • Each of the Gon ⁇ spindles 8 and 8 have a pod housing 1, 2 of the propeller shaft 7, and a gondola 5, 5 ⁇ .
  • the gondola shaft 5 or 5 ⁇ is positioned between the nacelle housing 1 and nacelle assemblies 10.
  • the respective nacelle structure 10 has, for example ⁇ a motor for azimuthal movement of the nacelle housing 1 and thus also the propeller 7.
  • the electric motor for driving the propeller 7 is housed in the nacelle housing 1, which is shown in FIG.
  • FIG 2 shows an electric nacelle drive, wherein a longitudinal section is shown.
  • the electrical ⁇ pod drive has the nacelle housing 1, in which the electric motor is accommodated with a stator 2 and a rotor 3, wherein between the stator 2 and the rotor 3, an air gap 11 remains.
  • the rotor 3 is arranged coaxially to egg ⁇ ner axis of rotation 4 of the electric motor.
  • the Gon ⁇ delgepuruse 1 is rotatably connected to the gondola shaft 5 with a ship's hull.
  • To propel a ship connected to the electrical see gondola propeller 7 are provided, which are rotatably connected to the rotor 3.
  • the electric drive Gondelan ⁇ a closed cooling circuit in which a cooling medium circulates, which is shown by the arrows with the problemsszei ⁇ chen 12th The cooling medium passes through cooling air flow openings 13 and 14. This is an active cooling.
  • the closed cooling circuit runs in the nacelle ⁇ housing 1 and in a gondola shaft 5 arranged shaft ⁇ channel 6, which is substantially parallel to the axis of rotation
  • at least one further cooling element may be provided in the nacelle housing 1, in particular in extension of the electric motor at its respective end face.
  • the respective return cooling element may be arranged in particular in the axial region of the respective gene winding head.
  • the rotor 3 is over a closed cooling circuits circulating cooling medium, such as air, increases during operation of the electric motor, its waste heat and trans ⁇ ported this waste heat into the stem channel 6, in which, for example a recooling element is provided, to which the waste heat can be finally discharged.
  • at least one further cooling element may be provided in the nacelle housing 1, in particular in extension of the electric motor at its respective end face.
  • the respective return cooling element may be arranged in particular in the axial region of the respective
  • the shaft 15 is ei ⁇ ne hollow shaft in which, for example, a heat pipe 27 or other means for heat conduction is.
  • This heat conduction device conducts waste heat from the electric motor from the rotor to the propeller 7, which can release heat to the surrounding water via its surface.
  • the hollow shaft 15 can also accommodate a heat pipe or a heat bar, for example made of copper. Copper conducts heat better than steel, which is a material for forming the shaft 15.
  • FIG. 3 shows a further longitudinal section of an electric cable drive, with a stator ⁇ power supply 24 is shown, which through the cable shaft
  • the stator has a laminated stator core 22 and
  • the electric motor in the nacelle housing 1 according to FIG. 3 has a rotor with rotor windings 25.
  • the rotor is over the shaft, which is supported by a bearing 16 is rigidly connected to the propeller 7.
  • a heat pipe 27 is guided, which leads through the rotor into the hub of the propeller 7, to deliver the heat to the wings of the Pro ⁇ pellers.
  • the propeller 7 is in particular a bronze propeller, which by the electric motor (electric motor), which in particular a permanent magnet or externally excited (such as ge ⁇ shows) synchronous machine or asynchronous machine is driven via the shaft.
  • the electric motor electric motor
  • the Ge ⁇ housing 1 possibly a bronze, in which the stator core is a shrunk ⁇
  • further cooling measures air ⁇ flow with eg fans, or other actively operated
  • Fluid cooling can be dispensed with as much as possible, if the installation volume in the POD is severely limited, and a guide up to the hull to a pump and recooling system (causes weight & space!) Is very complex. This applies in particular to pivotable PODs.
  • the approach of passive cooling may have various advantages such as low complexity, low number of Hilfsbe exaggerated ⁇ , thus lower error rate, volume and weight saving of the auxiliary equipment, production cost reduction, etc.
  • the representation according to FIG 4 shows a cross section of a Ro ⁇ door 3 of an electric cable drive with permanentmagne- table excited synchronous motor.
  • the rotor has permanent magnets 17 on the circumference. These are located on the rotor plate 19.
  • the rotor plate 19 has round recesses 21 and six ⁇ angular recesses 20. Through the recesses, for example, a cooling medium can be guided and / or they can be equipped with a rod, for example made of copper, wel ⁇ cher conducts heat from the rotor. The heat conduction from these recesses is continued, for example via the shaft to the propeller, which is not shown in FIG 4, however.
  • FIG 5 shows another cross section of a rotor of an electric cable drive of a perma ⁇ nentmagnetisch excited synchronous motor with adebus 27 over external heat collectors 30, 29 example, heat is conducted to an evaporator 28 of a heat pipe by radial conductor of heat, which represents thedebus.
  • the heat pipe 28 be found ⁇ in the cavity 31, which is formed in the center of the rotor plate 19 of this.
  • the radial heat conductors 29 can also conclude with a copper or aluminum sleeve, which sits on a solid shaft or a hollow shaft, which, however, is not shown.
  • FIG 6 shows schematically the concept for cooling the electric motor with a propeller 7, wherein the rotor 3 is seated on the shaft 15 and a device 27 for
  • the device 27 may be a heat pipe, a rod or a tube, wherein the device 27 is in the inner region and / or in the outer region of the shaft 15.
  • FIG. 7 shows a further cross section of a rotor of an electric nacelle drive.
  • the radial woollei ⁇ ter 29 protrude through the hollow shaft 15 therethrough, wherein in the hollow shaft, an evaporator 28 is located, which is part of a heat pipe.
  • the principle presented here in a version internal variant of the cooling has the advantage that the complex con ⁇ constructive tion of the POD housing and the nacelle interior, special ⁇ no need to change DERS overlooking the seals to the surface variation.
  • the transition from hollow shaft to propeller may require special measures.
  • the heat transfer performance of the heat pipe arrangement is orders of magnitude better than the transmission by means of heat conduction in, for example, copper.
  • the cooling capacity can thus be optimized in a hollow shaft with innenlie ⁇ ing system with heat pipe (s).
  • the illustration according to FIG. 8 shows from another perspective how the radial heat conductors 29 extend into the cavity in the shaft 15 and how heat can be dissipated to the propeller with the hub 34 and the propeller blades 33 via the heat pipe 27.
  • FIG 9 shows a further cross section of a rotor of an electric cable drive, the ra ⁇ Dialen heat conductors terminate in heat conductive traces 36 29th
  • the heat conductor tracks 36 are located in grooves 35 of the shaft.
  • Heat conductor tracks 36 are located on the outer circumference of the shaft 15 and extend from the rotor 3 over the entire shaft 15 to the propeller with the hub 34 and the blades or wings 33.
  • the shaft 15 is in particular a solid shaft 37.
  • the heat conductor tracks 36 extend itself as a device 27 for heat conduction rotationally symmetrical over the lateral surface of the shaft, as shown in the approach in FIG 10.

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Abstract

Ein elektrischer Gondelantrieb für ein Schiff weist ein Gondelgehäuse (1), einen im Gondelgehäuse (1) angeordneten Elektromotor mit einem Stator (2) und einem Rotor (3), einen Gondelschaft (5), mittels welchem das Gondelgehäuse (1) drehbar mit einem Rumpf eines Wasserfahrzeuges verbindbar ist, und eine Welle (15) zum Antrieb eines Propellers (7) auf, wobei die Welle (15) zumindest eine Einrichtung (27) zur Leitung von Wärme des Elektromotors aufweist.

Description

Beschreibung
Kühlung eines elektrischen Gondelantriebs
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Gondelantrieb für ein Schiff aufweisend ein Gondelgehäuse, einen im Gondelge¬ häuse angeordneten Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor, welcher koaxial zu einer Rotationsachse des Elektromo- tors angeordnet ist, und einen Gondelschaft, mittels welchem das Gondelgehäuse drehbar mit einem Schiffsrumpf verbindbar ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Schiff mit einem derartigen elektrischen Gondelantrieb. Ein derartiger elektrischer Gondelantrieb kommt beispielswei¬ se als Antriebseinheit bei einem Schiff oder allgemein bei einem Wasserfahrzeug zum Einsatz, wobei sich der Gondelantrieb im Allgemeinen außerhalb des Schiffsrumpfes und unter¬ halb des Wasserspiegels, insbesondere im Meerwasser, befindet und einen Propeller antreibt. Derartige Gondelantriebe sind auch unter der Bezeichnung POD-Antriebe bekannt und weisen üblicherweise eine elektrische Leistung im Megawattbereich, insbesondere von mehr als 5 MW auf. Dabei muss bei einem sol¬ chen elektrischen Gondelantrieb die Verlustwärme der elektri- sehen Maschine in geeigneter Form abgeführt werden, um die
Maschine während des Betriebs auf einem konstanten und akzep¬ tablen Temperaturniveau zu halten. Weitere Beispiele für ein Wasserfahrzeug sind ein Floß, eine Bohrinsel, ein U-Boot oder dergleichen. Abhängig von der Größe des Wasserfahrzeuges und dem Verwendungszweck des Gondelantriebes können auch elektrische Leistungen kleiner 5 MW zum Einsatz kommen.
Die Wärmeabfuhr des Stators geschieht beispielsweise über die Oberfläche des Gehäuses durch Konvektion. Das Statorblech- paket ist z.B. in ein Gehäuse eingeschrumpft, wodurch ein gu¬ ter Wärmeübergang gewährleistet wird. Hierfür sollte das Ge¬ häuse eine ausreichend gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Da das Maschinengehäuse aber im Wasser (in der Seeschifffahrt im salzigen Meerwasser) betrieben wird, ist ebenfalls eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit erforderlich.
Aus der EP 0 590 867 AI ist eine Antriebseinheit für ein Schiff bekannt, wobei die Antriebseinheit eine Gondel mit ei¬ nem Elektromotor aufweist, welche über einen Schaft drehbar an einem Schiffsrumpf befestigt ist. Zur Kühlung des Elektromotors sind im Schaft angeordnete Kühlkanäle vorgesehen, wel¬ che sich bis ins Innere des Schiffsrumpfs erstrecken, wo ein Wärmetauscher zur Rückkühlung des in den Kühlkanälen befindlichen Kühlmediums vorgesehen ist. Im Schiffsrumpf sind separate Kühlmodule, bestehend aus Fremdlüftern und Luft- / Was¬ serkühlern, neben der Verstelleinheit bzw. dem Azimutmodul angeordnet, wobei die Kühlluft über die Kühlkanäle im Verbin- dungsschaft zum Antriebsmotor geleitet wird.
Für fremderregte Synchronmaschinen und Asynchronmaschinen fallen insbesondere auch am Rotor Verluste an. Bei permanent¬ magnetische erregten Synchronmaschinen werden die Magnete bei steigender Temperatur zunehmend entmagnetisiert. Der Rotor erhält seine Wärme aus der Umgebung, besonders dem Stator (Strahlung, Wärmeleitung, Konvektion) . Der Rotor wird auch durch Reibung an Luft & Lagern erhitzt, und ist nicht zuletzt magnetischen Wechselfeldern von der Ständerwicklung ausge- setzt, welche AC-Verluste im Rotor zur Folge haben. Für jeden der genannten Maschinentypen ist die Rotortemperatur zu begrenzen. Allerdings ist die Kühlung des Rotors bei einer pas¬ siven Wassermantelkühlung nicht sehr gut. In der Konsequenz kann es sich ergeben, dass aufgrund dessen die Baugröße des elektrischen Motors von der Rotortemperatur bestimmt wird.
D.h., die Maschine könnte verkleinert werden, wenn der Rotor besser gekühlt werden würde. Aus einer Verkleinerung ergäben sich erhebliche Vorteile, besonders wenn der Durchmesser re¬ duziert werden kann, der der hydrodynamische Wirkungsgrad verbessert werden kann.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es ein verbessertes Kühlkon¬ zepten für einen elektrischen Gondelantrieb bereitzustellen. Eine Lösung der Aufgabe gelingt bei einem elektrischen Gondelantrieb nach Anspruch 1, sowie bei einem Wasserfahrzeug nach Anspruch 10. Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich beispielsweise gemäß der Ansprüche 2 bis 9 und 11.
Ein elektrischer Gondelantrieb für ein Schiff weist ein Gondelgehäuse und einen im Gondelgehäuse angeordneten Elektromo¬ tor mit einem Stator und einem Rotor auf. Ferner weist der elektrische Gondelantrieb z.B. auch einen Gondelschaft auf, mittels welchem das Gondelgehäuse drehbar mit einem Rumpf ei¬ nes Wasserfahrzeuges verbindbar ist. Der elektrische Gondel¬ antrieb weist auch eine Welle zum Antrieb eines Propellers auf, wobei die Welle zumindest eine Einrichtung zur Leitung von Abwärme des Elektromotors aufweist. Durch die Ableitung der Verlustwärme des Elektromotors über die Welle, kann der
Elektromotor gekühlt werden. Die Welle weist als ein Material insbesondere Stahl auf. Die Welle kann geschmiedet sein. Von der Welle kann die Wärme auf den Propeller bzw. dessen Propellerflügel übertragen werden. Durch die Oberfläche der Pro- pellerflügel kann dann die Wärme an das umgebende Wasser ab¬ gegeben werden.
Ein thermisch gut leitfähiger Bronzepropeller stellt eine große Fläche zur Wärmeübertragung an das Wasser dar. Durch eine Wärmeabfuhr vom Rotor über die Welle hin zum Propeller kann die große Oberfläche des Propellers, welche im Betrieb von Wasser umgeben ist zur Kühlung des Elektromotors genutzt werden. Hierzu kann die Wärme vom Rotor über die Welle zum Propeller auch über eine Nabe übertragen werden. Zur Wärme- Übertragung ist eine Einrichtung zur Leitung von Wärme (dies ist insbesondere die Abwärme/Verlustwärme des Elektromotors) insbesondere im Bereich der Welle vorgesehen. So soll die Wärmeübertragung einer Welle alleine aus Stahl verbessert werden .
Über die Fläche (Oberfläche) des Propellers, welcher insbe¬ sondere aus einer Bronze ist, kann eine passive Kühlung des Elektromotors realisiert werden. Der Elektromotor zum Antrieb der Welle kann so zusätzlich gut passiv gekühlt werden, oder auch rein passiv gekühlt werden. Bei einer rein passiven Kühlung gibt es keine aktive Kühlung, bei welcher ein Kühlmedium wie Luft oder Wasser umgewälzt wird. Bei einer reinen passi- ven Kühlung gibt der Stator des Elektromotors seine Wärme
(Verlustwärme) beispielsweise im Wesentlichen an das Gehäuse der Gondel bei einem POD-Antrieb ab. Der Propeller dient da¬ bei insbesondere im Wesentlichen der Kühlung des Rotors des Elektromotors. Hierzu wird die Rotorwärme am Ort der Entste- hung quasi eingesammelt, zum Propeller geleitet, auf den Pro¬ peller geleitet und anschließend von dort auf das umgebende Wasser übertragen.
In einer Ausgestaltung des elektrischen Gondelantriebs leitet die Einrichtung Wärme besser als Stahl. Kupfer oder Aluminium haben beispielsweise eine höhere Wärmeleitfähigkeit als
Stahl .
In einer Ausgestaltung des elektrischen Gondelantriebs weist die Einrichtung zur Leitung von Wärme eine wärmeleitende Hül¬ le auf. Diese wärmeleitende Hülle ist beispielsweise außen auf der Welle und/oder in der Welle, insbesondere als ein in die Welle integrierter Hohlzylinder. Die Hülle weist insbe¬ sondere Kupfer als wärmeleitendes Material auf.
In einer Ausgestaltung des elektrischen Gondelantriebs weist die Einreichung zur Leitung von Wärme eine wärmeleitende Schicht außen auf der Welle oder im inneren der Welle auf, wobei die Welle insbesondere zumindest teilweise hohl ist.
In einer Ausgestaltung des elektrischen Gondelantriebs weist die Einrichtung zur Leitung von Wärme zumindest einen Kühlluftkanal auf. So kann mittels des Kühlluftkanals oder der Kühlluftkanäle Kühlluft innen und/oder außen entlang der Wel- le geführt werden, um Wärme abzuleiten.
In einer Ausgestaltung des elektrischen Gondelantriebs ist die Einrichtung eine Heatpipe oder weist eine Heatpipe auf. Die Heatpipe ist ein effizientes Mittel zur Wärmeleitung. Beispiele für Heatpipes sind Sinter-Heatpipes (z.B. Kupfer mit Kapillarsinter und Antioxidationsschicht) oder Mesh- Heatpipes (z.B. Kupfer vernickelt, mit Kapillar-Metall- gewebe) . Die Heatpipe kann in die Welle integriert sein und/oder außen auf der Welle positioniert sein.
Bei der Verwendung einer Heatpipe ist darauf zu achten, dass ein gut thermisch leitfähiger Kontakt zwischen Propeller und der Heatpipe besteht. Die Heatpipe kann z.B. zur Verbindung zum Rotor in den Bronzepropeller eingeschrumpft sein. Auch können Maßnahmen ergriffen werden, die Kontaktfläche möglichst groß zu gestalten. Hierzu kann zum Beispiel die Nabe des Propellers verlängert und/oder das Ende der Heatpipe- Anordnung in seiner Form der Propellernabe angepasst sein.
In einer Ausgestaltung des elektrischen Gondelantriebs weist die Einrichtung Kupfer, Aluminium, Keramik und/oder Kunststoff auf. So kann die Wärme des Elektromotors über die Ober- fläche der Welle, bzw. im äußeren radialen Bereich der Welle vom Rotor zum Propeller geführt sein. Auf der Rotoroberfläche des Elektromotors oder nahe dazu wird beispielsweise eine thermisch gut leitfähige Struktur aufgebracht. Hierbei kann es sich um eine Schicht handeln (Beispiel: ein Al-Zylinder, welcher aufgeschrumpft ist und auch gleichzeitig als Bandage wirken kann) oder um thermisch gut leitfähige, kleinere bzw. stabförmige Strukturen. Kleinere Strukturen sind also bei¬ spielsweise Stäbe, welche insbesondere symmetrisch zur Rota¬ tionsachse platziert sind und parallel zu dieser verlaufen. Die Stäbe verlaufen beispielsweise in axialen Bohrungen des Rotors, vergleichbar mit Dämpferstäben eines Elektromotors. Als Material für den oder die Stäbe bzw. für die Schicht (insbesondere für einen Zylinder) eignen sich gut wärmeleit- fähige Metalle wie Cu oder AI. Aber auch Keramiken (wie z.B. Aluminiumoxid) oder leitfähige Kunststoffe können diese Auf¬ gabe bei geeigneter Konstruktion übernehmen. Keramiken und Kunststoffe haben ggf. einen Vorteil, wenn eine geringe elektrische Leitfähigkeit gefordert ist, da ansonsten AC-Ver- luste induziert werden können. Bei elektrisch gut leitfähigen Materialien können durch eine Laminierung die AC-Verluste reduziert werden. Dies könnte die gewünschte thermische Leitfä¬ higkeit in axialer Richtung zum Propeller hin beeinträchti- gen. Bei der Wahl des Materials für die Einrichtung zur Wärmeleitung können auch die Umweltbedingungen wie z.B. Temperatur und/oder salzhaltige Luft mit Berücksichtigung finden. So kann die Oberfläche der Einrichtung zur Wärmeleitung zumindest teilweise, insbesondere bei empfindlichen Materialien, versiegelt sein. Dies kann zum Beispiel bei der häufig ohne¬ hin fälligen Tränkung des Rotors in einem Harzbad geschehen.
Die Einrichtung zur Leitung der Wärme (Abwärme) des Elektro¬ motors befindet sich im Bereich des Rotors und/oder im Be- reich der Welle außerhalb des Rotors. Diese Einrichtung, ins¬ besondere die dafür vorgesehenen Strukturen sind insbesondere zur Oberfläche der mechanischen Wellenverbindung zwischen Elektromotor und Propeller geführt. Vergleichbar zu den
Stromzuführungen einer fremderregten Synchronmaschine können auf der Wellenoberfläche z.B. massive Kupferleitungen (insbe¬ sondere Kupferstäbe) gelegt sein, die ggf. in Nuten unter den Lagern der Welle und/oder des Rotors bzw. anderen Hindernissen hindurchgeführt sind. Der Propeller ist thermisch gut leitfähig an diese Wärmeleitungsstrecke, welche durch die Einrichtung, also die Strukturen ausbildbar ist, angeschlossen. Hierzu können beispielsweise stirnseitige Flansche an der Nabe verwendet vorhanden sein. Kupferleitungen bzw. Kupferstäbe können auch in das Innere der Welle integriert sein. Für die beschriebene Methode der Wärmeaufnahme und -Übertra¬ gung im Oberflächenbereich kann die Auslegung und Konstruktion des Elektromotors angepasst werden. So können im Bereich des Elektromotors AC-Verluste vermieden werden. Im Bereich des Überganges von Gondel zu Propeller ist die Dichtigkeit der Gondel zum Wasser zu beachten.
In einer Ausgestaltung des elektrischen Gondelantriebs ist die Einrichtung ein Hohlzylinder, bzw. weist diese einen Hohlzylinder auf. Der Hohlzylinder ist beispielsweise auf die Welle geschoben bzw. aufgeschrumpft.
In einer Ausgestaltung des elektrischen Gondelantriebs weist die Einrichtung zumindest einen Wärmeleitungsstab auf, wel¬ cher sich insbesondere über den Längsbereich des Rotors erstreckt über diesen in einer einteiligen Form hinaus geht, sich über den Längsbereich der Welle erstreckt und im Bereich des Propellers endet. Als Material ist beispielsweise Kupfer oder Aluminium verwendet. Die Einrichtung kann aber auch eine Heatpipe sein.
In einer Ausgestaltung des elektrischen Gondelantriebs Elektrischer Gondelantrieb ist zumindest ein Teil der Einrichtung innerhalb der Welle. Dabei kann es sich um eine Heatpipe, ei¬ nen Stabzylinder und/oder einen Hohlzylinder handeln.
In einer Ausgestaltung des elektrischen Gondelantriebs kann die Wärme also im Zentrum einer Welle, insbesondere im Zent- rum einer Hohlwelle d.h. zentrumsnah zur Rotationsachse der Welle zum Propeller übertragen werden.
Bei einer innenliegenden Variante der Wärmeleitung, also bei einer zentrumsnahen Wärmeleitung zum Propeller sind die Welle zum Propeller und/oder der Rotor des Elektromotors durchgängig oder überwiegend hohl ausgeführt. In diesem Hohlraum wird die Wärme übertragen. So kann vom Rotor des Elektromotors ausgehend die Wärme bis hin zum Propeller übertragen werden. Beispielsweise ist in den Hohlraum des Rotors des Elektromo¬ tors ein Kupferrohr, welches insbesondere stirnseitig ge¬ schlossen ist, durch z.B. Schrumpfpassung eingebracht. Da es sich bei POD-Motoren in manchen Ausgestaltungen aufgrund des gewünschten geringen POD-Durchmessers um eher lange, dünne Maschinen handelt, entsteht schon bei einem geringen Durchmesser des Hohlraumes eine große thermische Kontaktfläche zwischen Rotor-Blechpaket und Kupferrohr über die gesamte Ro¬ tor-Aktivteillänge. Bei Bedarf kann ein zusätzlicher Kupfer- Kühlbus in das Rotorblechpaket eingebracht werden, um die Wärme von den außen nahe oder auf der Rotoroberfläche liegen¬ den Spulen / Magneten / Kupfer- oder Alu-Stäben (= elektromagnetisch aktive Rotorkomponenten) mit im Vergleich zum Rotoreisen verbesserter Wärmeleitfähigkeit an das innen liegende Kupferrohr zu leiten. Ein solcher Kupfer-Kühlbus als Einrichtung zur Wärmeleitung weist insbesondere eine äußere Sammlerstruktur in der Nähe der elektromagnetisch aktiven Rotorkomponenten (z.B. dünne Kupferbleche) auf. Diese Sammler¬ struktur kann z.B. segmentiert gestaltet werden, um AC-Ver- luste, also Wechselstromverluste, zu vermeiden. Anschließend wird die Wärme z.B. über radiale Wärmeleiter (z.B. Kupferstangen, mit der äußeren Sammlerstruktur thermisch verbunden) an das innen liegende Kupferrohr (vorzugsweise über eine thermisch gut leitfähige Anbindung) geleitet. Hier ist zu be¬ achten, dass das Rotoreisen in seiner Aufgabe zur Führung des magnetischen Flusses nicht zu stark beeinträchtigt wird. So können beispielsweise Kupferstangen und/oder Kupferplatten als Sammelstruktur und/oder radiale Wärmeleiter in der Mitte der Rotorpole angeordnet sein.
In einer Ausgestaltung des elektrischen Gondelantriebs ist das Kupferrohr entlang der Hohlwelle bis zum Propeller geführt und ist mit diesem vorteilhaft thermisch ebenfalls gut leitfähig verbunden. Das Rohr kann beispielsweise auch aus Aluminium sein. Das Rohr wird z.B. mit Wasser gefüllt und überträgt nach dem Wärmerohr-Prinzip die Wärme. Grundsätzlich kann die Wärmeübertragung entlang des Hohlraumes in verschiedensten Varianten eines Wärmerohres ausgeführt werden, wie z.B. bei einem Thermosiphon (Ein- oder Mehrrohr Prinzip) oder bei einer Heatpipe (Nutzung der Kapillarwirkung, um Neigungsunempfindlich zu werden) oder bei einem Bündel aus Rohren oder einem einzelnen Rohr mit großem Durchmesser usw. Abhängig vom Einsatz können im Detail weitere Maßnahmen zur Erhöhung der Wärmeführung vorteilhaft sein, wie dies beispiels¬ weise die Einstellung der Neigung des Rohres beim Thermosi- phon-Prinzip ist und/oder eine konische Formgebung. Ausgehend von möglichen Randbedingungen bei denen das umgebende Wasser deutlich unter 40°C warm ist, während sich der Rotor auf Temperaturen bis 100°C und mehr erwärmen kann, sind beispielsweise mit einer Sammlung paralleler (Wasser-) Heatpipes in einer Bohrung von nur 100 mm Durchmesser Übertragungsleistun- gen im Bereich einiger kW möglich. Dies kann nahezu unabhängig von der Länge der Übertragungsstrecke gesehen bzw. be¬ trachtet werden.
In einer Ausgestaltung des elektrischen Gondelantriebs ist zumindest ein Teil der Einrichtung im radial äußeren Bereich der Welle. Dies kann mit einer Hohlwelle kombiniert werden, welche ein Wärmerohr aufweist, um die Kühlung weiter zu verbessern . Durch die verschiedenen Möglichkeiten der Kühlung des Elektromotors über die Welle und den Propeller unter Verwendung einer Einrichtung zur Wärmeleitung, welche die Wärme besser leitet als eine reine Welle aus Stahl, kann eine reine passi¬ ve Kühlung des Elektromotors erfolgen.
Ein Wasserfahrzeug kann mit einem elektrischen Gondelantrieb der beschriebenen Art ausgestattet sein. Das Wasserfahrzeug ist beispielsweise ein Passagierschiff, ein Frachter oder dergleichen .
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele exemplarisch näher beschrieben und erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen gleichartige Gegenstände bezeichnen können. Es zeigen:
FIG 1 zwei elektrische Gondelantriebe an einem Schiffs¬ rumpf,
FIG 2 ein Längsschnitt eines elektrischen Gondelantriebs, FIG 3 einen weiteren Längsschnitt eines elektrischen Gon- delantriebs,
FIG 4 einen Querschnitt eines Rotors eines elektrischen
Gondelantriebs , FIG 5 einen weiteren Querschnitt eines Rotors eines elek¬ trischen Gondelantriebs,
FIG 6 ein weiteres Konzept zur Kühlung des Elektromotors mit einem Propeller,
FIG 7 einen weiteren Querschnitt eines Rotors eines elek¬ trischen Gondelantriebs,
FIG 8 ein weiteres Konzept zur Kühlung des Elektromotors mit einem Propeller,
FIG 9 einen weiteren Querschnitt eines Rotors eines elek- trischen Gondelantriebs, und
FIG 10 ein weiteres Konzept zur Kühlung des Elektromotors mit einem Propeller.
Die Darstellung nach FIG 1 in einer perspektivischen Darstel- lung im Ausschnitt einen Schnitt durch einen Schiffsrumpf 9, an welchem 2 Gondeln 8 und 8' angebracht sind. Jede der Gon¬ deln 8 und 8 weisen ein Gondelgehäuse 1, jeweils 2 Propeller 7 und einen Gondelschaft 5, 5λ auf. Der Gondelschaft 5 bzw. 5λ ist zwischen dem Gondelgehäuse 1 und Gondelaufbauten 10 positioniert. Der jeweilige Gondelaufbau 10 weist beispiels¬ weise einen Motor zur azimutalen Bewegung des Gondelgehäuses 1 und damit auch der Propeller 7 auf. Der Elektromotor zum Antrieb der Propeller 7 ist im Gondelgehäuse 1 untergebracht, was in FIG 2 dargestellt ist.
Die Darstellung nach FIG 2 zeigt einen elektrischen Gondelantrieb, wobei ein Längsschnitt dargestellt ist. Der elektri¬ sche Gondelantrieb weist das Gondelgehäuse 1 auf, in welchem der Elektromotor mit einem Stator 2 und einem Rotor 3 unter- gebracht ist, wobei zwischen dem Stator 2 und dem Rotor 3 ein Luftspalt 11 verbleibt. Dabei ist der Rotor 3 koaxial zu ei¬ ner Rotationsachse 4 des Elektromotors angeordnet. Das Gon¬ delgehäuse 1 ist über den Gondelschaft 5 drehbar mit einem Schiffsrumpf verbindbar. Zum Antrieb eines mit dem elektri- sehen Gondelantrieb verbundenen Schiffs sind die Propeller 7 vorgesehen, welche drehfest mit dem Rotor 3 verbunden sind. Zur Kühlung des Elektromotors weist der elektrische Gondelan¬ trieb einen geschlossenen Kühlkreislauf auf, in welchem ein Kühlmedium zirkuliert, was mit den Pfeilen mit dem Bezugszei¬ chen 12 dargestellt ist. Das Kühlmedium tritt durch Kühlluft- Stromöffnungen 13 und 14. Dies stellt eine aktive Kühlung dar. Der geschlossene Kühlkreislauf verläuft dabei im Gondel¬ gehäuse 1 und in einem im Gondelschaft 5 angeordneten Schaft¬ kanal 6, welcher im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse
4 des Elektromotors verläuft. Das im geschlossenen Kühlkreis- lauf zirkulierende Kühlmedium, wie z.B. Luft, nimmt während des Betriebs des Elektromotors dessen Abwärme auf und trans¬ portiert diese Abwärme in den Schaftkanal 6, in welchem z.B. ein Rückkühlelement vorgesehen ist, an welches die Abwärme schließlich abgegeben werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann zumindest ein weiteres Rückkühlelement im Gondelgehäuse 1 vorgesehen sein, insbesondere in Verlängerung des Elektromotors an dessen jeweiliger Stirnseite. Weist der Elektromo¬ tor zumindest einen Wickelkopf auf, so kann das jeweilige Rückkühlelement insbesondere im axialen Bereich des jeweili- gen Wickelkopfs angeordnet sein. Der Rotor 3 ist über eine
Welle 15 mit den Propellern 7 verbunden. Die Welle 15 ist ei¬ ne Hohlwelle, in welcher sich beispielsweise eine Heatpipe 27 oder eine andere Einrichtung zur Wärmeleitung befindet. Diese Einrichtung zur Wärmeleitung leitet Abwärme des Elektromotors vom Rotor zum Propeller 7 der über seine Oberfläche Wärme an das umgebende Wasser abgeben kann. Die Hohlwelle 15 kann auch ein Wärmerohr oder einen Wärmestab, beispielsweise aus Kupfer aufnehmen. Kupfer leitet Wärme besser als Stahl, welcher ein Werkstoff zur Ausbildung der Welle 15 ist.
Die Darstellung nach FIG 3 zeigt einen weiteren Längsschnitt eines elektrischen Gondelantriebs, wobei auch eine Stator¬ stromversorgung 24 gezeigt ist, welche durch den Gondelschaft
5 führt, welcher sich azimutal um die Rotationsachse 26 dre- hen lässt. Der Stator weist ein Statorblechpaket 22 und
Statorwicklungen 23 auf. Der Elektromotor im Gondelgehäuse 1 nach FIG 3 weist einen Rotor mit Rotorwicklungen 25 auf. Der Rotor ist über die Welle, welche über ein Lager 16 gelagert ist mit dem Propeller 7 starr verbunden. In der Welle wird eine Heatpipe 27 geführt, welche durch den Rotor in die Nabe des Propellers 7 führt, um die Wärme an die Flügel des Pro¬ pellers abzugeben.
Der Propeller 7 ist insbesondere ein Bronzepropeller, welcher durch den elektrischen Motor (Elektromotor) , welcher insbesondere eine permanentmagnetische oder fremderregte (wie ge¬ zeigt) Synchronmaschine, oder auch Asynchronmaschine ist, über die Welle angetrieben. Über das Statorblechpaket 22 wird die (Verlust-) Wärme der elektrischen Maschine über das Ge¬ häuse 1 (ggf. eine Bronze, in die das Ständerblechpaket ein¬ geschrumpft wird) an das den POD umgebende Wasser abgegeben. Somit entsteht eine Art von passiver Wassermantelkühlung für die elektrische Maschine. Auf weitere Kühlmaßnahmen (Luft¬ strömung mit z.B. Lüftern, oder andere aktiv betriebene
Fluidkühlungen) kann soweit als möglich verzichtet werden, wenn das Einbauvolumen im POD stark begrenzt ist, und eine Führung bis hinauf in den Schiffsrumpf zu einem Pump- und Rückkühlsystem (verursacht Gewicht & Raumbedarf!) sehr aufwändig ist. Dies trifft insbesondere auf schwenkbare PODs zu. Der Ansatz der passiven Kühlung kann verschieden Vorteile haben, wie z.B. geringe Komplexität, geringe Anzahl an Hilfsbe¬ trieben, damit geringere Fehleranfälligkeit, Volumen- und Ge- wichtseinsparung an den Hilfsbetrieben, Herstellungskostenreduzierung, usw.
Die Darstellung nach FIG 4 zeigt einen Querschnitt eines Ro¬ tors 3 eines elektrischen Gondelantriebs mit permanentmagne- tisch erregtem Synchronmotor. Der Rotor weist am Umfang Permanentmagnete 17 auf. Diese befinden sich auf dem Rotorblech 19. Das Rotorblech 19 weist runde Ausnehmungen 21 und sechs¬ eckige Ausnehmungen 20 auf. Durch die Ausnehmungen kann beispielsweise ein Kühlmedium geführt werden und/oder sie können mit einem Stab beispielsweise aus Kupfer bestückt sein, wel¬ cher Wärme aus dem Rotor leitet. Die Wärmeleitung aus diesen Ausnehmungen wird beispielsweise über die Welle zum Propeller fortgeführt, was in FIG 4 allerdings nicht dargestellt ist. Die Darstellung nach FIG 5 zeigt einen weiteren Querschnitt eines Rotors eines elektrischen Gondelantriebs eines perma¬ nentmagnetisch erregten Synchronmotors mit einem Kühlbus 27. Über äußere Wärmesammler 30, wird durch radiale Wärmeleiter 29 Wärme beispielsweise zu einem Verdampfer 28 einer Heatpipe geleitet, welche den Kühlbus darstellt. Die Heatpipe 28 be¬ findet sich im Hohlraum 31, welcher im Zentrum des Rotorbleches 19 von diesem gebildet wird. Die radialen Wärmeleiter 29 können auch mit einer Kupfer- oder Aluminiumhülse abschlie- ßen, welche auf einer Vollwelle oder einer Hohlwelle sitzt, was allerdings nicht dargestellt ist.
Die Darstellung nach FIG 6 zeigt schematisch das Konzept zur Kühlung des Elektromotors mit einem Propeller 7, wobei der Rotor 3 auf der Welle 15 sitzt und eine Einrichtung 27 zur
Wärmeleitung im Betrieb Verlustwärme zur Propellernabe 34 und zu den Propellerflügeln (Propellerblättern) 33 führt. Die Einrichtung 27 kann eine Heatpipe, ein Stab oder ein Rohr sein, wobei die Einrichtung 27 im Innenbereich und/oder im Außenbereich der Welle 15 ist.
Die Darstellung nach FIG 7 zeigt einen weiteren Querschnitt eines Rotors eines elektrischen Gondelantriebs. Über die äu¬ ßeren Wärmesammler 30, wird durch die radialen Wärmeleiter 29 Wärme nach innen in den Rotor geführt. Die radialen Wärmelei¬ ter 29 ragen durch die Hohlwelle 15 hindurch, wobei sich in der Hohlwelle ein Verdampfer 28 befindet, welcher ein Teil einer Heatpipe ist. Die hier in einer Ausführung prinzipiell dargestellte innenliegende Variante der Kühlung hat gegenüber der Oberflächenvariante den Vorteil, dass die komplexe Kon¬ struktion des POD-Gehäuse und des Gondel-Innenraumes, beson¬ ders mit Blick auf die Dichtungen, nicht geändert werden muss. Der Übergang von Hohlwelle zu Propeller kann besondere Maßnahmen erfordern. Darüber hinaus ist die Wärmeübertra- gungsleistung der Heatpipe-Anordnung um Größenordnungen besser als die Übertragung mittels Wärmeleitung in z.B. Kupfer. Die Kühlleistung kann also bei einer Hohlwelle mit innenlie¬ gendem System mit Wärmerohr (en) optimiert werden. Die Darstellung nach FIG 8 zeigt aus einer anderen Perspektive, wie sich die radialen Wärmeleiter 29 in den Hohlraum in der Welle 15 erstrecken und wie über die Heatpipe 27 Wärme zum Propeller mit der Nabe 34 und den Propellerblättern 33 abgeführt werden kann.
Die Darstellung nach FIG 9 zeigt einen weiteren Querschnitt eines Rotors eines elektrischen Gondelantriebs, wobei die ra¬ dialen Wärmeleiter 29 in Wärmeleiterbahnen 36 enden. Die Wär- meleiterbahnen 36 befinden sich in Nuten 35 der Welle. Die
Wärmeleiterbahnen 36 befinden sich am äußeren Umfang der Welle 15 und erstrecken sich vom Rotor 3 über die gesamte Welle 15 zum Propeller mit der Nabe 34 und den Blätter bzw. Flügeln 33. Die Welle 15 ist insbesondere eine Vollwelle 37. Die Wär- meleiterbahnen 36 erstrecken sich als Einrichtung 27 zur Wärmeleitung rotationssymmetrisch über die Mantelfläche der Welle, wie dies im Ansatz in FIG 10 gezeigt ist.
Bei der Vielzahl der dargestellten Ausgestaltungen des elek- frischen Gondelantriebes wird also die Rotorwärme eingesam¬ melt, bis zum Propeller übertragen, ein Wärmeübergang zum Propeller vollzogen um die Wärme schließlich an das Wasser abzugeben. So kann mit einer reinen passiven Kühlung des Elektromotors und seines Rotors über die Welle der Durchmes- ser des POD, aber auch seine Größe und sein Gewicht im Allge¬ meinen, reduziert werden. Damit können beispielsweise folgen¬ de Vorteile einzeln oder gemeinsam zusätzlich erreicht werden : · Geringeres POD-Gewicht & Volumen und damit eine verein¬ fachte Integration & Wartung; ggf. ist sogar ein verbes¬ sertes Schiffdesign möglich (Trim, Gewichtsverteilung (da POD oft nahe am Heck), usw.); sowie geringere Her¬ stellungskosten für den POD;
· Verbesserter hydrodynamischer Wirkungsgrad (Verhältnis der vom Propeller an das Wasser abgegebenen mechanischen Leistung zu der von der Welle dem Propeller zugeführten mechanischen Leistung) ; starke Abhängigkeit zum Durchmesser des POD im Verhältnis zum Propellerdurchmesser; eine geringere notwendige installierte Leistung bei ge¬ gebener Höchstgeschwindigkeitsforderung bzw. eine gerin- gere Antriebsleistung bei gegebener Geschwindigkeit; Da¬ raus können wiederum weitere Größen- und Gewichtvorteile resultieren, was zu Einsparung beim Treibstoff führen kann (Umweltbelastung & Betriebskosten) .

Claims

Patentansprüche
1, Elektrischer Gondelantrieb für ein Schiff aufweisend ein Gondelgehäuse (1), einen im Gondelgehäuse (1) angeordneten Elektromotor mit einem Stator (2) und einem Rotor (3), einen Gondelschaft (5), mittels welchem das Gondelgehäuse (1) dreh¬ bar mit einem Rumpf eines Wasserfahrzeuges verbindbar ist, eine Welle (15) zum Antrieb eines Propellers (7), wobei die Welle (15) zumindest eine Einrichtung (27) zur Leitung von Wärme des Elektromotors aufweist.
2, Elektrischer Gondelantrieb nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung (27) besser Wärme leitet als Stahl.
3. Elektrischer Gondelantrieb nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Einrichtung eine Heatpipe (27) aufweist.
4. Elektrischer Gondelantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis
3, wobei die Einrichtung (27) Kupfer, Aluminium, Keramik und/oder Kunststoff aufweist.
5. Elektrischer Gondelantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis
4, wobei die Einrichtung (27) einen Hohlzylinder aufweist.
6. Elektrischer Gondelantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis
5, wobei die Einrichtung (27) zumindest einen Wärmeleitungs¬ stab aufweist.
7. Elektrischer Gondelantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zumindest ein Teil der Einrichtung (27) innerhalb der Welle (15) ist.
8. Elektrischer Gondelantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei zumindest ein Teil der Einrichtung (27) im radial äußeren Bereich der Welle (15) ist.
9. Elektrischer Gondelantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dessen Kühlung rein passiv ist.
10. Wasserfahrzeug mit einem elektrischen Gondelantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
11. Wasserfahrzeug, nach Anspruch 10, wobei dieses ein Schiff ist .
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WO (1) WO2018059844A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3799264A1 (de) * 2019-09-30 2021-03-31 Siemens Aktiengesellschaft Antriebswelle einer dynamoelektrischen maschine und deren herstellungsverfahren

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20240178723A1 (en) * 2021-03-23 2024-05-30 Lilium Eaircraft Gmbh Cooling for an electric drive of an aircraft
EP3998696A1 (de) * 2021-03-23 2022-05-18 Lilium eAircraft GmbH Kühlung für einen elektrischen antrieb eines flugzeugs
DE102021210755A1 (de) 2021-09-27 2023-03-30 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Rotor für eine elektrische rotierende Maschine, elektrische rotierende Maschine, Gondelantrieb und Wasserfahrzeug
DE102022111442A1 (de) * 2022-05-09 2023-11-09 eMoSys GmbH Fluidgekühlte, mehrphasige permanenterregte Synchronmaschine

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0590867A1 (de) 1992-09-28 1994-04-06 Kvaerner Masa-Yards Oy Schiffsantriebsanlage
US6485339B1 (en) * 1997-07-21 2002-11-26 Siemens Aktiengesellschaft Electric motor pod drive system for a vessel with a cooling device
DE10224014A1 (de) * 2002-05-29 2003-12-11 Siemens Ag Elektrischer Ruderpropeller für ein Marine(Navy)-Schiff
US20110165802A1 (en) * 2008-09-08 2011-07-07 Siemens Aktiengesellschaft Vessel propulsion system for watercraft
DE102013214082A1 (de) * 2013-07-18 2015-01-22 Siemens Aktiengesellschaft Elektrischer Gondelantrieb für ein Schiff

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4160783B2 (ja) 2002-05-30 2008-10-08 三菱重工業株式会社 電気防食軸受
DE102005027953A1 (de) 2005-06-16 2006-12-28 Siemens Ag Permanentmagneterregte elektrische Maschine mit Rotorkühlung
JP2015115973A (ja) 2013-12-09 2015-06-22 株式会社安川電機 回転電機の回転子及び回転電機
EP3020625A1 (de) 2014-11-13 2016-05-18 Siemens Aktiengesellschaft Elektrischer Gondelantrieb

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0590867A1 (de) 1992-09-28 1994-04-06 Kvaerner Masa-Yards Oy Schiffsantriebsanlage
US6485339B1 (en) * 1997-07-21 2002-11-26 Siemens Aktiengesellschaft Electric motor pod drive system for a vessel with a cooling device
DE10224014A1 (de) * 2002-05-29 2003-12-11 Siemens Ag Elektrischer Ruderpropeller für ein Marine(Navy)-Schiff
US20110165802A1 (en) * 2008-09-08 2011-07-07 Siemens Aktiengesellschaft Vessel propulsion system for watercraft
DE102013214082A1 (de) * 2013-07-18 2015-01-22 Siemens Aktiengesellschaft Elektrischer Gondelantrieb für ein Schiff

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3799264A1 (de) * 2019-09-30 2021-03-31 Siemens Aktiengesellschaft Antriebswelle einer dynamoelektrischen maschine und deren herstellungsverfahren
WO2021063745A1 (de) * 2019-09-30 2021-04-08 Siemens Aktiengesellschaft Antriebswelle einer dynamoelektrischen maschine und deren herstellungsverfahren
CN114502848A (zh) * 2019-09-30 2022-05-13 西门子股份公司 电动机器的驱动轴和其制造方法
US20220344990A1 (en) * 2019-09-30 2022-10-27 Siemens Aktiengesellschaft Drive shaft of a dynamoelectrical machine and corresponding manufacturing method
EP3799264B1 (de) 2019-09-30 2023-04-19 Siemens Aktiengesellschaft Antriebswelle einer dynamoelektrischen maschine

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Publication number Publication date
DE102016218872A1 (de) 2018-03-29

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