Eine gut abgestimmte Auslegung eines Propellerantriebs ist kompliziert. Während häufig die Motorleistung im Mittelpunkt der Betrachtung steht, ist für das Verhalten eines Propellerantriebs maßgeblich die Drehmomentcharakteristik entscheidend. Dabei müssen das vom Motor verfügbare Drehmoment und das vom Propeller erforderliche Drehmoment gut aufeinander abgestimmt sein.
Für die Auswahl eines geeigneten Elektromotors ist deshalb zu untersuchen, welches Drehmoment die Maschine über den Drehzahlbereich bereitstellen kann. Dieses Drehmoment muss ausreichen, um das vom Propeller erzeugte Gegenmoment zu überwinden um die gewünschte Drehzahl und die daraus resultierende Schubkraft zu erreichen.
Die Bedeutung der Propellerkennlinien
Jeder Schiffs- und Bootspropeller besitzt charakteristische Kennlinien, die den Zusammenhang zwischen Drehzahl, Schubkraft und benötigtem Drehmoment beschreiben. Diese sogenannten „Robinson-Kurven“ sind eine wichtige Grundlage für die Auslegung eines Antriebssystems. Im professionellen Schiffbau werden solche Kennlinien meist mithilfe von CFD-Simulationen oder umfangreichen Messreihen ermittelt.
Das grundsätzliche Verhalten lässt sich jedoch auch näherungsweise beschreiben: Das vom Propeller benötigte Drehmoment steigt annähernd quadratisch mit der Drehzahl an. Verdoppelt sich die Drehzahl, vervierfacht sich daher ungefähr das erforderliche Drehmoment. Die genaue Form der Kurve hängt von der Geometrie des Propellers ab. Propeller mit großem Durchmesser und hoher Steigung benötigen bereits bei niedrigen Drehzahlen deutlich mehr Drehmoment als kleinere Propeller mit geringer Steigung.
Dieser Verlauf des erforderlichen Drehmoments über die Drehzahl erklärt auch, weshalb der Energiebedarf eines Propellerantriebs bei steigender Drehzahl sehr stark zunimmt. Die benötigte Antriebsleistung ergibt sich aus dem Produkt von Drehmoment und Drehzahl (Leistung = Drehmoment ⋅ Drehzahl). Da das erforderliche Drehmoment eines Propellers näherungsweise quadratisch zunimmt, wächst die Leistung sogar mit der dritten Potenz. Wird die Drehzahl verdoppelt, vervierfacht sich also zunächst das benötigte Drehmoment. Mit der Verdoppelung der Drehzahl, erhöht sich die erforderliche Leistung um den Faktor acht (2xDrehzahl ⋅ 4xDrehmoment = 8xLeistung). Mit anderen Worten: Eine Verdoppelung der Drehzahl erfordert ungefähr die achtfache!!! Antriebsleistung.
Für die Auslegung eines Antriebssystems ist die Propellerkennlinie daher eigentlich von zentraler Bedeutung. Idealerweise wird diese vom Propellerhersteller bereitgestellt. Im Sportbootbereich sind entsprechende Angaben jedoch nur selten verfügbar. Stattdessen finden sich häufig lediglich Empfehlungen für mit einer bestimmten Maschine kompatible Propeller. Oder andersherum gibt es vom Propellerhersteller die Leistungsangabe einer passenden Antriebsmaschine. Die Nennleistung eines Motors sagt jedoch nur begrenzt etwas darüber aus, wie leistungsstark der Antrieb in der Praxis sein wird. Denn entscheidend ist letztlich nicht die nominelle Leistung der Antriebsmaschine, sondern welches Drehmoment der Motor bei den für den Betrieb relevanten Drehzahlen bereitstellen kann.
Warum die reine Leistungsangabe oft irreführend ist, wird in den nächsten Abschnitten deutlich. Sie erklärt auch, weshalb die in unserem Umbau verwendete 5-kW-Elektromaschine in der Praxis eine vergleichbare Antriebsleistung erzielt wie der zuvor eingesetzte 11,5-kW-Dieselmotor.
Rekonstruktion der Propellerkennlinie des Propellers der Timpe Te
Die Timpe Te hat einen zweiflügeliger Propeller mit 12 Zoll Durchmesser und einer Steigung von 9 Zoll. Da der Hersteller keine Propellerkennlinie bereitstellt (auch weil er nicht über diese Verfügt – so jedenfalls auf Nachfrage angegeben), haben wir diese anhand von Messungen während des Betriebs näherungsweise rekonstruiert. Hierzu wurde die elektrische Leistungsentnahme an der Batterie bei unterschiedlichen Drehzahlen erfasst und daraus auf das vom Propeller benötigte Drehmoment zurückgeschlossen.
Zwischen der aus der Batterie entnommenen elektrischen Leistung und der tatsächlich an der Propellerwelle verfügbaren mechanischen Leistung treten natürlich verschiedene Verluste auf. Dazu zählen unter anderem ohm’sche Verluste in den Leitungen, Schaltverluste in der Leistungselektronik sowie mechanische und weitere Verluste im Elektromotor selbst. Um den Einfluss dieser Effekte möglichst gering zu halten, wurde der untere Drehzahlbereich (bis 750 U/min) betrachtet, in dem die Verluste aufgrund der geringen Leistung noch vergleichsweise klein sind und die Auswertung nur geringfügig verfälschen. Auf Basis dieser Messwerte konnte die Kennlinie anschließend extrapoliert werden.
Die Messungen wurden bei festgebundenem Boot durchgeführt, der sogenannten „Bollard-Pull-Bedingung“. Bei Fahrt verschiebt sich die Propellerkennlinie auf der x-Achse nach rechts, sodass bei Fahrt höhere Drehzahlen erreicht werden können (siehe Grafik zu den Robinsonkurven). Dies liegt daran, dass das benötigte Drehmoment für die jeweilige Drehzahl bei steigender Anströmung sinkt, weil der Propeller weniger Wasser verdrängen muss.
Der Drehmomentkennlinie des Propellers steht die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie der Antriebsmaschine gegenüber. Es ist entscheidend, dass der Motor bei jeder Drehzahl mindestens das vom Propeller geforderte Drehmoment bereitstellen kann.
Der Schnittpunkt beider Kennlinien markiert den maximal erreichbaren Betriebspunkt. An diesem Punkt entspricht das vom Motor verfügbare Drehmoment genau dem vom Propeller benötigten Drehmoment. Lotet man auf die x-Achse herunter, lässt sich die maximale Drehzahl des Propellers ablesen. Eine weitere Erhöhung der Drehzahl ist nicht möglich, da der Motor das zusätzlich erforderliche Drehmoment nicht mehr aufbringen kann.
Die Kennlinien des HPM5000 Elektromotors
Der eingesetzte Elektromotor besitzt eine Nennleistung von 5 kW. Diese Angabe bezieht sich auf einen Betriebspunkt bei 3.500 U/min, an dem die Maschine ein Drehmoment von 14 Nm bereitstellt. Wie die Gegenüberstellung von Motor- und Propellerkennlinie jedoch zeigt, ist dieser Betriebspunkt in der vorliegenden Anwendung nicht erreichbar.
Tatsächlich arbeitet der Motor in Kombination mit dem vorhandenen Propeller nur in einem vergleichsweise kleinen Bereich seines möglichen Drehzahlspektrums. Die nominelle Leistung von 5 kW kann daher im praktischen Betrieb nicht vollständig abgerufen werden. Die maximal abgerufene Leistung liegt aufgrund des limitierten Drehmoments von 28 Nm und einer Drehzahl von 850 bei etwa 2,5 kW.
Auch die Praxis hat gezeigt, dass die maximale Drehzahl des Antriebs bei „Vollgas“ im Bereich zwischen 850 und 900 U/min liegt.
Dauerbetrieb und thermische Belastung
Wird die Maschine dauerhaft im Bereich ihres maximalen Drehmoments betrieben, ist aufgrund des schlechten Wikrungsgrads mit einer deutlichen Erwärmung des Motors zu rechnen. Dies zeigte sich auch in der Praxis. Eine Möglichkeit dem sinkenden Wikungsgrad bei höheren (Propeller-)Drehzahlen zu reduzieren, wäre der Einsatz einer Untersetzung. Dadurch könnte der Motor selbst bei höherer Drehzahl und niedrigerem Drehmoment bei gleich bleibender Propellerdrehzahl arbeiten und wäre dabei deutlich effizienter.
Da die Maschine bei rund um das Nennmoment (14Nm) sehr effizient arbeitet liegt bei einer direkten Maschinen-Wellenkupplung eine gute Drehzahl für den Dauerbetrieb bei etwa 600 U/min. In diesem Betriebszustand erreicht die Timpe Te bei Flaute – also genau in dem Einsatzbereich, in dem der Elektroantrieb in unserem Fall über längere Zeit genutzt wird – eine Geschwindigkeit von rund vier Knoten bei einer elektrischen Leistungsaufnahme von etwa 900 W.
Theoretische Betrachtung einer Untersetzung
Was wäre nun wenn man mit einer Untersetzung arbeitet? Mit einem Untersetzungsverhältnis 2:1 zwischen Motor- und Propellerwelle, würde sich bei gleicher Propellerdrehzahl die Drehzahl des Motors verdoppeln, während sich das Drehmoment halbiert. Da Elektromotoren bei höheren Drehzahlen und geringeren Drehmomenten effizienter arbeiten, erscheint eine solche Lösung auf den ersten Blick durchaus attraktiv.
Durch die Untersetzung verschiebt sich die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie des Antriebs (Betrachtung der Propellerwelle) in Richtung höherer Drehmomente. Der Schnittpunkt mit der Propellerkennlinie liegt somit bei einer höheren Drehzahl.
Die Grafik zeigt, dass sich die maximal erreichbare Propellerdrehzahl auf etwa 1.150 U/min erhöhen würde. Die Motordrehzahl läge dabei aufgrund der Untersetzung bei rund 2.300 U/min. Gleichzeitig könnte eine deutlich gesteigerte maximale mechanische Leistung von ungefähr 6 kW auf die Propellerwelle übertragen werden (an der Propellerwelle P = 1.150 U/min ⋅ 50Nm).
Eine solche Konfiguration bietet insbesondere dann Vorteile, wenn über längere Zeiträume hohe Schubkräfte benötigt werden, beispielsweise bei Fahrten gegen starke Strömungen, bei Gegenwind oder unter allgemein anspruchsvollen Wetterbedingungen. In diesen Situationen könnte der Motor seine Leistungsfähigkeit besser ausnutzen und über längere Zeit in einem günstigeren Wirkungsgradbereich arbeiten.
Dem stehen jedoch die zusätzlichen Verluste eines Untersetzungsgetriebes oder Riementriebs gegenüber. Darüber hinaus erhöht sich die mechanische Komplexität des Gesamtsystems, was zusätzlichen Bauraum, Wartungsaufwand und potenzielle Fehlerquellen mit sich bringt.
Für das vorgesehene Einsatzprofil eines Segelbootes stellt sich daher die Frage, ob die zusätzliche Leistung im praktischen Betrieb überhaupt benötigt wird. Wenn der Motor überwiegend bei Flaute und Hafenmanövern zum Einsatz kommt und die Fahrgeschwindigkeit schon im mittleren Drehmomentenbereich erreicht wird, erscheint der Nutzen einer Untersetzung im Verhältnis zum zusätzlichen Aufwand begrenzt.
Am Ende bleibt natürlich noch eine weitere Option: der Austausch des Propellers, beispielsweise gegen ein kleineres Modell mit geringerer Steigung. Dadurch würde sich der Betriebspunkt des Gesamtsystems ebenfalls verschieben und der Motor könnte unter Umständen in einem günstigeren Arbeitsbereich betrieben werden. Allerdings sind damit auch Nachteile verbunden. Kleinere, schnell drehende Propeller arbeiten in der Regel weniger effizient als große, langsam laufende Propeller mit höherer Steigung. Ein solcher Wechsel würde daher auf Seiten des Propellers zu zusätzlichen Verlusten führen.
Letztlich handelt es sich somit stets um eine Abwägung zwischen verschiedenen Zielgrößen wie Effizienz, Leistungsfähigkeit und konstruktivem Aufwand. Welche Lösung sinnvoll ist, hängt maßgeblich vom jeweiligen Einsatzprofil und den gesetzten Prioritäten ab.
Vergleich mit der ursprünglichen Dieselmaschine
Besonders interessant ist noch der Vergleich mit dem ursprünglich eingebauten Dieselmotor. Dieser verfügte über eine Nennleistung von 11,5 kW und war damit auf dem Papier mehr als doppelt so leistungsstark wie der eingesetzte Elektromotor.
Betrachtet man jedoch das Gesamtsystem (Motor in Kombination mit dem Propeller), insbesondere wieder das Drehmoment, ergibt sich ein differenzierteres Bild. Der Dieselmotor stellte über den Drehzahlbereich ein maximales Drehmoment von etwa 25 bis 30 Nm bereit. Bei der im Betrieb tatsächlich erreichten Drehzahl lag das Moment sogar unter dem des 5-kW-Elektromotors.
Die Nennleistung des Dieselmotors ist wiederum bei 3.600 U/min angegeben. In Kombination mit dem verwendeten Propeller wurde dieser Betriebspunkt im praktischen Einsatz nie erreicht. Die Leistung war auch hier auf ca. 2,5 kW durch das Drehmoment begrenzt.
Fazit
Die Analyse des Antriebssystems verdeutlicht, dass die Auslegung eines Bootsantriebs nicht allein anhand der Motorleistung erfolgen kann. Entscheidend ist vielmehr das Zusammenspiel von Motor, Propeller und einer eventuellen Untersetzung.
Die Rekonstruktion der Propellerkennlinie und die praktischen Erfahrungen zeigen, dass der verwendete Propeller bereits bei 2,5 kW die maximale mechanische Leistung des Antriebs bestimmt – dies gilt sowohl für dem 5kW Elektromotor als auch für die 11,5kW Dieslmaschine.
Die Betrachtung einer Untersetzung verdeutlicht zwar das Potenzial für höhere Drehzahlen, gesteigerte Leistung und betriebspunktabhängig höherer Effizienz, zeigt aber gleichzeitig, dass dies sehr vom Fahrprofil abhängt. Für einen Segelbootantrieb, der überwiegend für Hafenmanöver und gelegentliche Flautenfahrten genutzt wird, erweist sich die direkte Kupplung als eine einfache, robuste und effiziente Lösung.
Der Vergleich mit der alten Dieslmaschine zeigt, dass auch vergleichsweise kompakte Elektromotoren bei sorgfältiger Abstimmung mit dem Propeller aufgrund des hohen Drehmoments einen vollwertigen Ersatz für nominell deutlich leistungsstärkere Verbrennungsmotoren darstellen können.