Wie jeder Antrieb weist auch ein elektrischer Antrieb Verluste auf, die in Form von Wärme entstehen und zuverlässig abgeführt werden müssen. Bei einem elektrischen Antrieb tritt diese Verlustwärme nicht nur in der Maschine selbst auf, sondern auch in der Steuerungseinheit. Dort führen die teilweise sehr hohen Ströme zu ohmschen Verlusten in den Leistungshalbleitern. Zusätzlich entstehen Schaltverluste durch das kontinuierliche Ein- und Ausschalten der Leistungselektronik. Sowohl Motor als auch Steuerung müssen daher ausreichend gekühlt werden, um einen zuverlässigen und dauerhaften Betrieb sicherzustellen.
Auswahl des Kühlkonzepts
Da für die Timpe Te die wassergekühlte Version des HPM5000 zum Einsatz kommt, musste ein entsprechend kompatibles Wasserkühlkonzept entwickelt werden.
Die meisten modernen Sportbootmotoren verfügen über eine Zweikreiskühlung, während ältere Modelle teilweise noch mit einer Einkreiskühlung ausgestattet sind. In seltenen Fällen kommen auch geschlossene Einkreiskühlsysteme zum Einsatz. Dabei zirkuliert das Kühlwasser in einem geschlossenen Kreislauf durch den Motor und wird anschließend durch ein außerhalb des Rumpfes geführtes Rohr geleitet. Dieses fungiert als Wärmetauscher, wobei das umgebende Seewasser die aufgenommene Wärme an die Umgebung abführt.
Offene Einkreiskühlsysteme weisen insbesondere im Salzwasser den Nachteil auf, dass die wasserführenden Bauteile langfristig korrodieren können. Aus diesem Grund hat sich die Zweikreiskühlung heute als Standard etabliert. Sie verhindert den direkten Kontakt des Motors mit Seewasser, erfordert jedoch einen deutlich höheren technischen Aufwand. Für die Kühlung des Elektromotors müssten hierfür ein geschlossener Kühlkreislauf mit Kühlmittel, zwei Förderpumpen, ein Wärmetauscher sowie ein Ausgleichsbehälter integriert werden. Insbesondere der Wärmetauscher verursacht – abhängig von seiner Größe und Leistungsfähigkeit – erhebliche Kosten. Zusätzlich erhöhen die erforderliche Verrohrung beziehungsweise Verschlauchung sowie die weiteren Komponenten den Installationsaufwand.
Um die Kosten und die Komplexität des Kühlsystems möglichst gering zu halten, haben wir uns für eine direkte Seewasserkühlung entschieden.
Untersuchung und Vorbereitung des Kühlglieds
Laut Hersteller stellt Süßwasser hinsichtlich der Korrosion des Motors grundsätzlich kein Problem dar. Da der Einsatz jedoch in der Ostsee und somit in salzhaltigem Wasser erfolgt, sind zusätzliche Maßnahmen zum Korrosionsschutz erforderlich.
Vor dem Einbau wollten wir das Kühlglied zunächst von innen begutachten, um beurteilen zu können, wie kritisch eine Seewasserkühlung im Hinblick auf mögliche Korrosion tatsächlich ist. Erfreulicherweise ist das aus Aluminium gefertigte Bauteil bereits pulverbeschichtet. Zudem kommen weder die zur Montage verwendeten Edelstahlschrauben noch das im Kühlglied sitzende hintere Wellenlager mit dem Kühlwasser in Kontakt. Grundsätzlich scheint eine Seewasserkühlung somit ohne größeren Aufwand durchaus möglich zu sein.
Trotzdem erschien es uns sinnvoll, eine weitere Schutzmaßnahme zu ergreifen, die zunächst etwas unkonventionell wirken mag. Ihre tatsächliche Wirkung lässt sich zwar nur schwer abschätzen, einen Nachteil sollte sie jedoch keinesfalls darstellen: eine mit dem Kühlglied verbundene Opferanode.
Eine weitere Idee war es, die Möglichkeit zu schaffen, das Kühlglied mit Süßwasser zu spülen. Dazu wurde vor der Förderpumpe ein Y-Ventil mit einem zusätzlichen offenen Schlauchende installiert. Dieses kann einfach in eine Flasche, einen Eimer oder einen Kanister mit Süßwasser gehängt werden, sodass das Seewasser im Kühlsystem durch Süßwasser ersetzt wird. Bleibt das Boot also längere Zeit mal im Hafen, dauert es keine zwei Minuten, bis das Salzwasser aus dem Motor gespült ist.
Auswahl der Pumpe
Für die direkte Seewasserkühlung kommt eine Membranpumpe zum Einsatz, die über die 12-V-Batterie betrieben wird. Ein wesentlicher Vorteil dieser Pumpenbauart besteht darin, dass die rotierenden Bauteile nicht direkt mit dem Fördermedium in Kontakt kommen. Dadurch eignet sie sich besonders gut für den Einsatz mit Salzwasser. Darüber hinaus arbeitet die Membranpumpe selbstansaugend. Erst dadurch wird es möglich, das Kühlsystem über ein loses Schlauchende mit Süßwasser zu spülen.#
Kühlung der Motorsteuerung
Wie bereits erläutert, muss neben dem Motor auch der Controller gekühlt werden. Der eingesetzte Controller ist werkseitig mit Kühlrippen ausgestattet. Laut Herstellerangaben sollen diese durch natürliche Konvektion eine ausreichende Wärmeabfuhr an die Umgebung gewährleisten. Im praktischen Betrieb zeigte sich jedoch, dass diese Kühlung insbesondere bei längerer Belastung nicht ausreichte und der Controller schnell überhitzte.
Zur Verbesserung der Wärmeabfuhr wurde ein kleiner Ventilator vor den Kühlrippen angebracht. Mithilfe eines 3D-gedruckten Luftkanals wird der Luftstrom gezielt zwischen der Montagewand und dem Controller durch die Kühlrippen geleitet. Dadurch erhöht sich der Wärmeaustausch deutlich.
Der Ventilator wird ebenfalls mit 12 V betrieben und ist an derselben Sicherung wie die Wasserpumpe angeschlossen. Das gesamte Kühlsystem lässt sich dadurch als eine Einheit ein- und ausschalten. Dies bietet den Vorteil, dass die Kühlung bei kurzen Manövern, bei denen sich der Antrieb nur geringfügig erwärmt – beispielsweise beim An- oder Ablegen – nicht eingeschaltet werden muss. In diesen Fällen entfällt anschließend auch das Spülen des Kühlsystems mit Süßwasser.
Fazit zur Kühlung:
Die bisherigen Betriebserfahrungen haben gezeigt, dass eine aktive Kühlung bei kurzen Manövern nicht erforderlich ist. Sobald das Kühlsystem eingeschaltet wird, gewährleistet es eine zuverlässige Wärmeabfuhr sowohl am Motor als auch am Controller.
Die direkte Seewasserkühlung hat sich im bisherigen Einsatz als unproblematisch erwiesen. Aufgrund der geringen Anzahl an Komponenten ist das Kühlsystem einfach aufgebaut, wartungsarm und kostengünstig. Die Gesamtkosten für die Kühlung belaufen sich auf rund 120 €, wobei die Membranpumpe mit etwa 80 € den größten Kostenanteil ausmacht.