Motor- und Leistungselektronik

Starkes Herz: Torqeedo Torque-Motoren

Der Motor ist das Herzstück eines Bootsantriebs. Hier setzt Torqeedo mit den Torque Motoren (engl. torque = Drehmoment) neue Maßstäbe in Sachen Drehmoment, Wirkungsgrad und Leistung pro Gewicht und Volumen. So wiegt der Motor, der das Modell Travel 801 mit der Nutzleistung eines 2 PS Verbrennungsmotors ausstattet, nur 500g und ist nicht größer als eine Schachtel Zigaretten.

Bei einem Torque-Motor liegt das Konstruktionsziel im Einsatz von möglichst vielen Faktoren zur Maximierung des Drehmoments. Torqeedo hat den Torque-Motor kompromisslos optimiert und mit der Einführung von Synchronmotoren, die Permanentmagnet erregt, elektronisch kommutiert und als Außenläufer ausgeführt sind, wahre Drehmomentgiganten geschaffen.

Dieser Motor stattet das Modell Travel 801 mit der Nutzleistung eines 2 PS Verbrennungsmotors aus – bei deutlich höherem Schub. Der Motor hat einen Statordurchmesser von 43 mm und wiegt 500 Gramm. Zum Vergleich: Für den Antrieb eines Fahrrads (70 W Spitzenleistung) reicht bei gleicher Bauart ein Motor mit dem Volumen einer Streichholzschachtel und dem Gewicht eines Briefes (22 g).

Kluges Hirn – die neue digitale Torqeedo Leistungselektronik

Die voranstehend beschriebene elektronische Kommutierung von Elektromotoren kann grundsätzlich entweder analog oder digital erfolgen. Während die meisten Anbieter von Elektromotoren noch mechanisch mit Hilfe von Kohlebürsten kommutieren, ist Torqeedo zwei Schritte weiter gegangen und setzt in den neuen Motormodellen eine digitale Leistungselektronik ein. Gegenüber einer elektronischen Kommutierung auf analoger Basis, zeichnet sich die digitale Elektronik durch eine intelligentere Leistungssteuerung aus. Das sorgt für mehr Leistung, mehr Stabilität und mehr Komfort.

Die Intelligenz der Leistungssteuerung liegt in der Kombination von Drehzahl-Steuerung und Steuerung der Stromaufnahme. Bei der Drehzahl-Steuerung wird die Drehzahl des Propellers geregelt, d.h. der Motor hält sich streng an die Drehzahlvorgabe und zieht den zur Erreichung




Kraft auf kleinem Raum – Motor des Travel 801

Damit nicht genug: Der Einsatz von Hightech-Materialen verbessert die Leistungsparameter der Torqeedo Torque-Motoren zusätzlich: So übertrifft ein Torqeedo Motor, wie er z.B. im Modell Travel 801 eingesetzt wird, einen konventionellen Innenläufer mit Hexaferrit-Belegung durch die Verwendung von seltenen Erden-Magneten um das 24-fache Drehmoment – bei gleicher Baugröße. In Verbindung mit einem 1:14 untersetzten Getriebe kann der 800 Watt Motor problemlos einen Propeller antreiben, wie ihn typischerweise ein 20 PS Verbrennungsmotor nutzt.

Auch im Hinblick auf den Wirkungsgrad eröffnen die Torqeedo Motoren eine neue Dimension. Ohne Erregerstrom- und Bürstenverluste, dafür mit zusätzlichen patentierten Reglermechanismen ausgestattet, sind die Verluste auf ein Minimum reduziert. Der hohe Wirkungsgrad sorgt nicht nur für eine effiziente Nutzung der vorhandenen Batteriekapazität, er vermeidet auch Wärmeprobleme. So kann Torqeedo hohe Leistungen mit kleiner Bauform kombinieren.

 

 

 

 

 

 

 

 

der Drehzahl notwendigen Strom. Wird dagegen die Stromaufnahme gesteuert, so verarbeitet der Antrieb den zur Verfügung gestellten Strom bestmöglich und die Propellerdrehzahl ergibt sich als Resultierende.

Was bedeutet es konkret, diese Steuerungslogiken intelligent zu kombinieren? Z.B. arbeitet die Torqeedo Elektronik im geringen Leistungsbereich drehzahlgesteuert, um langsames, zentimetergenaues Manövrieren zu ermöglichen. In anderen Fällen steuert die Elektronik dagegen über die Stromaufnahme: z.B. um sehr leichten Booten eine höhere Endgeschwindigkeit zu verleihen oder um dem Fahrer eine Fahrstufe für reichweitenmaximierende Fahrt anzubieten. Darüber hinaus erlaubt die intelligente Steuerungslogik eine selbständige Adaption der Motorsteuerung an die Verwendung alternativer Propeller, um anwendungsabhängig z.B. Geschwindigkeit oder Schub zu optimieren.



Leistungselektronik für die Travel Serie

Hintergrundwissen Elektromotoren

Zur Unterscheidung von Elektromotoren gibt es vier Kriterien: 
Das Frequenzverhalten, die Wechselfelderzeugung (Kommutierung), die Magnetfelderregung und die Bauform.

Je nach Frequenzverhalten spricht man von

Asynchronmotoren: Das Verhältnis  der Motorendrehzahl zu der Frequenz der Versorgungsspannung ist nicht konstant, sondernvom Belastungszustand der Maschine abhängig. Je höher die Belastung desto höher ist die Drehzahldifferenz - der so genannte „Schlupf“, d.h. eine vorgegebene Propellerdrehzahl wird bei höheren Strömungswiderständen nicht aufrechterhalten. Schub steht also genau dann nicht zur Verfügung, wenn er besonders gebraucht wird.

Synchronmotoren: Bei diesem Typ ist das Verhältnis der Versorgungsspannungsfrequenz zur Motorendrehzahl konstant. In der Regel sind Synchronmotoren drehmomentgesteuert. Sie ziehen also immer genau so viel Strom, wie sie benötigen, um bei der gewünschten Drehzahl das notwendige Drehmoment bereitzustellen. Aus diesem Grund werden sie bevorzugt in Bereichen mit besonders anspruchsvollen Drehmomentanforderungen eingesetzt. Benötigt der Motor mehr Leistung, um eine vorgegebene Propellerdrehzahl aufrechtzuerhalten, so zieht der Motor automatisch mehr Strom.

Je nach Art der Wechselfelderzeugung (Kommutierung) unterscheidet man Elektromotoren in

Mechanisch kommutierte Motoren: Die Bürsten behafteten Motoren erzeugen das für den Motorenlauf notwendige Wechselfeld durch Schleifkontakte. Diese „Bürsten“ schalten auf Grund ihrer geometrischen Anordnung je nach Rotorstellung den Strom um. Ein Manko dieser Motoren liegt im Verschleiß der Bürsten, der die Motoren wartungsintensiv macht. Der Kontaktwiderstand erzeugt außerdem so genannte Bürstenverluste, die den Wirkungsgrad des Motors schmälern.

Elektronisch kommutierte Motoren: Sie erzeugen das für den Motorenlauf notwendige Wechselfeld über eine elektronische Schaltung, den so genannten „Frequenzumrichter“. So entstehen keine Bürstenverluste und die Motoren sind wartungsfrei. Erst seit kurzem ermöglichen die enormen Fortschritte im Bereich der elektronischen Leistungsbauteile und der Schaltungsentwicklung die Herstellung dieser Hochleistungsmotoren zu einem marktfähigen Preis.

Je nach Art der Magnetfelderzeugung werden Elektromotoren unterteilt in

Elektromagnetisch erregte Motoren: Dieser Typ stellt das notwenige Magnetfeld durch ein zweites Spulenfeld zur Verfügung. Dadurch ist er zwar preisgünstig allerdings auch deutlich voluminöser und schwerer als der Permanentmagnet erregte Motor, hinter dem er auch in Sachen Stromverbrauch und Wirkungsgrad deutlich zurückbleibt.

Permanentmagnet erregte Motoren: Hier erzeugen Permanentmagneten das notwendige Magnetfeld. Dadurch entfallen die Verlustleistungen in den Erregerspulen.    

Abhängig von der Bauform spricht man bei  Elektromotoren vom

Innenläufer: In dieser klassischen Bauform des Elektromotors wird der Rotor vom Stator (oder „Ständer“) umschlossen. Der Rotor ist der sich drehende, mit der Motorwelle verbundene Motorenteil und wird auch „Läufer“ oder „Anker“ genannt. Da die Spulen beim Innenläufer außen liegen, hat der Motor Vorteile bei der Kühlung. Im Vergleich zu anderen Bauformen ist er allerdings relativ drehmomentschwach.

Scheibenläufer: Er erzeugt das Drehmoment (= Kraft mal Hebel) indem er die Achse des Magnetfeldes nicht radial sondern parallel zur Welle anordnet. Dadurch lassen sich Geometrien realisieren, bei denen der Ort der elektromagnetischen Krafterzeugung weit von der Achse entfernt liegt. So wird bei gleicher Kraft ein höheres Drehmoment erzielt. Nachteilig wirkt sich die Scheibenläufergeometrie bei Außenbordermotoren mit direkter Wasserkühlung aus. Wegen ihres sehr großen Durchmessers kann man Scheibenläufermotoren nicht direkt in einen Pylon einbauen. 

Außenläufer: Dies ist die modernste Motorenbauform: Die Spulen sind innen angeordnet. Die rotierenden Magnete liegen auf einer außen laufenden Glocke. So erreichen Außenläufer bei gleicher Baugröße ein deutlich höheres Drehmoment als Innenläufer.