Bootsantriebe:

Wie funktioniert ein Elektro-Motor?

Elektromotoren nehmen auch im Bereich der Freizeitschifffahrt einen immer breiteren Raum ein. Obwohl die Technik im Vergleich zum Verbrenner eigentlich einfach und und schon viel länger bekannt ist, ist sie für viele Bootsfahrer eher schwarzen Magie. Dabei hat die E-Technik so gar nichts mit Hokuspokus zu tun.

Der Elektro-Antrieb als Bootsmotor wird gerne als die neue Moderne des Bootsantriebs gefeiert. Doch schon 1839 unternahm der deutsch-russische Physiker und Ingenieur Moritz Hermann von Jacobi in St. Petersburg Versuchsfahrten mit einem umgebauten Ruderboot mit Gleichstrommotor. Das sog. Jacobi-Boot gilt als das erste elektrisch angetriebene Boot lange bevor der Verbrennungsmotor erfunden war.

Das Herzstück eines Elektromotors bilden Rotor und Stator. Der Rotor bezeichnet den sich bewegenden Teil der Konstruktion. Der Stator den starren, unbeweglichen Teil. Bei älteren Motoren mit Innenläufer drehte sich der Rotor in einem Gehäuse – dem Stator. Bei Außenläufermotoren dreht sich das Gehäuse (Rotor) um einen festen Part (Stator). Die Konstruktion eines Außenläufers hat Vorteile, da der Hebelarm vergrößert und somit das Drehmoment erhöht wird.

Schnitt durch einen Elektro-Außenbordmotor des deutschen Herstellers für elektrische Bootsantriebe Torqeedo. Im Vergleich zum Verbrenner ist die Anzahl der Bauteile gering und die Technik ist wartungsarm. Grafik: Torqeedo – www.torqeedo.com

Die Drehbewegung des Motors wird im Grunde durch zwei Magnetfelder erzeugt. Auf dem Stator sitzen Kupferspulen, die bei Stromdurchfluss ein Magnetfeld erzeugen. An der Innenseite des Gehäuses sind starke Dauermagneten angebracht, sogenannte Neodym-Magneten. Sie erreichen ein Vielfaches der Feldstärke gewöhnlicher Magneten. Dank der Konstruktion als Außenläufermotor lassen sich doppelt so viele Dauermagnete verbauen, da schlicht mehr Platz vorhanden ist. Das steigert die Leistung des Motors. Die Motoren von Torqeedo z.B erreichen über diese Konstruktion und die verwendeten Materialen wie leistungsstarke Neodym-Magnete ein bis zu 20fach höheres Drehmoment als konventionelle Elektromotoren.

Wird der Elektromagnet aktiviert, richten sich die beiden Magnetfelder zueinander aus – das Gehäuse rotiert. Allerdings nur bis zu einem bestimmten Punkt, denn wenn beide Felder ausgerichtet sind, kommt auch die Bewegung der Dauermagneten zum Erliegen. Ähnlich einer Kompassnadel, an die ein Magnet gehalten wird. Sie dreht sich, bis sie auf den Magneten zeigt.

Wartungsarm, sauber, kräftig und einfach zu bedienen: E-Propulsion Außenborder am Heck eines Yacht-Tenders

Um das Stoppen der Bewegung zu verhindern, muss der Elektromagnet umgepolt werden. Das lässt sich realisieren, indem die Stromrichtung innerhalb der Spule geändert wird. Das Feld kehrt sich immer wieder um, und die Dauermagneten rotieren weiter. Es entsteht ein Wechselfeld. Für das Erzeugen des Wechselfeldes ist der sogenannte Kommutator zuständig. Er ändert die Stromrichtung, um den Motor in Gang zu halten. Früher teilten Kohlebürsten (Schleifkontakte) dem Kommutator mit, wann er das Feld umschalten musste. Diese Bürsten wurden an den Rotor gedrückt und schlossen bei bestimmter Rotorstellung jeweils einen Kontakt, der das Signal zum Wechsel gab.

Torqeedo deep blue 100i Innenborder mit 100 kW

Die neueste Generation benötigt keine Kohlebürsten mehr – sie arbeitet bürstenlos. Da die Schleifkontakte einem Verschleiß unterliegen, müssen sie regelmäßig getauscht werden. Zudem verursachen sie leichte Verluste in der Leistung der Motoren.

Bei bürstenlosen Motoren regelt eine digitale Schaltung das Wechselfeld. Bis zu 35.000 Mal in der Sekunde wechselt sie die Stromrichtung des Feldes. Noch vor wenigen Jahren war solch eine Präzision der elektronischen Schaltung unmöglich. Die Schaltung ist im Idealfall exakt auf die Komponenten des Motors zugeschnitten, um den Schub zu optimieren. Im Gegensatz zu Motoren mit Kohlebürsten sind elektronisch kommutierte Motoren nahezu wartungsfrei.

Energieversorgung

Die Reichweite der E-Antriebe konnte durch immer effizientere Motoren und neue Batterietechnik gesteigert werden. Mit einer 200 Kilogramm schweren Batterien legte der Ingenieur Jacobi 1839 mit seinem Boot sieben Kilometer zurück, die nur 54 Kilogramm schwerere Lithiumbatterie von Torqeedo bringt es mit einem Deep Blue-Motor auf ca. 150 Kilometer.

Schnitt durch eine spezielle Bordbatterie des Herstellers für elektrische Bootsantriebe Torqeedo.

In vielen Bereichen sind daher die Tage des guten alten, aber auch schweren Blei-Akkus gezählt. Lithium-Akkus sind erheblich leichter. Sie haben eine deutlich günstigere nutzbare Kapazität, und können bis zu einer Restkapazität von etwa 20 Prozent entladen werden. Beim Blei-Akku ist schon bei rund 50 Prozent Schluss. Nicht zuletzt sind bei einer Lithium-Batterien erheblich mehr Lade-Zyklen möglich, sie lebt also länger – wenn sie gut behandelt wird. Denn eine Lithium-Batterien ist ein Sensibelchen! Verlässt man die optimalen Betriebsparameter, kann man so einen Lithium-Akku ganz schnell zerstören. Besonders empfindlich sind die Li-Batterien beim Verlassen der „Wohlfühl-Temperatur“, die zwischen 0 und 60 Grad Celsius liegt. Für die Sicherheit und Lebensdauer muss ein Batterie-Management-System sorgen, das auch Bedienungsfehler korrigiert. Diese Anforderungen machen – neben den Materialkosten – eine Lithium-Batterie teuer. Bei häufigen Betriebszyklen amortisiert sich der hohe Preis aber. Daneben muss ein Lithium-Akku im maritimen Bereich natürlich wasserdicht sein, auch gegen die Erschütterungen beim Fahren in ruppiger Welle oder mit Schräglage gewappnet sein.

Torqeedo deep blue high capacity Batterie

Wird ein Lithium-Akku einmal zu heiß, sei es durch Fehlbedienung oder Feuer von außen, dann kann es schnell zur Katastrophe kommen. Das in der Batterie enthaltene Grafit brennt sehr gut, in den Flammen kann es zu folgenschweren chemischen Reaktionen des Lithiums kommen – bis hin zur Explosion mit Löschwasser. Das hat bereits zu schweren Unfällen geführt. Nicht alle Versicherungen sind daher mit Elektrobooten glücklich. „Die Technik des E-Antriebs ist nicht so schadenanfällig“, sagt Michael Gentner, Eigner von Wengert-Versicherungen, und versichert E-Boote ohne Einschränkung. Dagegen hinterfragt Pantaenius das Gesamtsystem bei stärkeren Antrieben.

Manche Hersteller bedienen sich ausgereifter Batterietechnik z.B. aus dem Elektro-Fahrzeugbau. Torqeedo ging eine Partnerschaft mit BMW ein, um deren Hochvolt-Batterien für die Deep Blue-Serie zu nutzen, Volvo Penta arbeitet bei der Entwicklung eigener elektrischer Antriebskonzepte mit den Batterien aus den elektrisch angetriebenen Bussen des Unternehmens.

Auch traditionelle Fahrtenyachten lassen sich auf E- oder Hybridsysteme umrüsten
(Foto: C.Schneider)