Wie funktioniert ein Elektro-Motor?

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.

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.

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.

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.

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.

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.