Elektro-Bootsantrieb

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Bootsantrieb mit einem Elektromotor und einem von dem Elektromotor angetriebenen Propeller mit Flügelblättern. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Optimierung eines Bootsantriebs mit einem Elektromotor und einem von dem Elektromotor angetriebenen Propeller mit Flügelblättern.

[0002] Der Propeller hat von allen Komponenten eines Bootsantriebs den größten Einfluss auf das Fahrverhalten und die Manövrierfähigkeit eines Bootes. Grundsätzlich haben Propeller, die sich langsam durch das Wasser drehen und über eine hohe Steigung und einen großen Durchmesser verfügen, den größten Wirkungsgrad.

[0003] Häufig werden in Außenbordmotoren für Boote Verbrennungsmotoren eingesetzt. Die Drehmomentkennlinie von Verbrennungsmotoren weist bei geringen Drehzahlen nur ein geringes Drehmoment auf, so dass diese für den Antrieb von großen langsam drehenden Propellern ungünstig sind. Die Wirkungsgrade der für Verbrennungsmotoren einsetzbaren Propeller sind deshalb in niedrigen Leistungsklassen auf 20 bis 30% begrenzt.

[0004] Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Elektro-Bootsantrieben wurde bisher die Propellerbauart den von Verbrennungsmotoren bekannten Propellern nachempfunden.

[0005] Aufgabe vorliegender Erfindung ist es daher, einen optimierten Bootsantrieb der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, sowie ein Verfahren zur Optimierung eines solchen Bootsantriebs zu entwickeln.

[0006] Diese Aufgabe wird durch einen Bootsantrieb mit einem Elektromotor und einem von dem Elektromotor angetriebenen Propeller mit Flügelblättern gelöst, wobei sich die Steigung der Flügelblätter des Propellers in radialer Richtung ändert.

[0007] Verfahrensseitig wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Steigung, die Anzahl, die Fläche, das Querschnittsprofil, die axiale Neigung und/oder die radiale Neigung der Flügelblätter in Abhängigkeit von der Charakteristik des Elektromotors, insbesondere der Drehmomentkennlinie des Elektromotors, bestimmt werden.

[0008] Unter Charakteristik des Elektromotors wird insbesondere die Abhängigkeit der Leistung und / oder des Drehmoments des Elektromotors von der Drehzahl verstanden. Erfindungsgemäß wird der Propeller unter Berücksichtigung dieser Parameter für den Elektromotor maßgeschneidert. Von Vorteil werden hierbei noch die Art und Größe des Bootes, welches mit dem Elektromotor angetrieben werden soll, und / oder dessen Einsatzzweck berücksichtigt.

[0009] Mit Hilfe der Erfindung vorausgehender numerischer Studien wurden unter Berücksichtigung neuester hydrodynamischer Kenntnisse verschiedene Propellertypen konstruiert und im Hinblick auf ihr Zusammenspiel mit einem diese antreibenden Elektromotor untersucht. Insbesondere wurde deren Wirkungsgrad gemessen und bei der Optimierung berücksichtigt.

[0010] Diese Untersuchungen haben gezeigt, dass ein von einem Elektromotor angetriebener Propeller den besten Wirkungsgrad erzielt, wenn sich die Steigung der Flügelblätter in radialer Richtung ändert. Auf diese Weise kann der Propeller die im Wasser auftretenden unterschiedlichen radialen Anströmgeschwindigkeiten am effektivsten nutzen.

[0011] Mit dem Begriff "Steigung" bezeichnet man den Weg, den ein Propeller ohne jeden Schlupf bei einer Umdrehung zurücklegen würde. Diese idealisierte Größe lässt sich am fahrenden Boot allerdings nicht ermitteln, da in der Praxis immer Schlupf auftritt. Man misst daher die Steigung eines Propellers mit Hilfe des Anstellwinkels seiner Flügelblätter.

[0012] Die Erfindung zeigt insbesondere bei Synchronmotoren wesentliche Vorteile. Die Drehmomentcharakteristik des Synchronmotors, nämlich hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen, unterstützt gerade den Einsatz solcher Propeller mit sich in radialer Richtung ändernder Steigung, die in der Fachliteratur auch als "variable pitch propeller" bezeichnet werden.

[0013] Vorzugsweise wird nicht nur die Steigung des Propellers optimiert, sondern auch die Flächen der Propellerblätter, deren Anzahl und Querschnittsprofil sowie deren axiale und radiale Neigung.

[0014] Hinsichtlich der Anzahl der Flügelblätter haben sich Propeller mit drei oder fünf Flügelblättern als besonders günstig erwiesen.

[0015] Aufgrund ihres hohen Drehmoments können Synchronmotoren mit einer Eingangsleistung von beispielsweise 400 W bereits Propeller mit einem Durchmesser von 30 cm drehen. Für den Leistungsbereich bis 5 kW, das heißt der Synchronmotor besitzt eine Eingangsleistung bis 5 kW, haben sich Propellerdurchmesser zwischen 25 und 40 cm bewährt.

[0016] Die Erfindung stellt einen hocheffizienten Bootsantrieb zur Verfügung, der im Hinblick auf den Wirkungsgrad optimiert ist. Das Zusammenwirken eines drehmomentstarken Elektromotors, vorzugsweise eines Synchronmotors, mit einem an dessen Drehmomentkennlinie und dessen Leistungsbereich angepassten Propellers hat wesentliche Vorteile gegenüber den konventionellen Bootsantrieben.

[0017] Insbesondere bei Bootsmotoren mit einer Eingangsleistung bis 10 kW, bevorzugt bei Bootsmotoren mit einer Eingangsleistung bis 5 kW, besonders bevorzugt bei Bootsmotoren mit einer Eingangsleistung bis 2,5 kW, bringt der Einsatz der erfindungsgemäßen Propeller mit in radialer Richtung sich ändernder Steigung der Flügelblätter deutliche Vorteile. Bisher wurde eine Optimierung der Propellertechnik für Bootsantriebe in diesem Leistungsbereich, insbesondere für Elektro-Bootsantriebe, gescheut, da der große numerische Aufwand und die notwendigerweise individuelle Herstellung der so berechneten Propeller offensichtlich als unrentabel betrachtet wurden. Erst die der vorliegenden Erfindung vorausgehenden, aufwändigen Berechnungen und die nachfolgenden Tests mit den anhand der Berechnungsergebnisse entwickelten Propellern haben gezeigt, dass im Gegenteil die Verwendung der erfindungsgemäßen Propeller bei Elektro-Bootsantrieben, insbesondere bei Bootsantrieben in den oben genannten Leistungsklassen, besonders vorteilhaft ist.

[0018] Neben der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Propellers hat es sich als günstig erwiesen, alle strömungsmechanisch sensiblen Komponenten wie den Schaft und den Pylon zu optimieren. Der strömungsmechanische Widerstand des Motorschafts eines Außenbordmotors hängt stark von der Bauform ab. Vorzugsweise werden für den Schaft und den Pylon strömungsmechanisch optimierte Profile eingesetzt.

Ansprüche

1. Bootsantrieb mit einem Elektromotor und einem von dem Elektromotor angetriebenen Propeller mit Flügelblättern, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Steigung der Flügelblätter des Propellers in radialer Richtung ändert.

2. Bootsantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor als Synchronmotor ausgeführt ist.

3. Bootsantrieb nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung der Flügelblätter von der Charakteristik des Elektromotors, insbesondere der Drehmomentkennlinie des Elektromotors, abhängt.

4. Bootsantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl, die Fläche, das Querschnittsprofil, die axiale Neigung und/oder die radiale Neigung der Flügelblätter von der Charakteristik des Elektromotors, insbesondere der Drehmomentkennlinie des Elektromotors, abhängen.

5. Bootsantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Propeller drei Flügelblätter besitzt.

6. Bootsantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Propeller fünf Flügelblätter besitzt.

7. Bootsantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Propeller einen Durchmesser zwischen 25 und 40 cm besitzt.

8. Bootsantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsleistung des Elektromotors weniger als 10 kW, bevorzugt weniger als 5 kW, beträgt.

9. Verfahren zur Optimierung eines Bootsantriebs mit einem Elektromotor und einem von dem Elektromotor angetriebenen Propeller mit Flügelblättern, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung, die Anzahl, die Fläche, das Querschnittsprofil, die axiale Neigung und/oder die radiale Neigung der Flügelblätter in Abhängigkeit von der Charakteristik des Elektromotors, insbesondere der Drehmomentkennlinie des Elektromotors, bestimmt werden.