Elektromotoren
E-Motor für Hybridantrieb auf dem Planierschiff Chicago
Nachhaltigere Antriebslösungen sind auch in der Schifffahrt gefragt. BEN Buchele hat für einen Hybridantrieb auf dem Planierschiff Chicago im Hamburger Hafen zwei Elektromotoren entwickelt.
Insbesondere in Hafenzonen und sensiblen Küstenregionen wird mehr und mehr Wert auf emissions- und geräuscharme Antriebe gelegt. Hybridlösungen aus konventionellen Dieselmotoren und modernen Elektromotoren ermöglichen einen kraftvollen Antrieb bei effizientem Wirkungsgrad und geringerer Umwelt- und Lärmbelastung. Elektromotorenhersteller BEN Buchele zeigt, worauf es bei der Elektromotorenauslegung für eine solche Hybridlösung – die gemeinsam mit Getriebe-Spezialist Reintjes entwickelt wurde – ankommt.
Das Planierschiff Chicago verschiebt Sedimente in bestimmten Hafenbereichen, sodass sie von Saugbaggern besser erreicht und aufgenommen werden können. Es verfügt über zwei Wellenstränge mit je einem Dieselmotor als Hauptantrieb und je einem E-Motor für den emissionsarmen Teilbetrieb. Der elektrische Antrieb wird genutzt, um das Schiff geräusch- und emissionsarm durch den Hafen zum jeweiligen Einsatzort zu bewegen. Dort wird auf den Hauptantrieb umgeschaltet, um die Planierarbeiten durchzuführen. Für die volle Manövrierfähigkeit stehen auch im reinen Elektro-Modus beide Propeller zur Verfügung. Durch die Redundanz ist es möglich, nur einen Wellenstrang zu nutzen, sollte ein Propeller einmal ausfallen.
Wassergekühlter E-Motor mit hoher Nennleistung
Die Anforderungen an die Elektromotoren von BEN Buchele waren wie folgt: Der elektrische Antrieb sollte zum einen die rein elektrische Fahrt mit bis zu sechs Knoten Geschwindigkeit ermöglichen sowie zum anderen während der Nutzung der Dieselmotoren Strom erzeugen, um die Batterien wieder aufzuladen. Reintjes benötigte hierfür gewichtsoptimierte wassergekühlte Motoren mit einer Leistung von 60 kW, Baugröße 200, 2.130 U/min Nenndrehzahl und Frequenzumrichterbetrieb, die geeignet für Dauerbetrieb S1 sein sollten.
Ziel bei der Auslegung ist es für den Motorenbauer immer, die geforderte Drehzahl möglichst genau zu erreichen, indem Verluste gering gehalten und höhere Wirkungsgrade für eine höhere Motoreffizienz (IE2 oder IE3) angestrebt werden. In der Regel wird der Motor etwas höher ausgelegt, damit er im Realbetrieb die geforderte Drehzahl gut erreichen kann. Durch die Verwendung von höherwertigem Blech für Stator- und Rotorpakete ist BEN Buchele in der Lage, Verluste zu minimieren und den Wirkungsgrad zu steigern.
Um die verschiedenen Betriebsmodi zwischen Diesel- und Elektrobetrieb abbilden zu können, mussten die E-Motoren hohe Drehzahlen zulassen und über ein breites Drehzahlkennfeld die Nennleistung abrufen können. Bei diesem Projekt war die gut 2-fache Nenndrehzahl gefordert; das bedeutet, dass die Motoren mit bis zu 4.300 Umdrehungen im Generatorbetrieb laufen, aber schon bei 2.000 Umdrehungen die 60 kW zur Verfügung haben sollten, damit sie auch im rein elektrischen Fahrmodus mit ihrer vollen Leistung die 6 kn erreichten. Ein solches Kennfeld kann das Unternehmen für seine Motoren gewährleisten.
Wasserkühlung für geringere Abwärme
Die Wasserkühlung des Motors ist ein weiteres Plus, das dem Wärmekonzept für den Maschinenraum entgegenkommt. Die gesamte Leistungselektronik, von den Batterien bis zum Frequenzumrichter, erzeugt bereits eine gewisse Abwärme. Wenn die E-Motoren wassergekühlt sind, fällt hier keine weitere Wärmequelle im Motorraum an. Entscheidender Vorteil eines wassergekühlten Motors ist zudem sein geringes Gewicht und seine kompakte Bauweise, wodurch er platzsparend eingebaut werden kann. Dabei verfügt er über die gleiche Leistung wie ein oberflächengekühlter Motor deutlich größerer Baugröße.
Seit Oktober 2022 verrichtet die Chicago mittlerweile ihre Planierarbeiten – verlässlich und wartungsarm. Die elektrischen Hilfsantriebe sind robust und langlebig und als Asynchronmotoren ein Sicherheitsfaktor für das Hybridsystem. Auch während des Betriebs im Diesel-Modus laufen die E-Motoren einfach mit, ohne Leistung abzugeben, und können so keinen Kurzschluss verursachen.
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