Onderwerp: Selectie E-motor, schroef en reductie

Wat wil je met deze plaatjes zeggen; wat zien we hier en wat wat toont dit aan?

PS: 8000 RPM; is dat een vliegtuigpropellor of scheepsschroef?

Nachtvlinder schreef :
Werkingsprincipe. Verder leuk dromen toch dat je met een e-voertuig bij het stoplicht altijd sneller weg bent dan met zo'n fossiel.

Een E-motor heeft bij lagere toerentallen al een hoog koppel beschikbaar, dat is bekend en daarom trekt een E-auto sneller op.

Maar waarom vereist eenzelfde scheepsschroef die op hetzelfde werkpunt opereert dan een lichtere E-motor dan fossiele motor? Leg dat eens uit?

RPM * koppel = vermogen

Een E-motor komt wel sneller op toeren (zeker dan een 10 PK fossiele motor met 30 kg vliegwiel…). Dat is makkelijk met manoeuvreren, maar daar dimensioneer je je motor niet op. Dat doe je op een bepaalde maximumsnelheid of kruissnelheid. Statisch.

Waarom zouden díe werkpunten een lichtere E-aandrijving dan fossiele aandrijving vragen?

Hier de OP nog even… De huidige motor levert 10 PK bij 3000 RPM, bestaande schroef en 1:2.5 reductie 5,3 kn. Ik wil dat electrisch ook kunnen straks met dezelfde schroef. Hoeveel lichter kan die motor dan zijn!? Natuurkundig ligt het benodigd vermogen vast als rpm en gevraagd koppel bekend zijn. Daar kán niets lichters uit komen!

Wie kan uitleggen hoe een E-motor met onderstaande performancecurve geëvalueerd dient te worden naar geschiktheid om in te passen bij gebruik van een bestaande schroef en schroefas?



Voor bestaande boot en schroef is onderstaande samenhangende data bekend tussen 0 en rompsnelheid:
-RPM
-koppel
-vermogen
-bootsnelheid

Bij gebruik van bestaande schroef is de enige parameter om een E-motorkandidaat te evalueren de reductie. RPM aan de motor neemt dan toe met de reductiefactor en het koppel neemt daar (bijna) mee áf (rendement riemoverbrenging is ongeveer 96%)

Als ik voor mijn boot bovenstaande BLDC motor beschouw met 1:2.5 reductie, dan kruist deze de schroefcurve van mijn boot nagenoeg bij zijn “rated” werkpunt (onderste geel gemarkeerde rij). Handig om als het nodig is even met veel vermogen een haveningang aan lagerwal uit te motoren, waar je met een lichtere motor verwaaid zou liggen. Ik wil daar niet inleveren tov mijn huidige dieselaandrijving.

Echter… ik wil vooral weten hoe diezelfde aandrijving presteert op kruissnelheid, welke ik uit wil laten komen in de buurt waar deze motor haar maximale rendement haalt (mits snelheid, vaartijd en bereik daarbij acceptabel zijn)

Hoe doe ik dat; hoe interpreteer ik deze grafiek?
Ik zie daar dat bij een specifiek koppel en toerental deze motor haar hoogste efficiëntie haalt (bovenste geel gemarkeerde rij), maar míj́n schroefas+reductie vraagt dat koppel al bij een veel lager RPM. Sterker nog: in de tabel ligt dat toerental ligt hóger dan rated!

Hoe weet ik hoe efficiënt een aandrijving is op een punt dat níet op de curve uit de datasheet ligt, bv bij 1700 RPM en 9 Nm gevraagd koppel?

Dat kan ik een klaarwakkere toestand beamen, ook uit eigen ervaring. De reden is het direct beschikbare koppel (zonder dat er eerst toeren moeten worden gemaakt), en dan hebben we het nog niet over versnellingsbakken gehad.

Klopt, daar is ook geen discussie over. Is een dynamische situatie.

Maar het vroeg beschikbaar hebben van een hoog koppel bij een scheepsmotor betekent niet dat je schroef minder vermogen vraagt voor dezelfde stuwdruk…

Stel je weet je dieseltje te gebruiken op het punt waar de rode cirkel omheen staat en je vaart dan niet tegen de muur van je rompsnelheid dan ga je dat niet met minder vermogen aan electro motor halen. Zo klaar als een klontje. Maar hoe vaak komt dat daadwerkelijk voor ?




In je lijstje
-RPM
-koppel
-vermogen
-bootsnelheid
hoort nog slip van de schroef te staan.

daan1508 schreef : Kijk nog eens naar de vele duizenden diesel elektrische schepen zoals sleepboten, offshore supply schepen, cruise schepen, veerboten en wat al niet meer. Een generator heeft verliezen en een elektrische motor ook, toch heeft de combinatie van de twee een brandstof verbruik reductie van rond de 15 tot 20%. Noem het maar sprookjes en dromen, maar dat is gewoon de realiteit. Ik heb een hele rits elektrisch aangedreven vaartuigen ontworpen welke al decennia in gebruik zijn, inclusief sleepboten en heb genoeg eerste hand ervaring er mee. Dit soort denigrerende k#t opmerkingen kun je voor jezelf houden. Ik zal me er verder buiten houden en je zoekt het maar lekker uit.

3Noreen schreef :
Het maximaal vermogen van een aandrijflijn ontwerp je op een worst-case: dat havenkanaaltje aan lagerwal dat je nog uit wilt kunnen motoren bijvoorbeeld. Daarin verschilt E niet van fossiel.

Ga je een aandrijving lichter dimensioneren, niet op die 23 kW @3000 RPM (de rode cirkel; de worst-case in je voorbeeld waar de dieselmotor op geselecteerd is...) maar op 12 kW @2400 RPM, dan komt daar een lichtere E-aandrijving uit.
Maar dat geldt net zo goed als wanneer ik een lichter dieseltje zou kiezen voor dat werkpunt.


3Noreen schreef :
Slip is al verwerkt in de relatie tussen het vermogen dat de schroefas vraagt en de resulterende bootsnelheid. Ook hier verschillen E of fossiel niet in...

Erikdejong schreef :
Dat komt omdat zo'n hybride aandrijflijn als geheel efficiënter is en valt buiten deze discussie: De E-motor in zo'n hybride aandrijflijn die een schroefas op een bepaald werkpunt moet kunnen brengen kan dat niet met een lager vermogen dan een fossiele aandrijving op diezelfde schoefas moet leveren. Dat is gewoon natuurkunde...

Dat de generator minder brandstof verbruikt om dat (gemiddeld, al of niet afgevlakt door battertijen...) E-vermogen te genereren dan een direct fossiel aangedreven systeem verbruikt, is een efficiency verhaal. Die efficiency winst zit niet in het feit dat de E-motor die de schroef op een werkpunt moet brengen lichter zou kunnen zijn dan een fossiele motor die diezelfde schroef aandrijft.

Ik zoek een E-motor bij onderstaande propeller curve van mijn boot. Ik wil in elk geval dat de E-motor deze schroefas op 1200 RPM kan brengen. Hier is een koppel van 27 Nm voor nodig:

Nachtvlinder schreef : Inderdaad, dat is natuurkunde. De generator is minder efficient dan een diesel die aan de as zit, de electromotor is ook niet 100% efficient, dus daar is nog een afname van vermogen. Het verschil zit hem juist in het overgebleven onderdeel: de schroef(as), dat is wat ik probeer duidelijk te maken. Basis natuurkunde, de schroef is het enige verschil wat de boel efficienter maakt. Een E-drive schroef is nu eenmaal anders als een diesel schroef. Je kunt ze dus echt niet 1 op 1 vergelijken.

Erikdejong schreef :
Waarom? Wat is er anders aan een schroef voor een E-aandrijving? Spoed, diameter, blad-oppervlak verhouding?

Mijn kennis die bij Marin scheepsschroeven ontwikkeld zei eerder dit:
Nachtvlinder schreef :

Ik ben benieuwd hoe jij voor je E-aangedreven schepen een schroef selecteert en welke parameters dan zouden verschillen van een "ordinaire schroef"?

Zal ik anders een telecon opzetten tussen jou en hem (en ik schuif wel aan) als jullie dat ook interessant vinden? Dit is niet het eerste draadje hierover en op een of andere manier blijft er iets hardnekkigs hangen dat er iets "magisch" zou zijn, maar waar niemand hier in slaagt dit helder uit te leggen.

Concreet:

-welke schroef (en daarbij behorende E-motor) moet ik kiezen om mijn romp op 5,3 kn te brengen; waar nu een fossiele 7,5 kW voor nodig is?

-Waarom kost dat bij die magische schroef dan significant minder vermogen dan die 7,5 kW?

Nachtvlinder schreef : Wat ik al schreef, groot koppel, laag toerental met een grote schroef geeft een schroef efficientie wat aanzienlijk beter is als wat je met een diesel kunt bereiken.

Laten we de vraag omdraaien. Een diesel elektrische voortstuwing geeft ongeveer een 18 tot 20% brandstof besparing. In deze installatie ga je van diesel (mechanisch) naar elektrisch, dat ga je transporteren door een kabel, dat ga je omvormen, nog meer transporteren, dan ga je het van elektrisch vermogen weer omvormen naar mechanisch vermogen in een elektro motor. Dat alles met elkaar is 17 tot 21% vermogensverlies.

In een diesel die direct aan je schroefas zit heb je en keerkoppeling en aslagers. Tezamen goed voor 7 tot 11% vermogens verlies.

Mijn vraag aan jou, welk onderdeel van de aandrijftrein maakt het verschil van 10% verliezen goed en levert daarbij nog eens een aanzienlijk verschil in brandstof verbruik op?

Nachtvlinder schreef : Nogmaals: grotere diameter schroef, grotere bladoppervlakte verhouding, lager toerental en daardoor een flink efficiëntere schroef. Meer vermogen word omgezet in voortstuwing in plaats van alleen maar water in de rondte gooien in de omgeving van de schroef.

EDIT: dat is niet noodzakelijkerwijs de schroef die je wilt hebben onder een zeilboot als je aan het zeilen bent.

Dankje.

Ik denk dat ik je volg. In mijn woorden: een grotere schroef is efficiënter. Wil je zo'n zware schroef aandrijven met een fossiele motor, dan vergt dit een grote reductie tussen vliegwiel en as om aan de as het hoge koppel bij lage RPM beschikbaar te maken, waar een E-motor dit wellicht zonder reductie kan.

Het bij de E-motor ontbreken van die verliezen enerzijds én de efficientere schroef anderzijds zou dan de winst moeten geven.

Nu concreet: ik wil mijn 27 ft romp dezelfde 5,3 kn laten lopen als nu. Schroef is nu 2 blads Gori klapschroef, 15x10". Wilde onder zeil eigenlijk geen grotere weerstand hebben als nu, maar ik begrijp dat er winst zou kunnen zitten door een zware langzaam draaiende schroef te kiezen in combinatie met een langzaam draaiende E-motor die, zonder reductie, bij die lage RPM dat hoge koppel kan leveren.

Een 16" diameter gaat niet lukken, maar aantal bladen, DAR en spoed zijn wel vrij te bepalen... Waar zou ik naar toe moeten voor een significant hogere schroefefficiency?

Nachtvlinder schreef :
Proportioneel ten opzichte van de weerstand van wind, golven enz. verschilt de slip. Zie de eerder geposte grafiek van speedboot schroef.

Voor het bepalen van optimale schroef zijn er meer als 100 variabelen die je in een stukje software invoert. Ik heb geen beschikking (meer) over zoiets en daar moet je echt een schroevenboer voor benaderen. Het lijkt erop dat je al over je maximale schroefdiameter heen zit met de vrijslag tussen de Schroef en de huid. Schroevenkunde is nog steeds heel veel raad werk, zodra je ieta afwijkt van het normaal is het echt een trial en error process om de juiste Schroef te krijgen. Met elektrisch aangedreven schroeven in kleine vermogens is er helaas nog heel weinig praktijkervaring en is het vooral 'best estimate' werk. Dat word ook nog eens een stuk gecompliceerder als je de schroef ook nog eens als regen wilt gebruiken.

In jouw geval zou het nog wel eens een flink verschil kunnen maken als je het schroefraam groter zou kunnen maken. Al zou ik dat alleeb in overleg met een schroevenspecialist doen.

Erikdejong schreef :
Ja dat denk ik ook; ik zou naar een vaste 3-bladschroef kunnen gaan met zelfde diameter, iets hogere pitch en grotere DAR (33% schijnt optimaal te zijn volgens The Propeller Handbook).

3Noreen schreef :
Propking.xls is ook niet meer dan een verzameling vuistregels: waaróm een grotere schroef efficienter is, wordt daar niet in meegenomen en de slip is in die sheet slechts afhankelijk van de bootsnelheid en niet (ook) van de schroef. Dit terwijl die lagere slip juist de reden is voor hogere efficiency (grotere schoefbladen kunnen met minder drag méér water -en in een bredere bundel- verplaatsen bij een lagere rotatiesnelheid). Dank voor je opmerkingen daarover 3Noreen - ik geloof dat deze nu geland zijn

Experimenteren met een grotere schroef zou een duur en tijdrovend trail & error gebeuren worden, waarbij ik als complicerende factor op voorhand al een geschikte electromotor zou moeten selecteren voor überhaubt te kunnen meten. De efficiente BLDC motoren als in de OP gelinked vallen af omdat deze een hoge reductie vergen (hoewel een tandriemoverbrewnging behoorlijk efficient blijkt te zijn).

Andere optie is een "ordinaire" asynschone AC motor, maar dan zou ik een (zwaar en duur!) 6-pole type moeten nemen om op < 700 RPM uit te komen en deze werken typisch op 230V, wat ik niet aan boord wil hebben.

Ook meenemende dat ik de zeilprestaties belangrijker vind dan een zeer efficiente aandrijving, ga ik de klapschroef maar behouden. Ik wéét hoe die as+schroef zich gedraagt en start dan niet helemaal vanaf nul, maar electrificeer alleen het motor+reductiedeel van de aandrijving.

Hier wel een praktische benadering om efficiency van een standaard "Wageningen series B" schroef af te schatten. Gaat wat ver denk ik, maar heeft wel een idee van de ordegrootte van een schroef efficiency:
www.web.mit.edu/2.016/www/handouts/2005Reading10.pdf

Zijn zeiljachten niet gewoon meestal flink overgemotoriseerd? Heb nu 3 boten gehad maar nooit vol gas (of in de buurt van) hoeven varen anders dan even proberen hoeveel toeren die nu haalt. Huidige motor haalt maiximaal 35pk bij 3000 toeren. Kruissnelheid is meestal 1800-1900 toeren. Flink wind tegen in een smalle geul heel af en toe 2200-2300. Daarboven kom ik gewoon nooit. Nooit nodig gehad en je gaat in dat gebied ook niet voor je lol varen omdat het allemaal wel heel oncomfortabel voelt/hoort om die bijna 50 jaar oude motor nog zwaarder te belasten. En de vermogenskromme is voor een nieuwe motor. Hoeveel zou daar van over zijn na 50 jaar? Daarom denk ik weg te kunnen komen met 20kW aan elektro vermogen. Samen met wat ik lees/zie/hoor van andere zeilers die over gestapt zijn (meestal toch 2/3 tot heel soms zelfs de helft van het diesel vermogen). Schroef hou ik (voorlopig) hetzelfde. Andere schroef en overbrengverhoudingen kan altijd nog maar meestal is de praktijk vaak wat weerbastiger dan de (vaak versimpelde) theorie. Eerst maar eens in de praktijk zien wat dit doet.

Kipzak schreef :
De meeste wel idd

(Die van mij niet met z'n 10 PK en 4000 kg waterverplaatsing. Ik wil daar niet op inleveren dus kies die prestaties als uitgangspunt. Die 10 kW BLDC motor kan de schroefas zelfs nog wat sneller laten draaien dan de Bukh)

Nachtvlinder schreef :
Ben het met je eens dat een kW een kW is idd. Misschien dat een schroef dat iets kan verbeteren bij een E-aandrijving maar die investering wil ik als het even kan niet maken. Helemaal omdat het hoogstwaarschijnlijk ook ten koste gaat van de zeil performance.

Ik zou dan eerder nog investeren in een andere schroef als ik daarmee een fatsoenlijke regeneratie kan halen. Dan heb ik ook iets mindere zeil performance maar krijg ik er wel iets direct voor terug,

OK, de huidige 2-blad 15x10" klapschroef blijft dus. Ben gaan rekenen wat voor reductie de Goldon Motor 10 kW/48V BLCD motor zou moeten krijgen.

Allereerst de huidige aandrijving in propking gezet. Het overzicht heb uitgebreid van het standaard 3-blads advies naar de 2-blads versie. Daar komen fracties uit qua diameter en spoed. Om te vergelijken met de huidige 15" schroef, heb ik deze genormaliseerd met de vuistregel 1 inch grotere diameter staat gelijk aan 2,5 inch kleinere spoed.

Daar komt dit uit:



Verschillen met de praktijk:

• ik haal geen 5.4 kn maar 5.2 - 5.3
• mijn 15" schroef heeft geen 9" spoed maar 10" (en is dus iets te zwaar)
• DAR is echter wss. geen 33% maar iets minder (kan geen Gori specs vinden). Dat compenseert de te grote spoed weer enigszins.

Klopt dus heel aardig met de praktijk.

Om het continue-vermogen (rated) van de 10 kW BLDC motor in te kunnen zetten, heb ik de benodigde reductie bepaalt zodat ik op dezelfde 15x10" schroef uit kom. Aantal reducties heb ik op 0 gezet omdat een tandriemoverbrenging een bijna 100% rendement heeft:



Daar komt een reductie van 1:2,7 uit; de huidige schroefas kan met die 10 kW dan op 1290 RPM gebracht worden (nu net geen 1200 RPM...), wat dan 6,0 knopen zou geven. Een mooie bonus tov nu...

Wat Kipzak zegt. Je gaat nooit 6 knoop elektrisch varen, in ieder geval niet lang.
In een zeilboot heb je denk ik niet genoeg plek voor zoveel accu's om nog een behoorlijk stuk af te leggen op die snelheid en bovendien wordt motor en controller dan veel te heet, zeker bij een warme zomer.
Wat ik maar wil zeggen, reken jezelf niet rijk. Wens van de gedachte enzo.

Je kan beter de schroef optimaliseren voor bijv 2-3 knoop, ik weet niet of dat mogelijk is.
Plus dat ik aanneem dat je het liefst en meest zeilt. En vooral dan de dus de optimale snelheid wil.

Hogerwaller schreef :
Klopt, nooit lang. Maar ik wil dit in het worst-case scenario wel kortstondig kunnen om een smal havenkanaaltje aan lagerwal uit te kunnen. Dit in plaats van verwaaid te moeten blijven liggen. Heeft verder geen effect op accucapaciteit. Je moet dan wel de discipline hebben dit niet langer dan nodig te doen, anders trek je de accu's heel snel leeg.

ja,okay, maar dan heb je nooit genoeg vermogen, in de worst case.
Het blijft een zeilboot