Triebwerke mit Felgenantrieb, auch bekannt als felgengetriebene Triebwerke, bieten mehrere Vorteile, die sie zu einer überzeugenden Wahl für Schiffsanwendungen machen, von kleinen Booten und Unterwasserfahrzeugen bis hin zu Jachten und großen Schiffen. Triebwerke mit Felgenantrieb werden aufgrund ihrer Effizienz, ihres geringen Geräuschpegels, ihrer Kompaktheit, Zuverlässigkeit, ihres geringeren Wartungsaufwands, ihrer flexiblen Platzierung auf dem Schiff, ihrer verbesserten Manövrierfähigkeit und ihrer Umweltvorteile geschätzt.

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Alva hat das Hydra-100-Triebwerk mit Felgenantrieb entwickelt (Bild 1), das zeigt, dass der Einsatz von FiberPrinting™ -Technologie macht diesen Triebwerkstyp für viele Schiffsantriebsanwendungen noch attraktiver. Das Hydra-100-Triebwerk besteht aus einem in die Felge integrierten FiberPrinted™ -Stator (Bild 2, a) in Kombination mit einem Halbach-Magnetrotor, der in das Triebwerkslaufrad integriert ist (Bild 2, b). Das Triebwerk weist im Vergleich zu anderen Schiffstriebwerken derselben Größenklasse auf dem Markt überragende Leistungen auf, was den höheren Maximalschub, die höhere Schubeffizienz und die Schubdichte anbelangt.

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Die FiberPrinting™ -Technologie ermöglicht eine hervorragende Kühlung

Die optimale Kühlung des FiberPrinted™ -Stators ist aufgrund dreier Eigenschaften möglich: dünner Statorquerschnitt, dünne thermische Schnittstellen innerhalb der Statorbaugruppe und direkter Kontakt des Stators mit dem Kühlmedium:

1. Die Kühlfähigkeit einer mechanischen Baugruppe hängt von der Wärmeleitfähigkeit des Materials und der Schichtdicke jedes Materials ab. Die Hauptkomponenten eines FiberPrinted™ -Stators bestehen aus hochwärmeleitenden Materialien, d. h. Kupfer (Litzen), Stahl (Laminierring) und Aluminium (Triebwerksfelge). Bei Hydra-100 wurden die thermischen Schnittstellen zwischen den Hauptkomponenten optimiert, um die thermische Leistung zu maximieren. Zum Beispiel ist der Litzen dicht gepackt, um eine gute thermische Verbindung zwischen den einzelnen Kupferlitzen zu gewährleisten, und die Stahlbleche sind mit einem dünnen thermischen Epoxidharz beschichtet, das gerade dick genug ist, um eine ausreichende elektrische Isolierung zu gewährleisten.

2. Da ein FiberPrinted™ -Stator aus hochwärmeleitendem Epoxidharz geformt ist, ist er von Natur aus mit korrosiven Flüssigkeiten kompatibel und kann sowohl in Süß- als auch in Salzwasser vollständig eingetaucht werden. Das Triebwerk kann daher so konstruiert werden, dass der Stator mit der Flüssigkeit, in der das Triebwerk betrieben wird, gespült wird. Das Spülen des dünnen Stators in einem Kühlmedium, das die gleiche Temperatur wie die Umgebungstemperatur hat, ist die effektivste Kühlmethode, die ohne komplexe Lösungen angewendet werden kann.

3. FiberPrinter stellt nutlose Statoren her, die keine für herkömmliche Motoren typischen Eisenzähne haben. Daher sind die FiberPrint-Statoren sehr dünn, was die Wärmeabfuhrwege erheblich verkürzt.

Der Formfaktor, der das optimale Triebwerkdesign ermöglicht

Einer der Nachteile von Eisenkernmotoren ist der radial dicke Bereich, den die um die Eisenzähne gewickelten Kupferwicklungen einnehmen. Der dünne Querschnitt eines FiberPrint-Stators ermöglicht die Konstruktion stromlinienförmiger Triebwerke mit dünnen Rändern (Bild 3). Dies wird sich aufgrund des geringeren Luftwiderstands erheblich positiv auf die Gesamteffizienz des Antriebssystems auswirken.

FiberPrinting™ ermöglicht die einfache Herstellung von Wicklungen mit großem Durchmesser. Motoren mit größerem Durchmesser in Schiffstriebwerken mit Felgenantrieb bieten drei Vorteile: großes Laufrad, vergrößerte Kühlfläche und vergrößerter magnetischer Hebelarm:

1. Ein Motor mit großem Durchmesser ermöglicht größere Laufräder, die einen höheren Wirkungsgrad und eine höhere maximale Schubleistung aufweisen. Ein FiberPrint-Motor kann in jeder Größe hergestellt werden, sodass die Laufradgröße auf der Grundlage der gewünschten Schubleistung ausgewählt werden kann und niemals durch Größenbeschränkungen des Motors begrenzt wird.

2. Die Kühlfläche des Stators nimmt effektiv linear mit dem Durchmesser des Stators zu. Ein Motor mit großem Durchmesser kann daher effektiver gekühlt werden, was höhere Leistungen ermöglicht, ohne den Stator zu überhitzen.

3. Die Drehmomentabgabe eines Elektromotors hängt von zwei Faktoren ab: der Tangentialkraft, die zwischen dem Stator und dem Rotor erzeugt wird, und dem Abstand zwischen der Tangentialkraft und dem Mittelpunkt des Motors, d. h. dem Magnethebelarm. Daher steigt das abgegebene Drehmoment linear mit dem Motordurchmesser an, wenn die Tangentialkraft gleich bleibt.

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Die Gelegenheit, ein leiseres Triebwerk zu bauen

Ein auf Leistung und Wirkungsgrad optimierter Eisenkernmotor weist aufgrund der asymmetrischen Wechselwirkung zwischen dem magnetischen Rotor und den Eisenzähnen des Stators häufig eine relativ hohe Drehmomentwelligkeit auf. Die Drehmomentwelligkeit verursacht Vibrationen und hörbare Geräusche. Ein FiberPrint-Motor hat virtuell keine Drehmomentwelligkeit weil die Laminierungen rund um eine FiberPrinted™ -Wicklung perfekt rund sind. Durch die geringe Drehmomentenwelligkeit ist der Motor geräuschlos, was ein extrem leises Triebwerk ermöglicht, wenn ein FiberPrint-Motor mit dem richtigen Laufradtyp kombiniert wird.

Der intrinsische Wasserschutz ermöglicht zuverlässige Triebwerkskonstruktionen

Die aktiven Materialien der Elektromotoren von Alva, d. h. Stator und Rotor, sind so hergestellt, dass sie von Natur aus für korrosive Umgebungen geeignet sind, ohne dass ein zusätzlicher Schutz erforderlich ist. Wie oben erwähnt, besteht der FiberPrinted™ -Stator aus einer Kombination aus Litze und thermischem Epoxidharz. Die Litze hat eine Polymerisolationsschicht, die für eine elektrische Isolierung sorgt und das Kupfer vor Korrosion schützt. Die Litze ist außerdem mit thermischem Epoxidharz vergossen, um die Wärmeleitfähigkeit durch den Stator zu erhöhen und die Kupferlitzen zusätzlich vor Korrosion zu schützen. Das Ergebnis ist ein Stator, der hochkorrosiven Umgebungen über einen längeren Zeitraum standhält, ohne dass es zu einer Verschlechterung kommt.

Der laminierte Kern eines Motors mit Eisenkern ist aufgrund seiner komplexen Geometrie ein schwer vor Korrosion zu schützendes Bauteil. Die Einfachheit des Laminierrings in einer FiberPrinted™ -Statorbaugruppe macht es zu einer einfach zu schützenden Komponente. Der Laminierring befindet sich zwischen dem Stator und einem Gehäuse. Er ist zusammen mit dem Stator vergossen, wodurch er eine Schutzschicht auf allen Oberflächen bildet.

Der Rotor besteht aus Magneten mit einer Epoxidschicht auf allen Oberflächen, die miteinander verbunden sind, und einem mechanischen Rotor, der im Vergussverfahren einen zusätzlichen Korrosionsschutz bietet.

Ermöglicht die Möglichkeit eines Schubverstärkungsbetriebs

Die Ausgangsleistung eines herkömmlichen Eisenkernmotors wird durch die Wärmeentwicklung begrenzt, aber auch durch Sättigung der Eisenzähne. Ein Motor mit Eisenkern ist daher ein Kompromiss zwischen Wirkungsgrad und Sättigungsmarge, da sich eine Minimierung des Zahnabschnitts positiv auf den Wirkungsgrad, aber negativ auf den Sättigungsbereich auswirkt.

Dieser Kompromiss ist bei FiberPrint-Statoren nicht das Problem, da das Magnetfeld in der Statorlaminierung nicht so stark ist. Es ist schwächer, da sowohl die Statorwicklungen als auch die Magnete und damit auch das Magnetfeld weiter von den Blechen entfernt verteilt sind. Das Magnetfeld in den Blechen ist ebenfalls niedrig genug, sodass es selbst bei überhöhtem Eingangsstrom praktisch nie zu einer Sättigung kommt. Das bedeutet, dass das Verhältnis zwischen Strom und Drehmoment bei FiberPrint-Motoren bis zu wesentlich höheren Strömen linear ist als bei Motoren mit Eisenkern, was ein deutlich höheres Drehmoment und eine deutlich höhere Ausgangsleistung ermöglicht.

Das Fehlen einer Sättigungsgrenze in Kombination mit der ausgezeichneten Kühlung der FiberPrinter-Motoren führt zu einem kompakten Triebwerk mit außergewöhnlich hoher Ausgangsleistung.

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Die einzigartigen Leistungen und Skalierbarkeit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Triebwerk von Alva aufgrund der vier inhärenten Eigenschaften von FiberPrint-Motoren einen höheren maximalen Schub und eine höhere Schubeffizienz bietet als jedes andere Schiffstriebwerk auf dem Markt in derselben Größenklasse: optimale Kühlung, keine Sättigung, kein Verstopfen, optimaler Formfaktor.

Die Einfachheit der Elektromotoren von Alva, d. h. perfekt zylindrischer Stator und Rotor mit nur wenigen Konstruktionsparametern, in Kombination mit niedrigen Eisenverlusten führen zu einer Elektromotortechnologie, die auf jede Größe skaliert werden kann.

Die Leistungsdaten des Hydra-100-Triebwerks, die auf Tests im offenen Wasser basieren (Abb.4), sind in Tabelle 1 dargestellt. Die Abmessungen des Triebwerks finden Sie in Abb. 5.

Ein Vergleich mit Wettbewerbern zeigt, dass die FiberPrinted™ -Motoren von Alva eine marktführende Leistung in Bezug auf die kontinuierliche Schubdichte bieten, sowohl gravimetrisch (Bild 6, a) als auch volumetrisch (Bild 6, b).

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