[En svensk version finns i slutet av inlägget]

To choose the right size of motor

When it came to choosing the motor and inverter I started by selecting a maximum speed I would like to drive at continuously for 30 minutes, and a speed I would like to be able to drive indefinitely at. My initial thought was that I am willing to loose 1 Knot as maximum speed, which means a new max speed of 6 knots. And continuously I would like to not go slower than 4 knots. 

From my calculations, that means a motor that can deliver ~10kw for 30 minutes and 2kw continuously. However, since 30 minutes is a rather long time compared with how quickly an electric engine heats up, the continuous rating will have to be close to this. 

One more thing that I needed to know is at which RPM the engine shall be able to deliver this, and that is simply to look up the propeller rpm at the 10kW. Which, looking at the logged data, is around 850rpm. However, electric motors usually gett a high power output by spinning fast, and that is a problem since the torque goes down proportional to the rpm increase for a specific power output, since: power[w] = torque[Nm] * rotational speed[rad/s]. 

So the motor has to be able to deliver 10 kw at 850 rpm, and the torque delivered is then around 110 Nm, which is quite a lot. To compensate for this the diameter and pitch of the propeller could be decreased, or some type of gear reduction could be installed.

The things that I mainly considered was buying a kit or similar parts and using a toothed belt drive to increase the torque delivered by the engine. This seems like a popular DIY solution and I was about to jump on board that ship when I found a Tesla SDU (the front axel or FDU) on sale at Blocket (Swedish version of Craigslist/eBay) for a better price than the other solutions I had looked at. Before I decided to not board the usual DIY boat and sail by myself I tried to find some data on the motor and what it would mean for me. 

Tesla Small Drive Unit

This is what I found: 

Tesla Small Front Drive Unit Specifications.

Weight 90 kg (198 lbs) without driveshafts.

Max Speed 18,000 RPM

Transmission 9.34:1

Voltage Range 200-420 Volts DC

Max Current 650 Amps DC

Max Power 220 kW (300 Hp)

Max Torque 330 Nm (243 lb-ft)

Output Power (12 min.)90 kW (121 Hp)

Continuous Power 35 kW (47 Hp)

Max Regenerative Braking 90 kW (280 Amps)

Which clearly means that it has enough power. Apart from that I wanted to know how to control it as well as at which RPM it delivers the 35 kW.

For control, I ended up choosing to replace the logic board with one from https://openinverter.org/shop/ It is not the simplest solution since it requires opening up the inverter, but it was the cheapest and the way that would give me the most control which is why I chose to go with it. 

When it came to when the motor delivers 35 kW, I made a big assumption about there being no losses. 

At around 70 kph the Tesla comes into constant power delivery, which can be seen in the picture below, so the motor should be spinning slower than then to be able to run at the optimal slip.

Assuming standard 19-inch (0.4826m) wheels it means that they are spinning with

rpm. This means that the motor after the gearbox is spinning at 770x9.34=7187 rpm.

Since torque output is the main reason for heat at lower speeds and loads, therefore the max torque is more or less constant through the speed range. We can now calculate the continuous torque the motor can supply. 

Nm out of the gearbox.

434/9.34=46.5Nm from the motor.

Similarly, an estimate of the torque the motor can deliver at 18000 rpm can be calculated 

Which after the gearbox becomes: 18.6x9.34=173Nm.

From this, it seems that the gearbox is essential to get the torque needed. This however means that I need to get the differential welded or buy a kit with a shaft that locks it in place. As the gearbox only pumps oil for cooling when it is running in the forward direction it has to be mounted so it runs forward when the boat is being propelled forward, or it has to be modified.

I decided to go with the FDU/SDU and I also got to buy a Brusa nlg664 charger, which I hopefully will be able to use.

Svenska - Att välja rätt motor

När det gällde att välja motor och inverter började jag med att bestämma vilken maxfart jag vill kunna köra i 30 minuter, samt vilken fart jag vill kunna hålla kontinuerligt. Min första tanke var att jag kan leva med att tappa 1 knop i maxfart, vilket innebär en ny maxfart på 6 knop. Kontinuerligt vill jag dock inte köra långsammare än 4 knop.

Från mina beräkningar innebär det en motor som kan leverera cirka 10 kW i 30 minuter och 2 kW kontinuerligt. Men eftersom 30 minuter är ganska lång tid jämfört med hur snabbt en elmotor värms upp, måste den kontinuerliga effekten ligga ganska nära detta.

En annan sak jag behövde veta var vid vilket varvtal motorn ska kunna leverera detta. Det är enkelt att ta reda på genom att kolla propellerns varvtal vid 10 kW. Enligt loggdata ligger det runt 850 rpm. Problemet är dock att elmotorer vanligtvis levererar hög effekt genom att snurra snabbare, och då sjunker vridmomentet proportionellt med varvtalsökningen, eftersom: effekt[w] = vridmoment[Nm] * varvtal[rad/s].

Motorn måste alltså kunna leverera 10 kW vid 850 rpm, och vridmomentet är då cirka 110 Nm – vilket är ganska mycket. För att kompensera för detta kan man minska propellerns diameter och/eller stigning, eller installera någon form av växellåda.

Min första idé var att köpa ett kit eller liknande delar och använda en kuggrem för att öka vridmomentet som motorn levererar. Det verkar vara en populär lösning bland DIY-byggare, och jag var redo att hoppa på det tåget – eller snarare kliva ombord på den båten – när jag hittade en Tesla SDU (motorn för den främre axeln) på Blocket för ett bättre pris än andra lösningar jag tittat på. Innan jag beslutade mig för att inte borda den vanliga DIY-båten, försökte jag hitta lite data på motorn för att förstå vad det skulle innebära för mig.

Specifikationer för Tesla Small Front Drive Unit (SDU):

Vikt: 90 kg utan drivaxlar

Maxvarvtal: 18 000 rpm

Utväxling: 9,34:1

Spänningsområde: 200–420 V DC

Maxström: 650 A DC

Maxeffekt: 220 kW (300 hk)

Maxvridmoment: 330 Nm

Kontinuerlig effekt: 35 kW (47 hk)

Max regenerativ bromsning: 90 kW (280 A)

Det är tydligt att den har tillräckligt med effekt. Däremot ville jag veta hur den ska styras samt vid vilket varvtal den levererar 35 kW.

För styrningen valde jag att ersätta logikkortet med ett från https://openinverter.org/shop/. Det är inte den enklaste lösningen eftersom man måste öppna upp själva invertern (motorcontrollern), men det var den billigaste och gav mig mest kontroll – så det kändes rätt.

När det gäller vid vilket varvtal motorn levererar 35 kW gjorde jag några antaganden om att det inte skulle finnas några förluster.

Vid runt 70 km/h går Teslan över till konstant effektleverans, vilket man kan se i bilden nedan, så motorn borde snurra långsammare än detta för att kunna köras optimalt. 

Antar man Teslas standardhjul på 19 tum (0,4826 m) snurrar hjulen då med:

RPM. Det innebär att motorn innan växellådan snurrar med: 770x9.34=7187 rpm.

Eftersom vridmomentet är den största källan till värme vid lägre varvtal och belastningar, och maxmomentet är ganska konstant över hastighetsintervallet, kan vi nu räkna ut det kontinuerliga vridmomentet som motorn kan leverera:

Nm, vilket innan växellådan blir, 434/9.34=46.5 Nm från motorn.

På samma sätt kan man uppskatta vridmomentet som motorn kan leverera vid 18 000 rpm:

Nm, vilket efter växellådan blir: 18.6x9.34=173Nm

Det är alltså uppenbart att växellådan är avgörande för att uppnå det vridmoment som behövs. Men det betyder också att jag måste svetsa differentialen eller köpa ett kit med en axel som låser den. Eftersom växellådan endast pumpar olja för kylning när den körs framåt, måste den antingen monteras så axeln snurrar frammåt när båten går frammåt eller så behövs den modifieras.

Jag bestämde mig för att satsa på SDU:n och köpte dessutom en Brusa NLG664-laddare, som jag hoppas kunna använda.