Für Hersteller von Elektromotoren wird die Materialauswahl zunehmend zu einer strategischen Entscheidung. 

Permanentmagnetmotoren sind zu einem wichtigen Bestandteil von Antriebssträngen für Elektrofahrzeuge geworden, da sie Effizienz mit einer hohen Leistungsdichte verbinden. Da sie jedoch auf Seltenerdmetalle wie Neodym angewiesen sind, sind die Hersteller zudem Kosten-, Verfügbarkeits- und geopolitischen Risiken ausgesetzt. 

Das veranlasst Ingenieure dazu, eine der Grundlagen der Motorkonstruktion zu überdenken: ob leistungsstarke Elektroantriebe überhaupt Permanentmagnete aus Seltenen Erden benötigen. 

Ein Beispiel dafür ist der japanische Automobilzulieferer Astemo, dessen seltenerdfreie Elektromotortechnologie wieder ins Rampenlicht der Branche gerückt ist. 

Ein anderer Ansatz für den Elektromotor 

Astemo hat ein Antriebssystem für batterieelektrische Fahrzeuge entwickelt, das auf der Synchron-Reluktanz-Technologie basiert. 

Anstatt auf die leistungsstarken Neodym-Magnete zurückzugreifen, die üblicherweise in Permanentmagnetmotoren zum Einsatz kommen, nutzt der Hauptantrieb seltenerdfreie Ferritmagnete in Kombination mit einer magnetunterstützten Synchron-Reluktanzmotor-Architektur. 

Das Ergebnis ist ein Hauptantriebsmotor mit einer Leistung von 180 kW. 

Astemo hat zudem einen 135-kW-Hilfsmotor entwickelt, bei dem vollständig auf Permanentmagnete verzichtet wird. Das Aggregat, das für den Einsatz bei Bedarf an zusätzlicher Antriebskraft konzipiert ist, nutzt dasselbe Mehrschicht-Rotorkonzept, arbeitet jedoch als reiner synchroner Reluktanzmotor. 

Erfahren Sie mehr über den seltenerdfreie Motor von Astemo 

Der Ersatz von Seltenen Erden bringt neue technische Herausforderungen mit sich 

Bei der Entfernung von Neodym geht es nicht einfach nur darum, ein magnetisches Material durch ein anderes zu ersetzen. 

Ferritmagnete sind leichter erhältlich, ihre Magnetkraft ist jedoch deutlich geringer als die herkömmlicher Neodym-Magnete. Dies stellt eine unmittelbare Herausforderung hinsichtlich der Motorgröße und -leistung dar. 

Die Lösung von Astemo besteht in einer speziell entwickelten mehrschichtigen Flux-Rotor-Konstruktion. Indem die Geometrie des Rotors genutzt wird, um Unterschiede in der magnetischen Reluktanz auszunutzen, gleicht diese Konstruktion die geringere magnetische Kraft der Ferritmagnete teilweise aus. 

Der 180-kW-Motor weist nach wie vor eine aktive Länge auf, die etwa 30 % größer ist als die eines vergleichbaren Neodym-Permanentmagnetmotors, was die damit verbundenen Kompromisse bei der Konstruktion verdeutlicht. 

Das Wärmemanagement stellt eine weitere Herausforderung dar. 

Um die erforderlichen Magnetpole zu erzeugen, ist ein höherer Strom durch die Statorspulen erforderlich, wodurch zusätzliche Wärme entsteht. Astemo hat dieses Problem durch ein Ölkühlsystem gelöst, das die Spulenschlitze und -enden umgibt. 

Diese Kompromisse sind von Bedeutung, da sie die technischen Gegebenheiten verdeutlichen, die hinter der Materialsubstitution stehen. 

Die Verringerung der Abhängigkeit von einem kritischen Werkstoff kann sich auf die Abmessungen des Motors, das Wärmemanagement, die Anforderungen an die Wicklung, die Fertigungsprozesse und letztlich auf die Leistung auf Systemebene auswirken. 

Die Materialsicherheit wird zu einem festen Bestandteil des Automobilbaus 

Die Bedeutung geht über einen einzelnen Motor hinaus. 

Motorenhersteller sind in einem Umfeld tätig, in dem Kupfer, Elektroband und Permanentmagnete jeweils Risiken hinsichtlich der Versorgung und der Kosten mit sich bringen können. Für die Konstruktions- und Beschaffungsteams geht es bei der Materialauswahl daher zunehmend darum, ein Gleichgewicht zwischen Leistung, Versorgungssicherheit, Herstellbarkeit und Kosten zu finden. 

Eine mögliche Lösung bieten seltenerdfreie Architekturen. 

Sie sind nicht die Einzigen. Die Hersteller untersuchen extern erregte Synchronmotoren, Synchron-Reluktanz-Konstruktionen, Ferritmagnete und andere alternative Magnettechnologien, um verschiedene Wege zu finden, ihre Abhängigkeit von konzentrierten Lieferketten für Seltene Erden zu verringern. 

Astemo selbst strebt die Serienreife für etwa das Jahr 2030 an, was bedeutet, dass seine neueste Architektur eher als Hinweis darauf zu verstehen ist, in welche Richtung sich die Motorentwicklung bewegen könnte, und nicht als eine Technologie, die bereits für den sofortigen Einsatz im Massenmarkt bereit ist. 

Von der Motorkonstruktion bis zur Fertigung 

Es stellt sich noch eine weitere wichtige Frage: Was passiert, wenn diese Architekturen aus den Entwicklungsprogrammen in die Serienproduktion übergehen? 

Eine Änderung der Motorarchitektur kann weit mehr als nur den Rotor betreffen. 

Wickelsysteme, Isolierung, Elektrostahl, Kühlung, Fügeverfahren, Prüfgeräte und Produktionsmaschinen müssen möglicherweise alle an neue Anforderungen angepasst werden. 

Daher stellt die Reduktion von Seltenen Erden sowohl eine Herausforderung für die Fertigung als auch für die Werkstofftechnik dar. 

Für Automobilhersteller, Zulieferer und Entwicklungsteams hängt die wirtschaftliche Chance davon ab, ob alternative Architekturen eine reproduzierbare Leistung zu den erforderlichen Kosten und bei den erforderlichen Produktionsmengen bieten können. 

Es gibt bereits Anzeichen für Investitionen in den Ausbau der Produktion elektrifizierter Antriebsstränge. Unabhängig davon kündigte Astemo am 1. September eine Investition von mehr als 112 Millionen US-Dollar an, um die Produktion von Motoren für Hybrid-Elektrofahrzeuge an zwei Standorten in Kentucky auszuweiten und dabei die Produktions- und Lagerfläche um fast 300.000 Quadratfuß zu vergrößern. 

Lesen Sie die Ankündigung von Astemo zu den Investitionen in die Produktion 

Eine wichtige Debatte für die Elektromotorenbranche 

Die Abhängigkeit von Seltenen Erden steht in der Elektromotorenbranche bereits fest auf der Tagesordnung. 

Auf der CWIEME Berlin werden Motorenhersteller, Ingenieure, Forscher und Zulieferer sich mit Motorarchitekturen der nächsten Generation, fortschrittlichen magnetischen Werkstoffen, Strategien für Permanentmagnete, Hochleistungswicklungen sowie Ansätzen zur Verringerung von Risiken bei der Materialversorgung befassen. 

Es geht nicht mehr nur darum, welche Motorarchitektur die höchste Leistung liefert. 

Hersteller müssen sich zunehmend die Frage stellen, welche Konstruktionen Leistung, Kosten, Materialsicherheit und skalierbare Produktion miteinander verbinden können. 

Die Arbeit von Astemo liefert eine Antwort darauf. Da die Versorgung mit Seltenen Erden entlang der gesamten Wertschöpfungskette zunehmend an Bedeutung gewinnt, werden wahrscheinlich weitere folgen.