Elektromotorenhersteller setzen seit langem auf Seltenerdmagnete, um die von modernen Anwendungen geforderte Leistung zu erzielen. Ihre außergewöhnlichen magnetischen Eigenschaften haben zu Fortschritten bei Wirkungsgrad, Leistungsdichte und kompakter Motorkonstruktion in verschiedenen Branchen beigetragen – von der industriellen Automatisierung bis hin zum elektrifizierten Verkehr. 

Da die Nachfrage jedoch weiter steigt, nehmen auch die Bedenken hinsichtlich der Versorgungssicherheit zu. 

Geopolitische Unsicherheiten, Preisschwankungen und die mit dem Abbau von Seltenen Erden verbundenen Umweltauswirkungen veranlassen die Hersteller dazu, seit langem etablierte Konstruktionsansätze zu überdenken. Anstatt sich zu fragen, wie man mehr Seltene Erden beschaffen kann, prüfen viele nun, ob die nächste Generation von Elektromotoren ohne diese Materialien konstruiert werden kann.  

Materialinnovationen treiben Designinnovationen voran 

Der Austausch von Seltenerdmagneten ist nicht einfach nur eine Frage des Ersetzens eines Materials durch ein anderes. Alternative Materialien verhalten sich anders, sodass Ingenieure die Motorarchitektur von Grund auf neu überdenken müssen. 

Ein vielversprechender Ansatz besteht darin, Eisen-Nitrid-Magnete mit weichmagnetischen Verbundwerkstoffen zu kombinieren, um Hochleistungsmotoren zu entwickeln, die ohne Seltenerdelemente auskommen. Eisen-Nitrid bietet eine hohe elektromagnetische Leistung und wird aus reichlich vorhandenen Materialien wie Eisen und Stickstoff hergestellt, was dazu beiträgt, das Risiko von Störungen in der Lieferkette zu verringern. 

Gleichzeitig eröffnen weichmagnetische Verbundwerkstoffe neue Möglichkeiten für die Motorkonstruktion. Aufgrund ihrer isotropen magnetischen Eigenschaften und geringen Energieverluste eignen sie sich besonders gut für dreidimensionale Magnetflusswege und ermöglichen in bestimmten Anwendungen kompaktere und effizientere Motorarchitekturen als herkömmliche Konstruktionen aus laminiertem Stahl.  

Die Leistung hat weiterhin oberste Priorität 

Alternative Werkstoffe werden sich nur dann flächendeckend durchsetzen, wenn sie die Leistungserwartungen der industriellen Anwender erfüllen können. 

Entwickler begegnen diesem Problem, indem sie die Motortopologien optimieren, um das Drehmoment zu maximieren, die thermische Stabilität zu verbessern und die magnetischen Werkstoffe unter anspruchsvollen Betriebsbedingungen zu schützen. Axialflussarchitekturen in Verbindung mit sorgfältig ausgelegten Rotorkonfigurationen ermöglichen es diesen neuen Werkstoffen, eine hohe Drehmomentdichte zu erzielen und gleichzeitig die mechanische Integrität zu wahren. 

Die Tests haben vielversprechende Ergebnisse geliefert. Die Prototyp-Motoren erzielten in einem breiten Betriebsbereich Wirkungsgrade von über 90 % und bewiesen dabei gleichzeitig eine hohe elektromagnetische Leistung und mechanische Zuverlässigkeit. Wichtig ist, dass die gemessenen Leistungsdaten weitgehend mit den Simulationsergebnissen übereinstimmten, was die Zuversicht stärkt, dass diese Konzepte den Schritt vom Labor in die praktische industrielle Anwendung schaffen können.  

Stärkung der Widerstandsfähigkeit der Lieferkette 

Für Hersteller ist die Materialauswahl nicht mehr ausschließlich von der technischen Leistungsfähigkeit bestimmt. Die Widerstandsfähigkeit der Lieferkette ist zu einem ebenso wichtigen Konstruktionskriterium geworden. 

Alternative magnetische Werkstoffe bieten die Möglichkeit, die Abhängigkeit von angespannten globalen Lieferketten zu verringern und gleichzeitig für besser vorhersehbare Herstellungskosten zu sorgen. Gleichzeitig können Produktionsverfahren für weichmagnetische Verbundwerkstoffe die Komplexität der Fertigung reduzieren und den mit der Komponentenherstellung verbundenen ökologischen Fußabdruck verringern. 

Das Ergebnis ist eine umfassendere Definition der Motoroptimierung, die Effizienz, Herstellbarkeit, Nachhaltigkeit und langfristige Versorgungssicherheit in Einklang bringt, anstatt sich auf eine einzelne Leistungskennzahl zu konzentrieren.  

Die nächste Generation des Motorkonstruktionsdesigns 

Die Abkehr von Seltenerdmetallen wird wohl nicht von heute auf morgen geschehen. Herkömmliche Magnettechnologien werden in vielen Anwendungsbereichen weiterhin eine wichtige Rolle spielen. 

Was sich verändert, ist die Bandbreite der Möglichkeiten, die Designern zur Verfügung stehen. Fortschritte in den Bereichen Materialwissenschaft, Simulation und Prüfung zeigen, dass leistungsstarke Elektromotoren unter Verwendung alternativer Materialkombinationen gebaut werden können, die zuvor als nicht praktikabel galten. 

Da die Elektrifizierung in den Bereichen Fertigung, Transport und Industrie immer schneller voranschreitet, werden Ingenieure Motorentechnologien künftig zunehmend nicht nur danach bewerten, wie effizient sie arbeiten, sondern auch danach, wie widerstandsfähig sie gegenüber künftigen Belastungen der Lieferkette sind.  

Dies sind die technischen Herausforderungen, die die Zukunft der Entwicklung von Elektromotoren prägen. Auf der CWIEME Berlin kommen Werkstoffspezialisten, Motorenhersteller und Konstrukteure zusammen, um zu erörtern, wie Fortschritte bei magnetischen Werkstoffen, Fertigungstechnologien und Motorarchitekturen die Elektrotechnik neu definieren. Angesichts der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Branche wird die Zusammenarbeit entlang der gesamten Wertschöpfungskette von entscheidender Bedeutung sein, um die nächste Generation von Motortechnologien in die Serienproduktion zu bringen.