Die Elektromotorenindustrie steht vor einer Revolution, da technologische Fortschritte die Effizienz und Funktionalität radikal neu definieren werden. Vom Surren von Haushaltsgeräten bis hin zum Brummen der Motoren, die Elektrofahrzeuge (EVs) antreiben, sind Elektromotoren ein fester Bestandteil unseres Alltags. Hier erklärt John Morehead, Hauptberater bei Motion Mechatronics und Beiratsmitglied bei CWIEME Berlin, untersucht die bedeutenden Trends, die nicht nur die Automobilindustrie neu gestalten, sondern auch einen ökologisch nachhaltigen Weg in die Zukunft ebnen.

In den letzten zehn Jahren hat der Markt für Elektrofahrzeuge einen Aufschwung erlebt. Statistiken zeigen, dass bis Ende 2024 über 25 Prozent aller Neuzulassungen von Personenkraftwagen Elektrofahrzeuge sein werden, und die Verkaufszahlen erzählen eine ähnlich spannende Geschichte: Der weltweite Markt für Elektrofahrzeuge, der 2023 einen Wert von 291,5 Milliarden Pfund hatte, wird sich bis 2030 voraussichtlich auf 714,9 Milliarden Pfund mehr als verdoppeln. Dieses exponentielle Wachstum ist zwar sicherlich bemerkenswert, aber ich glaube, dass wir uns erst am Anfang der EV-Revolution befinden. Angesichts der anhaltenden staatlichen Anreize, die die Akzeptanz bei den Verbrauchern fördern, und der Fortschritte bei Elektromotoren, die sowohl größere Reichweiten als auch niedrigere Kosten versprechen, werden sich die folgenden Trends in den kommenden Jahren voraussichtlich deutlich beschleunigen.

Umgang mit der Abhängigkeit von Seltenerdmagneten

Seltenerdmagnete sind seit langem ein fester Bestandteil von Elektrofahrzeugen und haben einen Marktanteil von beachtlichen 80 Prozent. Diese Magnete, die in der Regel aus Neodym (NdFeB) und anderen Seltenerdelementen hergestellt werden, befinden sich im Motor und erzeugen das rotierende Magnetfeld, das das Auto antreibt. Ihre Stärke ermöglicht kompakte und effiziente Motoren, wodurch die Reichweite der Batterie und die Fahrzeugleistung maximiert werden. Die Abhängigkeit von Seltenerdelementen stellt jedoch eine Herausforderung dar. Derzeit werden diese Seltenerdelemente aus einem einzigen Land bezogen, und es wurden Bedenken hinsichtlich der Nachhaltigkeit und der Umweltprobleme, die sich aus dem Abbau und der Verarbeitung dieses Elements ergeben, sowie hinsichtlich der Sicherheit der Lieferkette geäußert.

Trotz dieser Herausforderungen testen Forscher und Unternehmen weltweit aktiv Alternativen ohne Seltene Erden. Nehmen wir zum Beispiel Niron Magnetics, einen Hersteller von Magnete auf Basis von Eisennitrid, sogenannte „Clean Earth Magnets“. Eisennitrid bietet erhebliche Vorteile für die Umwelt – Eisen und Stickstoff sind leicht verfügbare Elemente, im Gegensatz zu Neodym, dessen Gewinnung mit potenziell schädlichen Bergbaupraktiken verbunden ist. Darüber hinaus können die geringeren Kosten von Eisennitrid zu erschwinglicheren Elektrofahrzeugen führen und eine bessere Temperaturstabilität bieten – ein entscheidender Faktor für Leistung und Langlebigkeit.

Von Statoren bis zu Batterien

Weniger bekannt, aber ebenso vielversprechend ist Niob, ein metallisches Element, das in der Elektrofahrzeugindustrie bedeutende Fortschritte macht. Im Gegensatz zu herkömmlichen Motorstatoren aus Siliziumstahl kann Niob in nanokristalline weichmagnetische Materialien umgewandelt werden. Diese fortschrittlichen Materialien zeichnen sich durch hervorragende magnetische Eigenschaften aus, wodurch die Wirbelstromverluste im Stator deutlich reduziert werden.

Bei Axialflussmotoren – einer Konstruktion, die aufgrund ihrer Kompaktheit und Effizienz zunehmend an Bedeutung gewinnt – könnten Statoren auf Niobbasis die Gesamteffizienz des Motors verbessern, was zu einer größeren Reichweite mit einer einzigen Ladung führt. Unternehmen wie CBMM und WEG stehen an der Spitze dieser spannenden Entwicklung und leisten Pionierarbeit beim Einsatz von Niob im Motorenbau. Die experimentellen Validierungstests der Partnerschaft belegen den Nutzen: Nanokristallines Material mit Niob reduzierte die Gesamtverluste des Motors um beeindruckende 53 Prozent. Dies entspricht einer deutlichen Steigerung der Effizienz um 6,7 Prozentpunkte im Vergleich zu demselben Projekt, das mit herkömmlichem Siliziumstahl gebaut wurde. Ihre Bemühungen versprechen nicht nur effizientere Motoren, sondern aufgrund der geringeren Dichte von Niob im Vergleich zu Siliziumstahl auch potenziell leichtere Motoren.

Die positiven Auswirkungen der Niob-Forschung könnten sogar über Motoren hinausgehen. Erste Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass seine einzigartigen Eigenschaften den Weg für die Entwicklung von Batteriematerialien der nächsten Generation ebnen könnten, was möglicherweise zu Batterien mit höherer Kapazität und längerer Lebensdauer führen würde.

Über die Laminierung hinaus

Das industrielle Potenzial des 3D-Drucks revolutioniert die traditionelle Methode der Motorstatorherstellung, bei der dünne Stahlbleche sorgfältig gestapelt und laminiert werden. Dieser innovative Ansatz verspricht eine neue Ära der Fertigungseffizienz und Designflexibilität.

Im Gegensatz zu den Einschränkungen herkömmlicher Methoden bietet der 3D-Druck die Möglichkeit, komplexe interne Geometrien innerhalb des Statorkerns zu erstellen. Dies eröffnet Möglichkeiten zur Optimierung der Magnetflusswege, was zu erheblichen Verbesserungen der Motorleistung und -effizienz führen kann. Darüber hinaus ermöglicht der 3D-Druck die Erstellung komplexer Statorkonfigurationen, die mit Lamellen nicht möglich sind, um die Leistung oder Effizienz potenziell zu verbessern.

Die Vorteile gehen jedoch über das Endprodukt hinaus. Der 3D-Druck bietet im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren einen optimierten Produktionsprozess, wodurch Abfall und Produktionszeit potenziell reduziert werden können. Diese Flexibilität könnte die gesamte Lieferkette revolutionieren und eine bedarfsgerechte Fertigung sowie eine lokalisierte Produktion in der Nähe der Montagewerke ermöglichen.

Der algorithmische Vorteil

Die Integration von Deep Learning und KI in die Entwicklung des Konstruktionsprozesses markiert einen bedeutenden Wandel in der Art und Weise, wie Motoren entwickelt und optimiert werden. Traditionell stützte sich die Motorkonstruktion darauf, dass Ingenieure verschiedene Faktoren wie Effizienz, Leistungsabgabe und Größenbeschränkungen gegeneinander abwogen. Mit der KI ist jedoch ein leistungsstarker neuer Partner hinzugekommen. Durch die Nutzung der Fähigkeiten von KI-Algorithmen können Hersteller nun riesige Datenmengen zur Motorleistung analysieren, sodass die KI komplexe Zusammenhänge und Muster erkennen kann, die menschlichen Ingenieuren möglicherweise entgehen würden.

Die Auswirkungen der KI auf das Motordesign gehen jedoch über die reine Analyse hinaus. Durch die Nutzung ihrer Rechenleistung kann die KI als virtueller Designassistent fungieren und die Motorkonfigurationen für bestimmte Anwendungen optimieren. Dies führt zur Entwicklung von EV-Motoren mit beispielloser Effizienz, Leistungsabgabe und Performance. Stellen Sie sich Motoren vor, die speziell auf einen bestimmten Fahrstil oder Fahrzeugtyp zugeschnitten sind und sowohl die Reichweite als auch die Leistungsabgabe maximieren – die Möglichkeiten sind enorm. Darüber hinaus kann die KI mit jeder Iteration kontinuierlich lernen und ihre Designfähigkeiten verbessern.

Der Aufstieg der Maschinen

Roboter und andere automatisierte Systeme ersetzen in rasantem Tempo manuelle Tätigkeiten und läuten damit eine neue Ära der Effizienz und Zuverlässigkeit ein. Studien der International Federation of Robotics (IFR) zeigen eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate von 11 Prozent bei den weltweit installierten Industrierobotern zwischen 2015 und 2021. Dieser Trend wird sich fortsetzen, insbesondere in der EV-Motorindustrie.

Die Automatisierung bietet mehrere entscheidende Vorteile. Roboter können sich wiederholende Aufgaben mit unübertroffener Präzision ausführen, wodurch menschliche Fehler minimiert werden und eine gleichbleibende Qualität bei der Herstellung von Motorkomponenten gewährleistet ist – ein McKinsey-Bericht schätzt, dass die Automatisierung die Fehlerquote um bis zu 90 Prozent senken und damit die Zuverlässigkeit der Motoren erheblich verbessern kann. Darüber hinaus ermöglicht die Automatisierung schnellere Produktionszyklen, sodass die Hersteller die aufgrund des Wachstums des EV-Marktes ständig steigende Nachfrage nach Elektromotoren befriedigen können.

Eine elektrifizierte Zukunft

Zusammengenommen zeichnen diese sich abzeichnenden Trends – von bahnbrechenden Magnetmaterialien über die intelligente Leistungsfähigkeit der KI bis hin zur Präzision der Automatisierung – ein transformatives Bild für die Elektromotorenindustrie. Dieser Zusammenfluss von Innovationen bedeutet einen starken Wandel hin zu einer Zukunft, die durch drei Säulen gekennzeichnet ist: gesteigerte Effizienz, unerschütterliche Nachhaltigkeit und unermüdliche Innovation. Für Branchenführer und Interessengruppen erfordert der Weg in die Zukunft eine gemeinsame Akzeptanz dieser Fortschritte. Indem wir die Grenzen des Möglichen erweitern, können wir sicherstellen, dass die Elektromotorenindustrie auf einem progressiven Kurs bleibt und den Weg für eine nachhaltigere und elektrisierende Zukunft der E-Mobilität ebnet.

Um mehr über Innovationen in der Elektromotorenindustrie zu erfahren, besuchen Sie die Website der CWIEME Berlin , wo wir eine Plattform für Branchenexperten bereitstellen, auf der sie ihr Wissen und ihre Lösungen einem internationalen Publikum vorstellen können.