Elektrische Direktantriebe verbessern Effiziente Dauermagnete

Projekt PerEMot hilft elektrische Direktantriebe zu verbessern.
Projekt PerEMot hilft elektrische Direktantriebe zu verbessern.

Antriebe, die auf permanenterregten Synchronmaschinen basieren, sind im Vergleich zu elektrisch erregten Asynchronmaschinen kompakter und leistungsfähiger, aber auch teurer und bei hohen Drehzahlen verlustreicher. Im Projekt „PerEMot“ wurde nach Möglichkeiten geforscht, die Nachteile elektrischer Direktantriebe beim Einsatz im Elektroauto auszugleichen.

Die Frage nach dem alternativen Antriebskonzept der Zukunft scheint noch lange nicht gelöst. Gleichwohl hat die Bundesregierung das Thema auf die politische Agenda gesetzt: Bis 2020, so das erklärte Ziel, sollen eine Million Elektroautos auf Deutschlands Straßen unterwegs sein. Diese Zielvorgabe war vielleicht ein wenig zu ehrgeizig, denn die Zulassungszahlen belegen, dass von der gewünschten Million noch etliche Elektrofahrzeuge fehlen: So waren laut der Zahlen des Kraftfahrt-Bundesamtes zum 1. Januar 2014 gerade einmal 12.156 Elektrofahrzeuge und 85.575 Fahrzeuge mit Hy­bridantrieb in Deutschland zugelassen.

Die Gründe für die mangelnde Begeisterung der Deutschen für Fahrzeuge mit alternativen Antriebskonzepten sind sicherlich vielfältig. So schrecken die hohen Preise für diese Fahrzeuge viele potenzielle Käufer ab, und häufig sind es auch die noch recht geringen Reichweiten in Kombination mit einem durchaus ausbaufähigen Stromtankstellennetz, welche die Zurückhaltung bedingen. Die Bundesregierung ist gewillt, einen Beitrag zur Steigerung der Akzeptanz der E- und Hybridfahrzeuge zu leisten, und investierte in den letzten Jahren verstärkt in die Forschung zur Verbesserung dieser alternativen Antriebsformen. Eines dieser vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Forschungsprojekte war das Projekt PerEMot. PerEMot steht für „Permanenterregter Elektromotor mit verbesserten Eigenschaften hinsichtlich der verwendeten magnetischen Materialien“. In diesem Projekt hatte es sich die Vacuumschmelze gemeinsam mit den beiden Projektpartnern Siemens und Technische Universität Darmstadt zum Ziel gesetzt, die Effizienz von elektrischen Direktantrieben in Elektrofahrzeugen durch Einsatz moderner Werkstoffe deutlich zu erhöhen.

Elektrischer Direktantrieb vs. elektrisch erregte Asynchronmaschinen

Für einen elektrischen Direktantrieb sprechen gleich mehrere Gründe: Bei diesem Konzept ist die Funktion eines Getriebes in den Antrieb integriert. Dadurch lässt sich Gewicht einsparen, was sich wiederum positiv auf die Energieeffizienz und damit auf die Reichweite der Fahrzeuge auswirkt. Die noch geringe Reichweite wurde ja bereits als ein Grund für die Kaufzurückhaltung in Deutschland genannt. Antriebe, die auf permanentmagnetischen (PM‑) Synchronmaschinen basieren, sind kompakter und bringen bei gleichem Energieverbrauch mehr Leistung. Durch spezielle Konzepte lassen sich damit Motoren realisieren, die bei gleicher Baugröße mehr als das doppelte Drehmoment erreichen, das über den gesamten Drehzahlbereich zur Verfügung steht.

Allerdings gibt es natürlich auch Nachteile gegenüber elektrisch erregten Asynchronmaschinen. Einer davon ist der höhere Preis, der hauptsächlich daher rührt, dass Hochleistungspermanentmagnete verbaut werden müssen, die bislang nicht ohne Selten-Erd-Metalle auskommen. Diese Metalle sind zwar nicht so selten, wie ihr Name vermuten lässt, doch nach dem Abbau der Erze ist eine aufwändige Aufbereitung nötig, was die Preise für diese Rohmaterialien entsprechend in die Höhe treibt. Ein weiterer Nachteil der permanenterregten Elektromotoren sind die größeren Verluste bei hohen Drehzahlen. Das PerEMot-Forschungsprojekt setzte nun genau bei diesen beiden Nachteilen an. Zum einen galt es, Methoden und Prozesse zu entwickeln, die es erlauben, Hochleistungsdauermagnetmaterialien ressourcenschonend und kostengünstig herzustellen. Zum anderen sollten Motorkonzepte entwickelt und untersucht werden, die die Energieeffizienz von permanenterregten elektrischen Maschinen verbessern.

Dysprosium – weniger bringt mehr

Dysprosium gehört zu den teuersten Selten-Erd-Bestandteilen von Dauermagneten. Eine Reduktion des Dysprosium-Gehaltes stand folglich im Mittelpunkt des Forschungsinteresses. Für die Vacuumschmelze (VAC) war dieser Ansatz vertrautes Terrain. Bereits 2013 stellte die VAC zwei neue Neodym-Eisen-Bor-Legierungen vor, die sogar völlig ohne den schweren Selten-Erd-Rohstoff Dysprosium auskommen. Die sogenannte 2er-Reihe mit den Kennzahlen 238 und 247 aus der Vacodym-Familie erreicht eine Koerzitivfeldstärke von ≥1270 bzw. ≥1430 kA/m und eignet sich für die Anwendung in normalen Synchronmotoren bis 140 Grad Celsius Einsatztemperatur.

Doch warum ist das Dysprosium überhaupt notwendig? Der Einsatz von Dysprosium ist ein klassischer Weg zur Steigerung der Koerzitivfeldstärke von Neodym-Eisen-Bor-Sintermagneten. Und eine hohe Koerzitivfeldstärke verbessert die Temperaturstabilität und erhöht die maximale Einsatztemperatur. Insbesondere bei Hybrid-Fahrzeugen, in denen die Dauermagnete in der Nähe des Verbrennungsmotors zum Einsatz kommen, war somit Dysprosium ein bisher unverzichtbarer Bestandteil des Magnetmaterials. Gemeinsam mit der TU Darmstadt ließ sich nun am Beispiel von Vacodym 722 HR nachweisen, dass das Dysprosium nicht gleichmäßig im Magnetmaterial verteilt sein muss, um die Koerzitivfeldstärke zu erhöhen. Vielmehr ist bereits eine wenige Nanometer dicke Schicht aus Dy-reicher Phase ausreichend, die die einzelnen Neodym-Eisen-Bor-Körner im Magnetmaterial vollständig umhüllt (Bild 1). Diese effiziente Verteilung von Dysprosium lässt sich zum Beispiel durch den sogenannten Korngrenzendiffusionsprozess einstellen. So hergestellte Magnete weisen einen um etwa zwei Gewichtsprozente reduzierten Dy-Gehalt auf, was zu einer signifikanten Reduktion der Rohstoffkosten führt. Gleichzeitig kann durch diese Einsparung von Dysprosium die Remanenz des Werkstoffes erhöht werden. Damit lassen sich die Drehmomente von permanenter­reg­ten Elektromotoren entsprechend weiter steigern.

Eine wesentliche Aufgabe der Vacuumschmelze war nun, eine Methode zu entwickeln, wie sich der Korngrenzendiffusionsprozess in einer industriellen Fertigung kostengünstig umsetzen lässt. Es ist im Rahmen des Projektes gelungen, ein geeignetes Pulverbeschichtungsverfahren und eine spezielle Wärmebehandlung einzuführen. Dadurch konnten sowohl die zusätzlichen Prozesskosten minimiert als auch größere Stückzahlen potenziellen Anwendern zur Verfügung gestellt werden. Ein vom Projektpartner Siemens eigens aufgebauter Demon­strator bestätigte, dass sich mit den so veredelten Dauermagneten deutlich verbesserte Elektromotoren aufbauen lassen. Während sich die Technik für Spezialanwendungen bereits im Markt etabliert, hängt aber insbesondere die Umsetzung im Massenmarkt stark von der aktuellen Rohstoffpreisentwicklung ab. Hier bleibt festzuhalten, dass der VAC mit der Korngrenzendiffusion nun eine zusätzliche Technik zur Verfügung steht, mit der nicht nur die Magnetwerte verbessert (Bild 2), sondern im Falle von steigenden Rohstoffpreisen gegebenenfalls auch der Anteil an Dysprosium deutlich reduziert werden kann.