Alternativen zu Seltenerdmagneten für Elektromotoren

Die Bayan-Obo-Mine in der Inneren Mongolei, die Seltene Erden enthält (Foto: Reuters).

Ein Elektromotor besteht im Wesentlichen aus zwei Hauptteilen: dem Stator und dem Rotor. Der Stator ist ein feststehender Teil, der mithilfe von Spulen oder Magneten ein Magnetfeld erzeugt. Dieses Magnetfeld erzeugt eine Kraft, die den Rotor in Rotation versetzt.

Durch die ständige Änderung der Polarität des Magnetfelds mithilfe elektrischer Energie (erinnern Sie sich, dass sich gleichnamige Pole abstoßen?) wird der Rotor in ständiger Bewegung gehalten. Diese Bewegung erzeugt einen Antrieb, der zum Betreiben eines Ventilators, einer Pumpe oder einer Maschine genutzt werden kann.

Je stärker der Magnet, desto besser die Energieausbeute und Lebensdauer des Elektromotors. Seltene Erden wie Neodym (Nd), Dysprosium (Dy) und Samarium (Sm) sind wichtig, da ihre Zugabe zu Produkten führt, die stärker, kleiner, leichter und effizienter als ein herkömmlicher Eisenmagnet sind.

Weltweites Angebot

Seltene Erden sind nicht unbedingt selten, aber ihr Abbau und ihre Verarbeitung sind schwierig. Verschiedene Seltene Erden kommen in den meisten Regionen der Welt vor, doch ob ein Abbau wirtschaftlich sinnvoll ist, muss im Einzelfall entschieden werden. Aufgrund des hohen Investitionsbedarfs und der erheblichen Umweltauswirkungen erhalten viele potenzielle Abbaugebiete keine Genehmigung.

Es gibt jedoch Ausnahmen. Verschiedene chinesische Unternehmen (wie beispielsweise China Northern Rare Earth) gewinnen seit Jahrzehnten Seltene Erden. Dank dieser Expertise und der hohen Fördermenge hat sich das Land zu einem der weltweit führenden Lieferanten entwickelt. Schätzungen zufolge fördert China mittlerweile rund 70 % der Seltene-Erden-haltigen Erze und verfügt über sogar 80 % der globalen Verarbeitungskapazität.

Diese Marktdominanz hat China dazu veranlasst, Strategien im Zusammenhang mit dem Export seltener Erden zu verfolgen. Hierbei spielen mehrere Ebenen der Intention eine Rolle, doch Exporte können begrenzt oder erhöht werden, um politische und/oder wirtschaftliche Vorteile zu erlangen.

Chinas Einfluss auf den Markt für Seltene Erden ist so groß, dass es die globalen Marktpreise faktisch kontrolliert. Je nach Zielsetzung kann die Regierung das Angebot reduzieren oder erhöhen. Eine Angebotserhöhung kann die globalen Preise für Seltene Erden senken, wodurch neue Abbauprojekte unwahrscheinlicher werden und andere Produzenten möglicherweise vom Markt verdrängt werden, da die Abbaukosten die Marktwerte übersteigen. Umgekehrt steigert eine Angebotsreduzierung den Materialwert und verschafft in China hergestellten Produkten einen Wettbewerbsvorteil.

MP Materials mit Sitz in der Mojave-Wüste in Kalifornien betreibt die einzige Anlage zur Gewinnung und Verarbeitung seltener Erden in den Vereinigten Staaten (Foto: Reuters).

Die strategische Bedeutung von Seltenen Erden kann nicht hoch genug eingeschätzt werden. Aufgrund der chinesischen Hegemonie haben die Vereinigten Staaten kürzlich Pläne zur Schaffung einer Handelszone für Seltene Erden und andere kritische Mineralien vorgestellt, um Chinas Marktdominanz zu verringern.

Alternativen zu Seltenen Erden

Wie bereits erwähnt, werden aus Seltenerdmineralien Permanentmagnete mit Eigenschaften hergestellt, die von Motorenherstellern geschätzt werden. Die gebräuchlichsten dieser Magnete sind NdFeB-Magnete, die aus Neodym (einem Seltenerdmineral), Bor und Eisen bestehen.

Es gibt Alternativen, die jedoch Nachteile mit sich bringen. Ferritmagnete (auch Keramikmagnete genannt, da sie in Herstellung und physikalischen Eigenschaften Ähnlichkeiten mit Keramik aufweisen) lassen sich beispielsweise aus Eisenoxid und Barium/Strontium – und ohne Seltenerdmetalle – herstellen. Obwohl sie aus kostengünstigen und weit verbreiteten Materialien bestehen, ist ihre Anziehungskraft geringer, sodass für die gleiche Leistung ein größerer Magnet benötigt wird.

Sogenannte Alnico-Magnete, hergestellt aus Aluminium, Nickel, Kobalt und Eisen, bieten eine weitere Möglichkeit, auf Seltene Erden zu verzichten. Sie sind stärker als Ferrite und weisen zudem eine gute Temperaturstabilität auf. Allerdings ist ihre magnetische Gesamtkraft geringer, und die Kobaltbeschaffung ist problematisch.

Durch die Kombination von Mangan mit Aluminium (MnAl) oder Bismut (MnBi) lassen sich auch Magnete ohne Seltenerdmetalle herstellen, allerdings sind Stabilität und Haltbarkeit weiterhin problematisch.

Keine Magnete

Es ist auch möglich, einen Elektromotor ohne Permanentmagnete herzustellen. Induktions-, Reluktanz- oder kupfererregte Motoren nutzen allesamt Lösungen, die ohne Magnete auskommen.

In einem Fall setzt BMW bereits fremdgeregte Synchronmotoren (EESM) in seinen Elektrofahrzeugen ein. Diese „Elektromotoren“ werden im eigenen Haus entwickelt und im Werk Steyr in Österreich gefertigt (die Gehäuse aus Aluminiumguss stammen aus dem Werk Landshut in Deutschland). Sie kommen in den Gen6-Elektroantrieben der kommenden „Neuen Klasse“ zum Einsatz.

„Der Energieverlust wird um 40 %, die Kosten um 20 % und das Gewicht um 10 % reduziert. All dies trägt wesentlich zur Steigerung der Gesamteffizienz des Fahrzeugs um rund 20 % bei“, erklärte Martin Kaufmann, Leiter der globalen Antriebsentwicklung bei BMW.

Die magnetfreien Elektromotoren der sechsten Generation von BMW werden jetzt im Werk Steyr produziert (Foto: BMW).

Anstelle von Permanentmagneten nutzen EESMs einen externen Gleichstrom, um die Kupferwicklungen um den Rotor zu erregen und so ein Magnetfeld zu erzeugen. Wechselströme im Stator erzeugen ein rotierendes Magnetfeld, an dem sich der Rotor ausrichtet – daher der Begriff „synchron“ im Namen. Der dem Rotor zugeführte Strom kann angepasst werden, um das Drehmoment zu steuern und den Wirkungsgrad zu optimieren.

Das Ergebnis ist ein hocheffizienter Motor mit einem steuerbaren Magnetfeld. Obwohl die Drehmomentdichte geringfügig niedriger ist als bei einem Motor mit Permanentmagneten und Seltenerdmetallen, kann das System bei hohen Seltenerdmetallpreisen kostengünstiger sein.

Spulenkompression

Es gibt weitere magnetfreie Lösungen. Das britische Unternehmen Advanced Electric Machines hat eine Reihe von Motoren für den Einsatz auf und abseits der Straße entwickelt. Diese Motoren nutzen die Spulenkompressionstechnologie, bei der die Statorspulen gewickelt und anschließend mechanisch komprimiert werden. Dadurch wird ein sehr hoher Füllfaktor der Wicklungen von 60 bis 85 % erreicht, was den Motor hinsichtlich Energieausbeute und Kühlung effizienter macht.

Das Unternehmen hat kürzlich bereits seinen HDRM300C-Motor der zweiten Generation vorgestellt. Das neue Modell ist für den Einsatz in Schwerlast- und Nutzfahrzeugen konzipiert und soll einen Nutfüllfaktor von über 80 % erreichen. Dank der Aluminiumwicklungen sind die Motoren zudem vollständig recycelbar.

Neue Steckverbinder ersetzen die bisherigen Verschraubungen und vereinfachen so Installation und Wartung bei gleichzeitig maximaler Zuverlässigkeit. Der Motor verfügt zudem über verbesserte Lager und Stromschienenanschlüsse für höhere Betriebsdrehzahlen.

Weiter geht es

Die Milliarden-Dollar-Frage lautet, ob Elektromotoren, die Magnete aus Seltenerdmetallen verwenden, durch Modelle ersetzt werden, die eine magnetfreie Technologie nutzen.

Magnete aus Seltenerdmetallen bieten ein sehr günstiges Verhältnis von Gewicht und Größe. Da es sich zudem um eine etablierte Technologie handelt, werden die meisten Fahrzeuge wohl weiterhin auf diese Technologie setzen, auch wenn einige Pkw auf magnetfreie Motoren umsteigen.

In anderen Sektoren könnte der geringe Anstieg der Größe und des Gewichts magnetfreier Modelle weniger ein Nachteil sein und den Wechsel zu diesen Motortypen bei schweren Lkw und Bussen beschleunigen – insbesondere bei letzteren, da immer mehr Städte und Gemeinden auf emissionsfreie Verkehrsnetze umstellen.

Chinas Dominanz auf dem Markt für Seltene Erden dürfte sich also fortsetzen. Doch dort, wo Fahrzeugeignung und Investitionsbereitschaft übereinstimmen, bieten sich eindeutig Möglichkeiten, den Markt für Seltene Erden zu umgehen und von den damit verbundenen Vorteilen zu profitieren.