IDTechEx bespricht vier Möglichkeiten zur Eliminierung seltener Erden in Elektrofahrzeugmotoren und eine, die Sie noch nicht gehört haben

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14. August 2023, 7:13 Uhr ET

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BOSTON, 14. August 2023 /PRNewswire/ -- Der Einsatz seltener Erden in verschiedenen modernen Technologien hat im Laufe der Jahre Aufmerksamkeit erregt. Doch mit der steigenden Nachfrage nach Elektrofahrzeugen (EVs) ist das Thema in den Vordergrund gerückt. 82 % des Elektroautomarktes im Jahr 2022 nutzten Elektromotoren auf Basis von Seltenerd-Permanentmagneten. China kontrolliert weitgehend das Angebot an Seltenen Erden, was in den vergangenen Jahren zu erheblichen Preisschwankungen geführt hat, mit einem starken Anstieg in den Jahren 2011/2012 und einem starken Anstieg zwischen 2021 und 2022. Entscheidend ist, dass im Vergleich zu einigen anderen Technologien mehrere Methoden eingesetzt werden können, um den Einsatz seltener Erden in Elektromotoren zu eliminieren. Diese werden in diesem Artikel zusammen mit den Vor- und Nachteilen sowie der Einführung beschrieben.

Dieser Artikel basiert auf dem neuesten Bericht „Elektromotoren für Elektrofahrzeuge 2024–2034“ von IDTechEx, in dem verschiedene Motortechnologien hinsichtlich Leistung, Materialien, Marktakzeptanz und Zukunftspotenzial analysiert werden.

Um den Aufbau eines Elektromotors kurz zu beschreiben: Ein stationärer Teil (Stator) verfügt über Spulen aus Metall (normalerweise Kupfer), die von elektrischem Strom gespeist werden, um ein Magnetfeld zu erzeugen. Dieses Feld dreht dann den rotierenden Teil des Motors (Rotor). Bei einem Seltenerd-Permanentmagnetmotor (PM) befinden sich die Magnete am Rotor.

1. Der Induktionsmotor

Bei einem Induktionsmotor (oder Asynchronmotor) induziert das vom Stator erzeugte rotierende Magnetfeld Ströme am Rotor, die wiederum ein Magnetfeld erzeugen, das vom radialen Feld der Statorwicklungen angezogen/abgestoßen wird. Der Induktionsmotor verwendet Kupfer- oder Aluminiumstäbe oder -wicklungen am Rotor. Diese Motoren bieten in der Regel über kurze Zeiträume eine gute Spitzenleistung und Drehmomentdichte, können sich jedoch als schwierig im thermischen Management erweisen und haben typischerweise einen geringeren Wirkungsgrad als PM-Optionen.

Induktionsmotoren waren auf dem Elektrofahrzeugmarkt weit verbreitet und waren bis zur Veröffentlichung des Modells 3 (das ein PM-Design annahm) die erste Wahl von Tesla. Auf dem Automarkt gibt es nach wie vor einige Befürworter wie Audi und Mercedes, aber Induktionsmotoren werden heute größtenteils als Sekundärmotoren zur Beschleunigungssteigerung eingesetzt, da sie bei Nichtgebrauch keinen Luftwiderstand erzeugen, sodass kein Entkoppler erforderlich ist.

2. Der gewickelte Rotormotor

Der Synchronmotor mit gewickeltem Rotor (WRSM), auch als extern erregter Synchronmotor (EESM) bekannt, ersetzt die Magnete am Rotor durch Spulenwicklungen, die mit Gleichstrom gespeist werden können, um ein Magnetfeld zu erzeugen. Dies hat den Vorteil, dass sowohl das Stator- als auch das Rotorfeld gesteuert werden können. Die Nachteile sind die zusätzlichen Herstellungsschritte, die zum Hinzufügen von Wicklungen zum Rotor erforderlich sind, und die Notwendigkeit von Bürsten zur Kraftübertragung auf den Rotor. Diese Motoren hatten in der Vergangenheit auch eine schlechtere Leistungs- und Drehmomentdichte, moderne Versionen sind jedoch mit PM-Motoren vergleichbar.

Renault war im Zoe ein früher Befürworter dieser Technologie, doch nun haben BMW und Nissan dieses Design übernommen, und Tier 1 MAHLE hat eine Version mit kabelloser Kraftübertragung auf den Rotor vorgestellt, wodurch die Bürsten entfallen.

3. Der geschaltete Reluktanzmotor

Geschaltete Reluktanzmotoren (SRMs) sind möglicherweise am einfachsten zu konstruieren, da der Rotor größtenteils aus Stahl besteht. Der Stahl des Rotors weist im Vergleich zur ihn umgebenden Luft einen geringen magnetischen Widerstand auf, sodass der magnetische Fluss vorzugsweise durch den Stahl wandert und gleichzeitig versucht, seinen Flussweg zu verkürzen, wodurch der Rotor gedreht wird. Trotz ihrer Einfachheit und Zuverlässigkeit leiden SRMs typischerweise unter einer schlechteren Leistungs- und Drehmomentdichte sowie anderen Problemen, einschließlich Drehmomentwelligkeit und akustischen Geräuschen.

Während SRMs weitgehend auf eher industrielle oder Hochleistungsanwendungen beschränkt waren, werden erhebliche Anstrengungen in ihre Entwicklung für Elektrofahrzeuge gesteckt. Unternehmen wie Turntide Technologies haben mehr Rotor- und Statorpole hinzugefügt und ausgefeiltere Steuerungssysteme entwickelt, um herkömmliche Probleme zu überwinden. Das in Großbritannien ansässige Unternehmen Advanced Electric Machines hat einen neuen Motortyp mit einem segmentierten Rotor entwickelt, der nach wie vor einfach im Aufbau ist, aber akustische Geräusche und Drehmomentschwankungen eliminieren und gleichzeitig die Leistungs- und Drehmomentdichte verbessern soll. Dieses Design steht im Mittelpunkt eines Projekts neben Bentley.

4. Alternative magnetische Materialien

Während viele OEMs den Anteil seltener Erden in ihren Motoren kontinuierlich reduziert haben, erregte Tesla großes Interesse mit der Ankündigung, dass sein Antriebssystem der nächsten Generation ein PM-Motor ohne seltene Erden sein wird. Es gibt mehrere laufende Projekte zur Entwicklung seltenerdfreier Magnete, die hinsichtlich der magnetischen Leistung mithalten können. Diese befinden sich auf unterschiedlichem Niveau der Kommerzialisierung.

Das Problem bei alternativen magnetischen Materialien besteht darin, dass ihre magnetische Leistung im Allgemeinen viel schlechter ist. Beispielsweise zeigen einige Hersteller, die Motoren mit Seltenerd- und Ferritmagneten herstellen, eine Leistungsreduzierung von 50–70 % bei der Ferritversion eines Motors gleicher Größe, was bedeutet, dass zur Anpassung an die Leistung viel mehr magnetisches Material und/oder ein viel größerer Motor erforderlich ist erforderlich.

Proterial hat Magnete mit magnetischen Eigenschaften entwickelt, die nach eigenen Angaben „die weltweit höchsten Werte unter den Ferritmagneten liefern“. Das Motordesign erfordert nur 20 % mehr Magnetmaterial, um die Motorleistungsdichte gleich zu halten. Niron Magnetics entwickelt Eisennitrid-Magnete und die Versionen der nächsten Generation sollen mit der Leistung von Neodym konkurrieren. PASSENGER ist ein europäisches Projekt zur Entwicklung von Strontiumferrit- und Mangan-Aluminium-Kohlenstofflegierungen. Während die Bemühungen im Gange sind, sind Materialien mit einer wirklich vergleichbaren Leistung noch weit entfernt von der Zukunft; Bei anderen Änderungen am Motordesign ist dies jedoch möglicherweise nicht erforderlich.

5. Ein Hochgeschwindigkeits-Ferritmotor mit weiteren Optimierungen

Während der Einsatz von Ferritmagneten die Motorleistung erheblich reduzieren würde, könnte die Optimierung vieler anderer Motorfunktionen diese Auswirkungen minimieren. Das australische Technologieunternehmen Ultimate Transmissions hat ein Patent für ein Ferrit-Motordesign eingereicht, das seiner Meinung nach ein Weg sein könnte, den Tesla einschlagen könnte, um seltene Erden in einem PM-Motor zu eliminieren.

Das Design verwendet viel größere Ferritmagnete und höhere Drehzahlen (20.000 U/min), um eine vergleichbare Leistung wie ein ähnlich großer Seltenerd-PM-Motor zu erreichen. Eine Herausforderung besteht darin, die Magnete effektiv im Rotor zu halten; Eine mögliche Lösung wäre die Verwendung einer Kohlefaserummantelung des Rotors (eine Technologie, die Tesla bereits in seinen Plaid-Fahrzeugen demonstriert hat). Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass die Ferritmagnete für einen optimalen Betrieb erhitzt werden müssten, was bei Neodymmagneten das gegenteilige Problem darstellt, aber nicht unerreichbar ist.

Es ist zu beachten, dass sich dieser Entwurf noch in der Simulationsphase befindet und Tesla möglicherweise einen anderen Ansatz verfolgt, beispielsweise eigene alternative Magnetmaterialien. Aber in Simulationen hat dieser Ansatz eine ähnliche Leistung, geringere Kosten und ein geringeres Gewicht gezeigt, allerdings auf Kosten eines leicht reduzierten Drehmoments und eines längeren Stapels.

Schlussfolgerungen für die Zukunft

Insbesondere außerhalb Chinas liegt der Fokus zunehmend auf der Reduzierung des Seltenerdanteils in Elektromotoren. Es gibt mehrere Strategien, jede mit ihren eigenen Kompromissen und Chancen für Automobilhersteller und Materiallieferanten. IDTechEx prognostiziert, dass Seltenerd-PM-Motoren die dominierende Technologie bleiben werden, vor allem dank Chinas Dominanz auf dem Elektrofahrzeugmarkt und anderen Minen, die weltweit ans Netz gehen. Es wird jedoch davon ausgegangen, dass seltenerdfreie Optionen, einschließlich der oben genannten, im Jahr 2034 fast 30 % des Marktes ausmachen werden.

Die neueste Ausgabe von IDTechEx „Elektromotoren für Elektrofahrzeuge 2024–2034“ befasst sich eingehend mit Motortechnologie, Marktakzeptanz, Materialnutzung und Marktprognosen. Es greift auf eine große Datenbank von Fahrzeugen und Motoren aller Fahrzeugsegmente zurück, darunter Autos, Busse, Lastwagen, Transporter, Zweiräder, Dreiräder, Kleinstwagen und Flugzeuge.

Weitere Informationen zu diesem Bericht, einschließlich herunterladbarer Beispielseiten, finden Sie unter www.IDTechEx.com/motors.

Über IDTechEx

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