Motorentechnik für Elektrofahrzeuge Axialflussmotoren: Yasa verzichtet auf seltene Erden

Yasa entwickelt zwei neue Varianten seiner Axialflussmotoren, um den Einsatz seltener Erden zu reduzieren. Während eine Ausführung weiterhin Permanentmagnete nutzt, aber ohne schwere seltene Erden auskommen soll, verfolgt das Unternehmen parallel eine vollständig seltene-erdenfreie Rotorarchitektur.

Permanentmagnete auf Basis von Neodym-Eisen-Bor ermöglichen hohe Drehmoment- und Leistungsdichten und sind deshalb in vielen elektrischen Fahrzeugantrieben zu finden. Gerade bei leistungsstarken Motoren kommen jedoch häufig zusätzlich schwere seltene Erden wie Dysprosium oder Terbium zum Einsatz. Sie verbessern die magnetischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen, erhöhen zugleich aber die Abhängigkeit von Rohstoffen mit geografisch konzentrierten Lieferketten.

Der britische Motorenhersteller Yasa will diese Abhängigkeit mit dem Forschungs- und Entwicklungsprojekt „Project Resilience“ verringern. Das seit 2021 vollständig zur Mercedes-Benz Group gehörende Unternehmen verfolgt dafür zwei unterschiedliche technische Ansätze. Gemeinsam ist ihnen die Axialfluss-Statorplattform von Yasa, während auf der Rotorseite unterschiedliche Technologien zum Einsatz kommen sollen.

Permanentmagnete ohne schwere seltene Erden

Der erste Entwicklungsstrang richtet sich an batterieelektrische Fahrzeuge und Hybridfahrzeuge mit hohen Leistungsanforderungen. Yasa will dafür Permanentmagnetmotoren entwickeln, die ohne schwere seltene Erden auskommen.

Das bedeutet nicht, dass diese Motoren vollständig auf seltene Erden verzichten. Vielmehr sollen die besonders kritischen schweren Vertreter dieser Rohstoffgruppe aus den Magneten verschwinden. Welche Magnetzusammensetzung Yasa konkret untersucht, nennt das Unternehmen bislang nicht.

Die technische Herausforderung liegt vor allem im Temperaturverhalten der Permanentmagnete. NdFeB-Magnete besitzen zwar eine hohe magnetische Energiedichte, ihre Koerzitivfeldstärke nimmt jedoch mit steigender Temperatur ab. Damit wächst unter ungünstigen Betriebsbedingungen die Gefahr einer irreversiblen Entmagnetisierung. Zusätze wie Dysprosium und Terbium können die Koerzitivfeldstärke erhöhen und damit die Temperaturbeständigkeit verbessern.

Gerade in hoch belasteten Traktionsmotoren ist das relevant. Hohe Ströme, Verlustleistung und die thermische Kopplung innerhalb der Maschine führen dazu, dass die Magnete erheblichen Temperaturen ausgesetzt sein können. Gleichzeitig wirken auf den Rotor starke Magnetfelder, die einer Entmagnetisierung entgegenwirken müssen.

Yasa setzt sich deshalb ein anspruchsvolles Ziel: Der Verzicht auf schwere seltene Erden soll nicht durch einen größeren oder schwereren Motor erkauft werden. Nach Angaben des Unternehmens soll die hohe Leistungsdichte erhalten bleiben, ohne Masse oder Bauraum der Maschine zu erhöhen.

Zweiter Motor soll vollständig ohne seltene Erden auskommen

Weiter geht der zweite Entwicklungsstrang. Hier will Yasa eine Axialflussmaschine entwickeln, die vollständig ohne seltene Erden auskommt. Sie ist für Fahrzeuganwendungen vorgesehen, bei denen Leistung, Kosten und Fertigungsanforderungen anders gewichtet werden als bei besonders leistungsstarken Antrieben.

Wie der Rotor dieser Maschine aufgebaut sein wird, lässt Yasa offen. Das ist ein wesentlicher Unterschied zum ersten Entwicklungsstrang: Während dort ausdrücklich von einem Permanentmagnetmotor die Rede ist, bezeichnet das Unternehmen die zweite Variante lediglich als „fully rare-earth-free axial flux technology“.

Damit bleibt auch offen, auf welchem elektromagnetischen Prinzip die Maschine basieren wird. Grundsätzlich können elektrische Fahrzeugantriebe beispielsweise mit fremderregten Synchronmaschinen oder Reluktanzmaschinen ohne Permanentmagnete aus seltenen Erden realisiert werden. Welche Lösung sich mit der Axialflussarchitektur von Yasa kombinieren lässt und für das Projekt gewählt wurde, geht aus den bislang veröffentlichten Informationen nicht hervor.

Ein Stator für unterschiedliche Rotoren

Bemerkenswert ist vor allem, dass beide Entwicklungsrichtungen auf derselben Statortechnologie aufbauen sollen. Yasa spricht von einer möglichen modularen Motorarchitektur, bei der abhängig von den Anforderungen eines Fahrzeugprogramms unterschiedliche Rotortechnologien eingesetzt werden können.

Damit würde nicht für jede Materialstrategie eine vollständig eigenständige elektrische Maschine benötigt. Teile der Entwicklung, Konstruktion und Fertigung könnten zwischen den Varianten gemeinsam genutzt werden.

Für Fahrzeughersteller könnte eine solche Plattform unterschiedliche Zielkonflikte abdecken. Ein leistungsorientiertes Fahrzeug könnte einen Permanentmagnetrotor ohne schwere seltene Erden erhalten, während bei einem kosten- oder rohstoffsensitiveren Fahrzeug eine vollständig seltene-erdenfreie Variante eingesetzt wird. Stator und grundlegende Maschinenarchitektur könnten dennoch auf derselben technologischen Basis beruhen.

Genau darin liegt ein wesentlicher Ansatz von „Project Resilience“. Yasa sucht nicht nach einer einzigen Motortechnologie, die sämtliche Anwendungen abdecken soll. Stattdessen sollen unterschiedliche Rotorvarianten verschiedene Anforderungen an Leistungsdichte, Wirkungsgrad, Bauraum, Kosten und Produktionsvolumen erfüllen.

Axialflussmaschine als gemeinsame Plattform

Yasa setzt dabei weiterhin auf seine Axialflussarchitektur. Im Gegensatz zu klassischen Radialflussmaschinen verläuft der magnetische Fluss hier im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse. Rotor und Stator sind entsprechend scheibenförmig aufgebaut.

Ein Vorteil dieser Bauweise liegt in der hohen Drehmomentdichte. Durch den vergleichsweise großen wirksamen Radius lässt sich bei kompakter axialer Baulänge ein hohes Drehmoment erzeugen. Genau diese Kombination aus Leistungsdichte und geringem Bauraum gehört zu den Eigenschaften, mit denen Yasa seine Motorentechnik insbesondere für leistungsstarke Fahrzeugantriebe positioniert.

Die Materialfrage lässt sich davon allerdings nicht trennen. Ein großer Teil der Leistungsfähigkeit moderner Permanentmagnetmaschinen beruht gerade auf Magnetwerkstoffen mit hoher Energiedichte. Werden kritische Bestandteile entfernt oder die Permanentmagnete vollständig ersetzt, müssen deren elektromagnetische Eigenschaften durch die Konstruktion der Maschine oder eine andere Rotorarchitektur kompensiert werden.

Project Resilience soll zeigen, wie weit sich diese Materialabhängigkeit reduzieren lässt, ohne die Vorteile der Axialflussmaschine aufzugeben.

Lieferkette wird zur Entwicklungsgröße

Hinter dem Projekt stehen neben technischen auch industriepolitische Gründe. Die Lieferketten für seltene Erden und daraus hergestellte Permanentmagnete sind weltweit stark konzentriert. Für Automobilhersteller entstehen dadurch Risiken durch Exportbeschränkungen, geopolitische Konflikte und Preisschwankungen.

Bei schweren seltenen Erden kommt ein weiterer Aspekt hinzu. Gewinnung und Aufbereitung sind aufwendig und mit erheblichen Umweltauswirkungen verbunden. Weniger dieser Materialien einzusetzen, kann deshalb sowohl die Rohstoffabhängigkeit als auch den Material-Fußabdruck eines elektrischen Antriebs reduzieren.

Die Entwicklung neuer Motortopologien wird damit zunehmend auch zu einer Frage der Rohstoffstrategie. Neben Drehmoment, Wirkungsgrad, Leistungsdichte und Kosten rückt die Verfügbarkeit der eingesetzten Magnetmaterialien als zusätzliche Entwicklungsgröße in den Vordergrund.

Britische Regierung fördert die Entwicklung

„Project Resilience“ wird an den britischen Entwicklungsstandorten von Yasa durchgeführt. Das Unternehmen beschäftigt nach eigenen Angaben mehr als 300 Mitarbeiter an den Standorten Oxford, Bicester und Welshpool. Finanziell unterstützt wird das Projekt durch die britische Regierung im Rahmen des Förderprogramms DRIVE35. Das Programm wird gemeinsam mit dem Advanced Propulsion Centre UK und Innovate UK umgesetzt und soll Forschung, Industrialisierung und den Aufbau von Fertigungskapazitäten für emissionsfreie Fahrzeugtechnologien in Großbritannien fördern. Bis 2035 stehen dafür insgesamt 4 Milliarden britische Pfund an Fördermitteln zur Verfügung.

Wie hoch die konkrete Förderung für Yasa ausfällt und wann die beiden neuen Motortechnologien serienreif sein sollen, nennt das Unternehmen bislang nicht. Ebenso offen bleiben technische Kennwerte wie Leistung, Drehmoment, Drehzahl, Wirkungsgrad oder Leistungsdichte der geplanten Maschinen. (mr)

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