Magnetfeldsensorik Ferritische Magnete als kostengünstige Antwort bei knappen seltenen Erden

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TDK setzt in der Magnetfeldsensorik neue Maßstäbe durch den Verzicht auf seltene Erden. Eine Alternative sind ferritische Magnete. Sie sind kosteneffizient und gleichzeitig auch umweltfreundlich. Im Einsatz überzeugen sie durch Leistung und Temperaturstabilität.

In der heutigen technologischen Landschaft spielen geopolitische Spannungen eine zunehmend entscheidende Rolle und gefährden die Versorgungskette für seltene Erden, da sie das Herzstück vieler Elektronikprodukte sind. Angesichts des Risikos von Produktionsstopps suchen Unternehmen der Elektronikbranche händeringend nach Lösungen. TDK zeigt einen wegweisenden Ansatz bei der Magnetfeldsensorik, die auf den Einsatz seltener Erden verzichtet.

In modernen Automatisierungen und Steuerungssystemen ist Magnetfeldsensorik unentbehrlich. Ob es um die exakte Bestimmung von Position, Geschwindigkeit, Drehzahl oder Drehmoment geht, es kommt auf die Leistungsfähigkeit und Präzision dieser Sensoren an, wenn sie zuverlässig in Geräten arbeiten sollen.

Ein vollständiges magnetisches Messsystem besteht aus zwei Hauptkomponenten: dem Magneten, auch Target genannt, und dem Sensor, beispielsweise einem Hall-Sensor. Dieser erfasst das magnetische Feld und wandelt es in eine messbare Spannung um. Der Magnet wird präzise auf dem beweglichen Bauteil positioniert, etwa einer Motorwelle oder einem Bedienpedal. Im exakten geometrischen Verhältnis dazu wird der Sensor installiert, um die präzise Bewegung und den Zustand des Bauteils zu messen.

Reines Eisen ist in vielen Anwendungen schlicht ungeeignet

Da der Magnet auf dem Bauteil einen Fremdkörper darstellt, liegt es nahe, dass der Magnet möglichst klein sein sollte. Dennoch soll er ein starkes Feld ausprägen, damit der Sensor ein starkes und rauscharmes Signal erhält. Hier kommen die seltenen Erden ins Spiel. Grundsätzlich entsteht Magnetismus, wenn in einem Metall gegensätzlich geladene Strukturelemente, auch Bipole genannt, gleichmäßig ausgerichtet werden und dadurch ein Nord- sowie ein Südpol formen. Das häufigste magnetisierbare Metall ist Eisen. Doch Eisen allein schafft nur schwach ausgeprägte Magnetfelder und verliert seine magnetischen Eigenschaften besonders unter Hitzeeinwirkung. Das Phänomen ist als die thermische Entmagnetisierung bekannt. Da viele technische Anwendungen in hitzebehafteten Umgebungen, wie bei Motoren, stattfinden, ist reines Eisen als Targetmaterial schlicht ungeeignet.

Hier bieten sich die Metalle der seltenen Erden an: Eine Gruppe von 17 Metallen aus der 3. Nebengruppe des Periodensystems, die meisten davon angeführt von Lanthan. Besonders bekannt unter diesen Metallen ist Neodym, während Terbium als schwere Seltene Erde und Samarium sowie Dysprosium dazwischengelagert sind. Diese Elemente bieten die nötige Stabilität und Stärke selbst bei erhöhten Temperaturen. Das ist eine entscheidende Eigenschaft für die nächste Generation von Hochleistungsmagneten.

Geopolitik und das Problem mit den seltenen Erden

Was zunächst nach theoretischer Chemie klingt, hat praktische Auswirkungen auf die Magnetproduktion: Die Elektronenstruktur der seltenen Erden stabilisiert die Bipol-Struktur in magnetisierbaren Metallen. Zwei entscheidende Vorteile resultieren daraus:

• Erhöhung der Koerzivität: Die Feldstärke je Volumeneinheit kann gesteigert werden, sodass kleinere Magnetgrößen zu den gewünschten Magnetfeldern führen.

• Verbesserte Temperaturstabilität: Magnete können auch bei höheren Temperaturen zuverlässig arbeiten, ohne ihre magnetischen Eigenschaften zu verlieren.

Diese Eigenschaften haben Magnete mit seltenen Erden zu einem technischen Standard gemacht, der weltweit Anerkennung findet. Allerdings sind die weltweiten Vorkommen dieser Rohstoffe geologisch begrenzt und räumlich eng konzentriert, was in Zeiten geopolitischer Spannungen zu Lieferengpässen führt. Leider beeinträchtigt die Situation derzeit die industrielle Produktion spürbar.

Ferritische Magnete als Alternativen zu seltenen Erden

Alternativen wie ferritische Magnete und Elektromagnete bieten potenzielle Möglichkeiten. Ferritische Magnete, hergestellt durch Sinterprozesse, weisen stabile Kristallstrukturen mit hervorragender Feldstärke und Thermostabilität auf. Elektromagnete hingegen sind bei bewegten Bauteilen ungeeignet, da ihre Stromversorgung zu komplex wäre. Ferrite bieten sich daher als bevorzugte Substitution für Seltenerdmagnete an.

Auch in Zeiten, in denen die Versorgungslage günstiger war, wurden Ferrite wegen ihrer Kosteneffizienz und geringeren Umweltbelastung bevorzugt. Angesichts der aktuellen Entwicklungen arbeiten viele Unternehmen, und hier vor allem aus der Automobilindustrie, eng mit Sensorherstellern zusammen, um Seltenerdmetalle durch Ferrite zu ersetzen. Hierbei erleichtern vorhandene sensorische Entwicklungen für ferritische Magnete eine reibungslose Implementierung.

Beispielsweise wurden die bestehenden Produktfamilien HAL 35xy und HAL 39xy von TDK-Micronas bereits in ihrer Designphase auf die Verwendung mit ferritischen Magneten hin optimiert. Bei den Produkten handelt es sich um hoch performante Positionssensoren, die Bewegungen in allen drei Raumrichtungen erfassen können. Das Bild 2 zeigt schematisch einen typischen Aufbau in End-of-Shaft-Position, also für die Anbringung am Ende einer Welle.

Entscheidend ist die hohe Sensitivität der Sensoren, also das Verhältnis zwischen Ausgangsspannung (Signal) und der zu messenden magnetischen Feldstärke; angegeben daher in mV/mT. Das Bild zeigt den Signalverlauf beispielhaft an drei horizontalen Hall-Elementen, welche in diesem Fall für die Winkelmessung verwendet werden. Daraus wird deutlich, dass der HAL 39xy bereits für Magnete mit einer Feldstärke von 20 mT einen rauscharmen, gut auswertbaren Signalverlauf liefert. Diese Feldstärke kann mit ferritischen Magneten bereits gut dargestellt werden (Bild 3).

Die Leistung eines ferritischen Magnets

Ferritische Magnete erzeugen ein schwächeres Magnetfeld und sind anfälliger für thermische Entmagnetisierung, was die Messgenauigkeit beeinflusst. Fehlergrößen sind daher entscheidend für die Signalqualität. Das Bild zeigt die Leistung des HAL 39xy anhand der Fehler im ausgegebenen Winkelsignal in Abhängigkeit vom Luftspalt (Airgap), also dem Abstand zwischen Sensor und Magnetoberfläche. Man sieht, dass der resultierende Fehler (oberste gelbe Linie) als Summe verschiedener Fehlerquellen innerhalb des spezifizierten Maximalwerts von nur 1° Abweichung bleibt.

Besonders hervorzuheben ist, dass der Gesamtfehler bereits die Temperaturbelastung während der Lebensdauer berücksichtigt (nach dem Automotive AEC-Q100 Grade 0 Temperaturprofil ermittelt), was das kritische thermische Verhalten ferritischer Magnete einbezieht. Wie schafft das der HAL 39xy? Zwei Hauptmerkmale sind entscheidend für seine Leistung mit ferritischen Magneten:

• 6ZD-Siliziumstruktur: Die Siliziumstruktur des Chips integriert sechs Hall-Zellen in einer spezifischen Geometrie. Diese Konfiguration erfasst das gesamte Magnetfeld, das der ferritische Magnet bereithält. Testreihen mit Automobilkunden belegen, dass diese Anordnung deutlich bessere Ergebnisse liefert als Sensoren mit weniger Hall-Zellen.

• Interne Temperaturkompensation: Der Chip enthält eine Temperaturkompensation, die das magnetische Systemverhalten ausgleicht und so den Einfluss auf den Gesamtfehler minimiert.

Benchmark-Tests zeigen, dass der HAL 39xy bei 10 mT, also nur der Hälfte der typischen Feldstärke oben, den geringsten Störfeldeinfluss aufweist. Dies prädestiniert den Sensor für ferritische Magnete. Der Sensor ist in Standard-Packages wie SOIC-8 erhältlich, was den Austausch im Rahmen einer Umstellung auf ferritische Magnete vereinfacht. TDK unterstützt Kunden damit, schnell auf ferritische Systeme zu wechseln und Produktionsausfälle zu vermeiden.

Alle Sensorfamilien von Micronas profitieren von TDKs Technologiepool. Die beschriebenen Vorteile der HAL 39xy und HAL 35xy sind ebenso auf andere Sensoren übertragbar, etwa die HAL 302x für E-Motoren-Kommutationsanwendungen und die HAL 15xy-Schalter. Angesichts geopolitischer Veränderungen in Lieferketten trägt TDK dazu bei, negative Auswirkungen durch fortschrittliche technologische Lösungen abzumildern. (heh)

* Karsten Köhler ist Manager Business Development bei TDK-Micronas.

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