Gastkommentar Neue Magnetmaterialien zwingen Elektromotoren zur Sparsamkeit

„Leistungsdichte und Effizienz haben höchste Priorität bei der Entwicklung moderner Elektromotoren. Neue Magnetwerkstoffe und Technologien, die das Limit des aktuell Machbaren darstellen, gibt es bereits.

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Elektromotoren und elektromotorisch betriebene Systeme machen weltweit 40% des Stromverbrauches aus und sind mit rd. 6000 Mio. t CO₂-Emissionen für 20% des gesamten weltweiten CO₂-Ausstoßes verantwortlich. Auch die Hersteller von Elektromotoren kommen also nicht daran vorbei, sich immer neuen Herausforderungen zu stellen, um einen Beitrag zur Einhaltung definierter Klimaziele zu leisten.

In Deutschland gehen ungefähr 68% des industriellen Stromverbrauchs auf das Konto von Elektromotoren. Die Bundesrepublik hat aber auch einen überproportional hohen Anteil an transnationalen Patenten im Bereich Elektromotoren. Sie ist einer der wichtigsten Exporteure von Elektromotoren in der Welt und dominiert insbesondere bei Mehrphasen-Wechselstrommotoren. Diese sind vor allem für industrielle Anwendungen wichtig und haben ein weltweites Exportvolumen von ungefähr 10 Mrd. US-$.

In der Bundesrepublik sind mehrere zum Teil internationale Konzerne wie Siemens oder Bosch als Hersteller für diese Motorenart aktiv. Darüber hinaus gibt es aufgrund der vielen Anwendungen von Elektromotoren eine große Zahl von Akteuren, die durch neue politische Instrumente auch erreicht werden sollen.

Aufgrund des prinzipbedingten hohen Wirkungsgrades stellen permanenterregte Synchronmotoren das Gros moderner Hochleistungsmotoren dar. Eine häufige Bauform sind sogenannte Innenläufer: Ein mit Dauermagneten bestückter Rotor folgt einem angelegten magnetischen Wechselfeld, welches vom Stator erzeugt wird. Das Wechselfeld an den Polen des Stators wird wiederum von einem Wechselstrom durch die Wicklungen des Stators hervorgerufen.

In einem aus Massivmaterial ausgeführtem Stator würden extrem große Wirbelstromverluste entstehen, weswegen Blechpakete zum Einsatz kommen, bei denen die einzelnen Bandlagen elektrisch voneinander isoliert sind. An dieser Stelle haben die Werkstoffe und Technologien der Hanauer VAC ihren Auftritt: Die üblicherweise verwendeten Elektrobleche sind zwar sehr kostengünstig und allzeit verfügbar, die Magnetisierbarkeit ist jedoch deutlich limitiert.

Kobalt-Eisen-Legierungen bieten hier deutlich mehr: Während die Induktion der bekannten Elektroblech-Qualität M270-50A bei einer Feldstärke von 1000 A/m noch unter 1,5 T liegt, beträgt der entsprechende Wert von VACOFLUX 48 herausragende 2,2 T. Da die Kraftübertragung zwischen Stator und Rotor quadratisch mit der Induktion steigt, ist eine hohe Magnetisierbarkeit von entscheidender Bedeutung für die Leistungsdichte des Motors. Durch die Verwendung von Kobalt-Eisen-Werkstoffen können so entweder leistungsstärkere Motoren bei gleicher Baugröße oder kleinere Motoren bei gleicher Leistung realisiert werden.

Die Vorteile dieser Werkstoffklasse kommen seit langem bei Generatoren und Motoren in der Luftfahrtindustrie zum Einsatz. Die zunehmende Elektrifizierung in Flugzeugen durch die Substitution von hydraulischen Systemen sowie steigende Kerosinkosten erfordern möglichst leichte elektrische Komponenten. Leichtere Motoren haben ebenso Vorteile bei hochdynamischen Anwendungen, weshalb sich Kobalt-Eisen-Werkstoffe auch in der Automationstechnik wiederfinden.

In jüngerer Zeit werden Hochleistungs-Hybridsysteme zunehmend im Motorsport verwendet. So ist es nicht verwunderlich, dass innovative Nachwuchskräfte an Universitäten gleichfalls auf diese Technologien setzten, beispielsweise das AMZ Racing Team der ETH Zürich. Mit ihrem Boliden „julier“ belegen die Schweizer Studenten bei der Formula Student Electric derzeit Platz eins der Weltrangliste. Unter anderem auch aufgrund der Innovationen der Hanauer Werkstoffentwickler.“

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