IDTechEx Diskutiert 4 Wege Zur Eliminierung Von Seltenen Erden In EV-Motoren Und Einen, Von Dem Sie Noch Nichts Gehört Haben

Die Verwendung von Seltenen 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. Im Jahr 2022 werden 82 % des Marktes für Elektroautos Elektromotoren verwenden, die auf Dauermagneten aus Seltenen Erden basieren. 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 angewandt werden können, um auf die Verwendung von Seltenen Erden in Elektromotoren zu verzichten, die in diesem Artikel zusammen mit den Vor- und Nachteilen und der Einführung beschrieben werden.

 

Dieser Artikel basiert auf dem aktuellen IDTechEx-Bericht "Elektromotoren für Elektrofahrzeuge 2024-2034", der verschiedene Motorentechnologien im Hinblick auf Leistung, Materialien, Marktakzeptanz und Zukunftspotenzial analysiert.

 

Um den Aufbau eines Elektromotors kurz zu beschreiben: Der stationäre Teil (Stator) besteht aus Metallspulen (in der Regel Kupfer), die mit elektrischem Strom versorgt werden, um ein Magnetfeld zu erzeugen. Dieses Feld treibt dann den rotierenden Teil des Motors (Rotor) an. Bei einem Motor mit Seltenerd-Permanentmagneten (PM) befinden sich die Magnete auf dem Rotor.

 

 

In einem Induktionsmotor (oder Asynchronmotor) induziert das vom Stator erzeugte rotierende Magnetfeld Ströme auf dem Rotor, der wiederum ein Magnetfeld erzeugt, das vom radialen Feld der Statorwicklungen angezogen bzw. abgestoßen wird. Der Induktionsmotor verwendet Kupfer- oder Aluminiumstäbe oder -wicklungen auf dem Rotor. Diese Motoren weisen in der Regel eine gute Spitzenleistung und Drehmomentdichte über kurze Zeiträume auf, können jedoch thermisch schwierig zu handhaben sein und haben in der Regel einen geringeren Wirkungsgrad als PM-Optionen.

 

Induktionsmotoren sind auf dem Markt für Elektrofahrzeuge weit verbreitet und waren die erste Wahl von Tesla bis zur Einführung des Model 3 (das ein PM-Design verwendet). Auf dem Automarkt gibt es nach wie vor einige Befürworter, wie Audi und Mercedes, aber Induktionsmotoren werden jetzt größtenteils als Sekundärmotoren verwendet, die zur Beschleunigung eingesetzt werden, da sie keinen Luftwiderstand erzeugen, wenn sie nicht in Gebrauch sind, wodurch die Notwendigkeit eines Entkopplers entfällt.

 

 

Der auch als fremderregter Synchronmotor (EESM) bezeichnete Wickelrotor-Synchronmotor (WRSM) ersetzt die Magnete auf dem Rotor durch Spulenwicklungen, die mit einem 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 Fertigungsschritte, die erforderlich sind, um den Rotor mit Wicklungen zu versehen, und die Bürsten, die für die Stromübertragung auf den Rotor benötigt werden. Diese Motoren hatten in der Vergangenheit auch eine geringere Leistungs- und Drehmomentdichte, aber moderne Versionen sind mit PM-Motoren vergleichbar.

 

Renault war ein früher Befürworter dieser Technologie in der Zoe, aber jetzt haben BMW und Nissan dieses Design übernommen, und Tier 1 MAHLE hat eine Version mit kabelloser Energieübertragung auf den Rotor vorgestellt, wodurch die Bürsten entfallen.

 

 

Geschaltete Reluktanzmotoren (SRM) sind potenziell am einfachsten zu konstruieren, wobei der Rotor größtenteils aus Stahl besteht. Der Stahl des Rotors hat im Vergleich zur ihn umgebenden Luft eine geringe Reluktanz, so dass der magnetische Fluss bevorzugt durch den Stahl fließt, während er versucht, seinen Flussweg zu verkürzen und den Rotor zu drehen. Trotz ihrer Einfachheit und Zuverlässigkeit haben SRMs in der Regel mit einer geringeren Leistungs- und Drehmomentdichte und anderen Problemen zu kämpfen, einschließlich Drehmomentwelligkeit und akustischem Lärm.

 

Während SRMs bisher weitgehend auf industrielle oder schwere Anwendungen 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 traditionelle Probleme zu überwinden. Das britische Unternehmen Advanced Electric Machines hat einen neuen Motortyp mit einem segmentierten Rotor entwickelt, der zwar einfach aufgebaut ist, aber die Geräuschentwicklung und die Drehmomentwelligkeit beseitigt und gleichzeitig die Leistungs- und Drehmomentdichte verbessert.

 

 

Während viele Erstausrüster den Gehalt an Seltenen Erden in ihren Motoren stetig reduziert haben, hat Tesla mit der Ankündigung, dass sein Antriebssystem der nächsten Generation ein PM-Motor ohne Seltene Erden sein wird, großes Interesse geweckt. Es gibt mehrere laufende Projekte zur Entwicklung von Magneten ohne Seltene Erden, die in Bezug auf die magnetische Leistung konkurrenzfähig sind; diese befinden sich auf unterschiedlichen Stufen der Kommerzialisierung.

 

Das Problem bei alternativen Magnetmaterialien ist, dass ihre magnetische Leistung im Allgemeinen viel schlechter ist. Einige Hersteller, die Motoren mit Seltenen Erden und Ferritmagneten herstellen, weisen beispielsweise eine Leistungsreduzierung von 50-70 % für die Ferritversion des gleich großen Motors auf, was bedeutet, dass zur Erreichung der gleichen Leistung viel mehr Magnetmaterial und/oder ein viel größerer Motor erforderlich ist.

 

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 magnetisches Material, um die Leistungsdichte des Motors beizubehalten. Niron Magnetics entwickelt Magnete aus Eisennitrid, und die nächste Generation soll mit der Leistung von Neodym konkurrieren. PASSENGER ist ein europäisches Projekt zur Entwicklung von Strontiumferrit und Mangan-Aluminium-Kohlenstoff-Legierungen. Auch wenn diese Bemühungen im Gange sind, sind Materialien mit einer wirklich vergleichbaren Leistung noch in weiter Ferne, aber mit anderen Änderungen an der Motorenkonstruktion ist dies vielleicht gar nicht nötig.

 

 

Die Verwendung von Ferritmagneten würde zwar die Motorleistung erheblich verringern, doch durch die Optimierung vieler anderer Motoreigenschaften könnten diese Auswirkungen minimiert werden. Das australische Technologieunternehmen Ultimate Transmissions hat ein Patent für ein Ferrit-Motordesign eingereicht, von dem es glaubt, dass es 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 unterzubringen. Eine mögliche Lösung wäre die Verwendung einer Kohlefaserumhüllung für den Rotor (eine Technologie, die Tesla bereits in seinen Plaid-Fahrzeugen demonstriert hat). Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass die Ferritmagnete für einen optimalen Betrieb erwärmt werden müssen, was bei Neodym-Magneten nicht der Fall ist, aber durchaus machbar ist.

 

Es ist anzumerken, dass sich dieser Entwurf noch in der Simulationsphase befindet und Tesla durchaus einen anderen Ansatz verfolgen könnte, z. B. seine eigenen alternativen Magnetmaterialien. In Simulationen hat dieser Ansatz jedoch eine ähnliche Leistung, geringere Kosten und ein geringeres Gewicht auf Kosten eines etwas geringeren Drehmoments und eines längeren Stapels gezeigt.

 

 

 

Vor allem außerhalb Chinas wird immer mehr Wert darauf gelegt, den Gehalt an seltenen Erden in Elektromotoren zu verringern. Es gibt mehrere Strategien, jede mit ihren eigenen Kompromissen und Chancen für Motorenhersteller und Materiallieferanten. IDTechEx prognostiziert, dass PM-Motoren mit Seltenen Erden die vorherrschende Technologie bleiben werden, vor allem dank Chinas Dominanz auf dem Markt für Elektrofahrzeuge und anderer Minen, die weltweit in Betrieb genommen werden. IDTechEx geht jedoch davon aus, dass freie Optionen für Seltene Erden, einschließlich der oben genannten, im Jahr 2034 fast 30 % des Marktes ausmachen werden.

 

IDTechEx's neueste Ausgabe von "Elektromotoren für Elektrofahrzeuge 2024-2034" befasst sich eingehend mit Motorentechnologie, Marktakzeptanz, Materialverwendung und Marktprognosen. Die Studie stützt sich auf eine umfangreiche Datenbank von Fahrzeugen und Motoren in verschiedenen Fahrzeugsegmenten, darunter Pkw, Busse, Lkw, Transporter, Zweiräder, Dreiräder, Kleinstwagen und Flugzeuge.

 

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