Seltene Erden in Antrieben: Es geht auch ohne
Unternehmen erarbeiten sich Strategien für eine sichere Versorgung mit seltenen Erden, seitdem die Preise 2011 durch die Decke gingen. Und warum nicht ganz darauf verzichten? Zum Beispiel mit dem Reluktanzmotor. Fünf Unternehmen entwickeln gemeinsam diesen Antrieb für Nebenaggregate im Automobil.
Mangan zählt zu den seltenen Erden.
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Die dramatische Preisentwicklung der seltenen Erden bis etwa Mitte 2011 um teilweise mehrere Tausend Prozent und das trotz gefallener Preise noch immer hohe Preisniveau veranlassen Hightechfirmen zunehmend, sich Strategien zur Rohstoffsicherung zu erarbeiten. Und nur eine Lösung ist nicht genug. Zu diesem Schluss kommt die aktuelle Seltenerdmetall-Studie „The Rare Earth Challenge“ von Roland Berger Strategy Consultants. „Die Unternehmen, egal ob klein oder groß, setzen in aller Regel auf einen Mix aus verschiedenen Strategien“, sagt Sebastian Durst, Projekt Manager bei Roland Berger.
Die möglichen Maßnahmen füllen gleich einen ganzen Katalog. Dazu zählen etwa der Aufbau alternativer Lieferquellen, alternative Materialien, die Weitergabe der Kosten an Kunden als variable Rohstoffpreiskomponente, und Kooperationen mit Partnerunternehmen.
Während die Preise für leichte seltene Erden wie Neodym eher stabil bleiben sollen, wird von den befragten Unternehmen besonders die Angebotssituation für Dysprosium als weiterhin kritisch eingeschätzt. Beides sind Rohstoffe für Permanentmagnete in Elektromotoren und Windturbinen. Forschungsaktivitäten, um das teure Dysprosium effektiver einzusetzen oder gar darauf zu verzichten, sind in vollem Gange.
Ganz ohne seltene Erden auskommen – dieses Ziel verfolgen derzeit die Unternehmen DriveXpert, Melexis, Magnetworld, Mahle Filtersysteme sowie die TU Ilmenau in dem Verbundprojekt Ferema (fewer rare-earth magnets oder weniger Seltene-Erden-Magnete). Innerhalb von zwei Jahren wollen die Projektpartner aus unterschiedlichen Fachgebieten – Mechatronik, Maschinenbau, Werkstofftechnik, Elektrotechnik und Mikroelektronik – einen integrierten geschalteten bürstenlosen Reluktanzantrieb entwickeln. Antriebe dieser Art nutzen das Prinzip des magnetischen Widerstands (Reluktanz) und kommen ohne Permanentmagnete aus. Der Rotor als Eisenkörper ist dabei bestrebt, sich im Stator nach dem geringsten magnetischen Widerstand auszurichten.
In dem Projekt geht es aber laut Veit Zöppig, Leiter Forschung und Entwicklung bei DriveXpert, nicht nur um den Motor: „Wir entwickeln zwar einen Motor zur Demonstration. Ziel ist es jedoch, eine Elektronikplattform und eine Fertigungstechnikplattform anzubieten, um damit verschiedene Aggregate mit dieser Motortechnik auslegen zu können.“ Im Fokus stehen dabei Nebenaggregate für Automobile – Lüfter, Pumpen und mechanische Verstelleinrichtungen mit Leistungen von 20 W bis 80 W.
Für alle Beteiligten ebenso wesentlich wie die Technik: Das geschaltete Reluktanz-Antriebssystem soll auf jeden Fall weniger kosten als ein vergleichbares mit Permanentmagneten. „Es geht darum, ein kostengünstigeres Design eines Antriebssystems für elektrische Nebenaggregate zu entwickeln, und zwar ohne seltene Erden. Das Ziel ist die Unabhängigkeit von der Preisentwicklung dieser Rohstoffe“, sagt Heiko Grimm, Projektmanager bei Melexis.
Die Projektpartner wollen die Geräuschentwicklung des Antriebes minimieren. Eine intelligente Ansteuerung des Motors und hohe Präzision in der Fertigung von Rotor und Stator sind dabei fachgebietsüberschreitend die zentralen Aspekte. Grimm ist sich dabei sicher: „Mit den aktuellen Halbleitertechnologien können integrierte Schaltkreise mit erforderlichen spezifischen Leistungsmerkmalen realisiert werden. Sie bilden die Basis für die erforderliche intelligente Ansteuerung von geschalteten Reluktanzmotoren und können mit vertretbaren Kosten in Automobil-Elektronikmodulen integriert werden.“
Melexis entwickelt für das Projekt Mikrocontroller für die intelligente Ansteuerung des Motors. Algorithmen für die Geräuschminimierung steuert die TU Ilmenau bei. DriveXpert implementiert die Algorithmen als Softwaremodule auf den Mikrocontrollern.
Die zweite zentrale Herausforderung: Präzision in der Fertigung von Rotor und Stator. Im Gegensatz zu bisherigen Reluktanzmotoren kommt in dem Projekt ein weichmagnetisches Material – SMC-Material (Soft Magnetic Components) oder Somaloy genannt – zum Einsatz „das Blechpakete ersetzen kann“, wie Minzhi Wu, Vorstand von Magnetworld, sagt. Das SMC-Material ist ein Eisenpulver, dessen Körner eine elektrisch isolierte Oberfläche aufweisen. Damit sind, anders als bei Blechpaketen, dreidimensionale magnetische Eigenschaften und somit dreidimensionale Endformen möglich. „Mit diesem speziellen Werkstoff ist der Reluktanzmotor in den kleinen Dimensionen der Nebenaggregate überhaupt erst möglich“, sagt Wu.
An die Zeiten des dramatischen Preisanstiegs der seltenen Erden erinnert er sich als „dynamisch, turbulent und mit viel Verhandeln verbunden“. Das Thema wird die Agenda vorerst nicht verlassen: „Viele Kunden fordern, dass manche Anwendungen neu überlegt werden müssen. Sie möchten weniger Seltene-Erden-Magnete einsetzen oder gar ohne diese Magnete auskommen“, beschreibt er die aktuelle Situation.
Mit dem geschalteten Reluktanz-Antriebssystem in Nebenaggregaten wäre eine Alternative ohne Seltene-Erden-Magnete geschaffen. Erste Ergebnisse stimmen die Projektpartner zuversichtlich einen ersten Prototyp des Reluktanzmotors erwarten sie in den kommenden Monaten. CARMEN KLINGLER-DEISEROTH
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