Elektromotoren Amorphe Eisenlegierung für reduzierte Motorverluste

Von Gerd Kucera

Eisenverluste im Motor will ein internationales Forscher-Team unter Saarbrücker Federführung drastisch reduzieren, indem statt herkömmlicher Eisenlegierungen ein metallisches Glas Verwendung findet. Und hierbei kommt auch der Fortschritt im 3D-Druck ins Spiel.

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(Bild: VCG)

Je kleiner die Motoren, desto größer sind die Effizienzverluste durch ein magnetisches Phänomen: die Eisenverluste. Um dieses Ziel zu erreichen, ist ein aktuelles Vorhaben als Forschungsprojekt mit drei Millionen Euro von der Europäischen Union gefördert.

„Suchen wir nach Möglichkeiten, Elektromotoren effizienter und umweltfreundlicher zu machen, schauen wir meistens auf die Seite der Batterie. Aber auch beim Elektromotor selbst lassen sich noch eine Menge Verluste reduzieren und somit die Effizienz des Antriebs steigern“, erklärt Ralf Busch. Der Professor für Metallische Werkstoffe an der Universität des Saarlandes gehört zu den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die sich nun gemeinsam mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie an die Erforschung einer Methode machen, mit der die Effizienz der Motoren gesteigert werden soll.

Prof. Ralf Busch: Er ist zuständig für Metallische Werkstoffe an der Universität des Saarlandes und einer der Wissenschaftler, die gemeinsam mit Partnern aus Forschung und Industrie eine neue Effizienz-Methode entwickeln.
Prof. Ralf Busch: Er ist zuständig für Metallische Werkstoffe an der Universität des Saarlandes und einer der Wissenschaftler, die gemeinsam mit Partnern aus Forschung und Industrie eine neue Effizienz-Methode entwickeln.
(Bild: Universität des Saarlandes)

Gelingen soll das über die Verringerung der Eisenverluste. Matthias Nienhaus, Professor für Antriebstechnik an der Universität des Saarlandes, erklärt dazu: „In einem Elektromotor wechselt bei der Energiewandlung viele Male in der Sekunde das Magnetfeld im Antrieb. Bei jedem einzelnen Magnetfeld-Wechsel kommt es zu Effizienzverlusten, die dann die Effizienz des Motors selbst verringern.“

Prof. Matthias Nienhaus: Er wird gemeinsam mit seinem Mitarbeiter Chris May künftig E-Motor-Prototypen aus amorphem Metall bauen.
Prof. Matthias Nienhaus: Er wird gemeinsam mit seinem Mitarbeiter Chris May künftig E-Motor-Prototypen aus amorphem Metall bauen.
(Bild: Universität des Saarlandes)

Das Problem dabei ist aber, dass für die Komponenten des Motors, die das Magnetfeld leiten, Eisen als grundlegendes Metall nötig ist. Allerdings weist Eisen verhältnismäßig hohe Effizienzverluste auf. Ralf Busch und seine Kollegin Isabella Gallino haben für dieses Problem einen Lösungsansatz im Sinn, der dank des Fortschritts im 3D-Druck möglich geworden ist: Busch: „Auch amorphe Eisenlegierungen sind weichmagnetisch, eignen sich also zum Ummagnetisieren wie eine Spule mit einem Kern aus einer herkömmlichen Eisenlegierung. Dabei fallen aber die Eisenverluste viel geringer aus.“

Metallische Gläser sind amorphe Metalle

Amorphe Metalle, auch Metallische Gläser genannt, sind Schmelzen, die in Sekundenbruchteilen abkühlen und dabei kein festes Kristallgitter bilden wie langsamer abkühlende Metallschmelzen. Dadurch verändern sie ihre Eigenschaften drastisch, obwohl sie hier wie da beispielsweise aus Eisen bestehen.

„Eine solche amorphe Eisenlegierung könnte, in einen Elektromotor eingebaut, die Eisenverluste dramatisch verringern. Das wäre ein Riesenschritt in die Zukunft“, erklärt Matthias Nienhaus, der gemeinsam mit seinem Mitarbeiter Chris May künftig E-Motor-Prototypen aus amorphem Metall bauen will.

Dr. Isabella Gallino: „Seit zwei Jahren etwa ist es möglich, dass man auch amorphe Metalle im 3D-Drucker verarbeiten kann.“
Dr. Isabella Gallino: „Seit zwei Jahren etwa ist es möglich, dass man auch amorphe Metalle im 3D-Drucker verarbeiten kann.“
(Bild: Universität des Saarlandes)

Hier kommt nun der Fortschritt im 3D-Druck ins Spiel: „Seit zwei Jahren etwa ist es möglich, dass man auch amorphe Metalle im 3D-Drucker verarbeiten kann“, erklärt Isabella Gallino. Amorphe Eisenlegierungen sind bislang im industriellen Maßstab nur als sehr dünne Bänder herstellbar. Ihre größte Anwendung besteht derzeit noch darin, dass sie in Diebstahlsicherungen von Kaufhausartikeln verbaut werden.

Neues additives Verfahren für den Rotor

„Wir könnten mit neuartigen Druckverfahren aber ein größeres Werkstück aus amorphem Eisen herstellen, das auch als Weichmagnet in Elektromotoren einsetzbar ist“, führt die Materialwissenschaftlerin aus. Isabella Gallino erklärt den ersten Schritt: „Es entsteht im 3D-Druck ein dünnes Band nach dem anderen, alle Einzelteile werden zu einem großen Teil zusammengefügt.“

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Gelingt dies, wären die Eisenverluste im Elektromotor auf einen Schlag drastisch niedriger als bisher. Natürlich bedarf es dazu einer Menge Know-how, denn ein solches Vorhaben gelingt nicht mit einem 3D-Drucker aus dem Elektronikmarkt. Zuerst müssen die Werkstoffwissenschaftler das amorphe Eisen so entwerfen, dass am Ende die gewünschten Eigenschaften herauskommen.

Isabella Gallino erklärt den nächsten Schritt. „Im Anschluss liefert unser Industriepartner Heraeus das spezielle Pulver für den 3D-Drucker, aus dem dann unsere Partner in Schweden und Spanien das amorphe Metall in einem speziellen Laser-Sinterverfahren dreidimensional erstellen. In Italien schließlich wird das fertige Werkstück auf seine magnetischen Eigenschaften hin untersucht. Dort sitzen die europaweit besten Spezialisten für diesen Arbeitsschritt.“

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In Saarbrücken entsteht der Prototyp

Nienhaus ergänzt: „Wenn das alles zusammenpasst, kommt das Werkstück schließlich wieder in Saarbrücken an, wo wir dann den Prototypen des Elektromotors bauen, der hoffentlich die entsprechend hohe Effizienz an den Tag legt.“

Ist das Forschungsprojekt erfolgreich, folgt nach vier Jahren grundlegender Forschung möglicherweise ein Technologietransfer, um ein marktreifes Produkt zu entwickeln. Zwar zielt der jetzige Ansatz vorrangig auf kleine Motoren ab. „Aber wer weiß, wo das hinführt“, sagt Busch, „vielleicht können wir dadurch mittelfristig auch dazu beitragen, die Reichweite von Elektroautos massiv zu erweitern“, sagt Ralf Busch.

Das Projekt AM2SoftMag: Additive Manufacturing of Amorphous Metals for Soft Magnetics wird im Rahmen des EU-Pathfinder-Programms gefördert. Die Förderung beläuft sich auf insgesamt rund 3 Mio. €. Davon fließen knapp 900.000 € an die Universität des Saarlandes, der Rest an die Projektpartner Fundation IMDEA Materials (Spanien), Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica-INRIM (Italien), EXMET AB (Schweden), Heraeus AMLOY Technology (Deutschland).

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