Seltene-Erden-freie Elektromotoren für eine nachhaltige Zukunft

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Was sind Seltene Erden?

Die Seltenen Erden stammen aus dem Periodensystem. Sie sind eine Gruppe von 17 metallischen Elementen, darunter die 15 Lanthanide sowie Scandium und Yttrium. Trotz ihres Namens, sind diese Elemente nicht wirklich selten im Überfluss vorhanden, aber sie sind selten in konzentrierten und wirtschaftlich nutzbaren Vorkommen zu finden.

Obwohl sie als Seltene Erden bezeichnet werden, sind diese Materialien in der Erdkruste nicht wirklich selten. Was macht sie „selten“ ist die Schwierigkeit der abzubauen, zu trennen und in brauchbare Formen zu bringen. Der Gewinnungsprozess ist komplex, energieintensiv und umweltbelastend. In den letzten Jahrzehnten hat China diese Veredelungskapazitäten beherrscht und ausgebaut, so dass es heute mehr als 70 % der weltweiten Seltene-Erden-Produktion und fast alle Verarbeitungskapazitäten beherrscht. Diese Vormachtstellung hat China einen erheblichen Einfluss auf die Preisgestaltung und die Versorgungsstabilität verschafft und damit eine strategische Position geschaffen. Monopol das sich weltweit auf Branchen wie Elektrofahrzeuge, Windkraftanlagen und Unterhaltungselektronik auswirkt.

Quelle: U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, Januar 2024

Warum sind Seltene-Erden-Materialien wichtig?

Die meisten modernen Elektromotoren, die einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe Leistungsdichte anstreben, verwenden Seltenerdmagnete aufgrund ihrer außergewöhnlichen magnetischen Stärke. Allerdings sind die jüngsten geopolitische Spannungen und Politikveränderungen zwischen den Nationen haben eine kritische Schwachstelle offenbart: hohe Leistung bedeutet wenig, wenn die Lieferkette zusammenbricht. Die Abhängigkeit von Seltene-Erden-Materialien birgt nicht nur das Risiko von Produktionsverzögerungen, sondern kann auch die Kosten in die Höhe treiben, da sich die Hersteller bemühen müssen, die Lieferketten neu zu gestalten oder alternative Magnete zu beschaffen, die eine vergleichbare Leistung erbringen.

Quelle: U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, Januar 2024 / Eggert, R., Wadia, C., Anderson, C., Bauer, D., Fields, F., Meinert, L., & Taylor, P. (2016). Seltene Erden: Marktstörung, Innovation und globale Lieferketten. Annual Review of Environment and Resources, 41(1), 199-222.

Die Preise für zwei kritische Seltene-Erden-Materialien – Neodym und Dysprosium – sind aufgrund der starken Nachfrage nach Dysprosium zunehmend flüchtig geworden. monopolisierten Lieferkette. Nach den jüngsten Entwicklungen ist klar, dass diese Instabilität es den Herstellern erschwert, die Gewinnspanne für jeden produzierten Elektromotor vorherzusagen. Eine solche Ungewissheit kann schwerwiegende finanzielle Folgen haben, insbesondere für Unternehmen, die jeden Monat Motoren in großen Mengen produzieren.

Was ist also die Lösung?

Es ist klar, dass wir entweder Magnete ohne Seltene Erden verwenden oder Magnete ganz aus unseren Motorkonstruktionen entfernen müssen. In diesem Abschnitt werden wir untersuchen, wie wir alternative Elektromotoren entwerfen können, die nicht auf Seltene Erden angewiesen sind.

Bevor wir uns mit diesen Konstruktionen befassen, ist es wichtig, die grundlegenden Prinzipien von Elektromotoren zu verstehen, denn die Lösung dieser Aufgabe beginnt mit dem Verständnis, woher das Drehmoment eigentlich kommt. In einem Synchron-Elektromotor gibt es zwei Hauptquellen für das Drehmoment: gegenseitiges (magnetisches) Drehmoment und Reluktanzmoment.

1. Gegenseitiges Drehmoment

Das Herzstück eines jeden Elektromotors ist das rotierende elektromagnetische Feld das im Stator erzeugt wird. Der laminierte Stahlkern des Stators und die organisierten Kupferwicklungen werden durch eine Spannungs- oder Stromquelle erregt und erzeugen dieses Feld.

Wenn die Versorgung DCWie im linken Bild gezeigt, wird mit diesem Aufbau ein 4-poliges stationäres elektromagnetisches Feld erzeugt. Durch magnetische Dipolwechselwirkungkönnen sich die Dauermagneten auf dem Rotor auf dieses Feld ausrichten oder „einrasten“ – es findet jedoch keine kontinuierliche Drehung statt, da sowohl das Feld als auch die Magnete in festen Positionen bleiben.

Wenn die Versorgung von DC zu AC (entweder vom Netz oder von einem dreiphasigen Wechselrichter), beginnt das elektromagnetische Feld zu zu rotieren. Durch die Anbringung von Magneten auf dem Rotor mit der gleichen Polzahl wie der Stator (z. B. vier Pole, wie in der Animation gezeigt), kann das Magnetfeld auf dem Rotor synchronisieren. mit dem Drehfeld des Stators – und diese Wechselwirkung erzeugt Drehmoment.

In der heutigen Elektromotorentechnik, Neodym-Eisen-Bor-Magnete (NdFeB), die Seltene Erden enthalten, werden häufig verwendet, um ein hohes Drehmoment und eine hohe Leistungsdichte zu erreichen.

Nehmen wir ein Referenzdesign, um die Leistung dieser Magnete in einem Elektromotor zu bewerten. A vierpoliger, 1,2 kW PMSM wurde für diese Studie entwickelt. Mit diesen Magneten erzeugt die magnetische Wechselwirkung etwa 11,18 Nm Drehmoment bei 3000 U/min für den entworfenen Motor.

Wir wollen die Seltene-Erden-Magnete loswerden. Mehrere alternative Magnettypen enthalten keine Seltenen Erden, wie z. B. Ferrit, Aluminium-Nickel-Kobalt (AlNiCo)und samariumfreie Verbundmagnete. Diese Optionen sind erschwinglicher und leichter zu beschaffen, aber ihre magnetische Stärke ist deutlich schwächer im Vergleich zu Neodym oder auf Dysprosium-Basis Magneten. Daher können sie allein nicht die gleiche Leistung erbringen magnetische Flussdichte oder Drehmomentwerte in einem Elektromotor.

Warum können Magnete ohne Seltene Erden nicht die gleiche Leistung erbringen?

Bei der Betrachtung der Drehmomentgleichung eines Elektromotors fallen zwei Schlüsselfaktoren auf: die Kraftflusskopplung die von den Rotormagneten und dem Strom in den Statorwicklungen. Wenn diese mit der Anzahl der Pole und anderen Konstanten multipliziert werden, bestimmen sie das Drehmoment. Bei festem Strom und fester Motorkonstruktion beeinflusst nur die Flussverkettung des Magneten direkt die Drehmomentkomponente.

Die Flussverkettung stellt den gesamten magnetischen Fluss dar, der durch die Statorwicklungen fließt, und ist direkt proportional zum Magnetstärke des Rotormaterials, oft beschrieben durch seine Remanenz. Ein höherer Remanenzwert bedeutet ein stärkeres Magnetfeld und damit eine stärkere Flussverknüpfung, was zu einer höheren Drehmomenterzeugung führt.

Eine der häufigsten Seltenerdmagnetsorten, NdFeB N30, hat eine Remanenz von etwa 1,125 T bei einer Magnetfeldstärke von Null. Die resultierende Flussverknüpfung hängt von der Größe und der Position des Magneten ab.

Betrachten wir nun einen identischen Aufbau mit einem seltenerdfreien Ferritmagneten, wie zum Beispiel Y33H, die eine Remanenz von 0,43 T. Theoretisch würde dies bedeuten, dass das abgegebene Drehmoment ungefähr 2,6-mal niedriger für den Ferritmagneten. In der Praxis kann dieser Unterschied jedoch geringer sein, da Entmagnetisierungseffekte aus dem Magnetfeld des Stators. Ferritmagnete sind im Allgemeinen anfälliger für Entmagnetisierung als NdFeB-Magnete, so dass das tatsächliche Drehmomentverhältnis voraussichtlich bei niedriger als 2,6.

Wenn wir denselben Motor mit Y33H-Magneten simulieren, stellen wir fest, dass die Ferritversion ein durchschnittliches Drehmoment von 5,68 Nm, was etwa halb so hoch ist wie bei der NdFeB-Version.

Diese Analyse zeigt also, dass der einfache Austausch von NdFeB-Magneten durch Ferritmagnete das Leistungsproblem nicht löst. Deshalb müssen wir die Vorteile der zweite Drehmomentkomponente:

Reluktanz-Drehmoment

Die meisten Menschen sind diesem Phänomen schon einmal begegnet: Wenn man eine kleine Eisennadel aufhängt und einen Magneten um sie herum bewegt, neigt die Nadel dazu, sich auf den Magneten auszurichten. Dies geschieht, weil die Nadel auf natürliche Weise die Weg der geringsten magnetischen Reluktanz zwischen dem Eisenkern und dem Magnetfeld, wodurch eine Kraft auf die Nadel ausgeübt wird. Dieser Effekt ist bekannt als Reluktanzmomentund seine Größe hängt ab von der Differenz der magnetischen Reluktanz zwischen der direkt (d) und Quadratur (q) Achsen einer Struktur. Für einen Elektromotor:

Hier folgen zwei nebeneinander liegende Eisennadeln dem rotierenden elektromagnetischen Feld im Stator, was zu ungefähr 3 Nm Reluktanzmoment. Wie aus der Simulation hervorgeht, ist dieses Drehmoment jedoch relativ gering und verrauscht aufgrund der aktuellen Rotorform. Um zu erreichen höheres Drehmoment und geringeres Rauschenmuss die Rotorgeometrie neu gestaltet werden, um einen optimierten magnetischen Pfad zu schaffen.

Zu Verringerung der Drehmomentwelligkeit und erhöhen die Drehmomentabgabe von demselben Motor, Flussmittelbarrieren-auch bekannt als Lufteinschlüsse-in den Rotor eingeführt werden.

Diese Lufteinschlüsse erzeugen eine magnetische Reluktanzdifferenz zwischen der d-Achse und q-Achse. Theoretisch ist es möglich, dass mehr oder größer Lufteinschlüsse erhöhen das Reluktanzmoment, denn je größer die Differenz der magnetischen Reluktanz zwischen den beiden Achsen ist, desto höher ist der Drehmomentbeitrag. Mehr Flussbarrieren können jedoch zu engen Fertigungstoleranzen zwischen den Barrieren und dem äußeren Rand des Rotors führen.

Mit diesem neuen Rotorkonstruktionarbeitet der Motor mit geringerem Drehmomentgeräusch und liefert etwa 20% mehr Drehmoment.

Die nächste Frage ist nun: warum nicht beide Drehmomentkomponenten kombinieren um eine noch höhere Leistung zu erzielen? Durch die Platzierung von rechteckige Ferritmagnete innerhalb der Flussbarrieren können wir eine so genannte Ferrit-unterstützter Synchron-Reluktanzmotor (Fas-SynRM)-eine Konstruktion, die die Stärken der Reluktanz und des Magnetmoments vereint.

Mit dieser Konfiguration erzeugt der FaSynRM ein durchschnittliches Drehmoment von 7,8 Nm. Allerdings gibt es noch eine 3,38 Nm Lücke gegenüber der NdFe-Konstruktion. Diese Lücke stellt den größten Engpass für die Industrie dar, da diese Magnete immer noch nicht die gleiche Leistung wie NdFe-Designs erreichen können.

An diesem Punkt wird eine Optimierung unumgänglich. Verwendung von Ansys optiSLangkönnen wir die Rotorgeometrie verfeinern, um Folgendes zu erreichen 11,18 Nm des Drehmoments ohne Änderung des Stators. In der Praxis können die Benutzer einfach ihre bestehenden NdFe-Rotoren mit optimierten seltenerdfreien Rotoren zu kombinieren und die gleiche Leistung beizubehalten.

Wie funktioniert Ansys Motoren ohne Seltene Erden optimieren, um die gleiche Leistung wie NdFe-Magnete zu erreichen?

Diese Motoren müssen sorgfältig optimiert werden, um ihr maximales Leistungspotenzial zu erreichen. Jeder Aspekt der Motorgeometrie, von der Magnetgröße bis hin zu den kleinsten Dickenabweichungen des Rotors, muss genau ausgewählt werden. Durch die Feinabstimmung dieser Details können sowohl die Reluktanzmoment und das magnetisches Drehmoment können optimal genutzt werden, so dass der Motor den höchstmöglichen Wirkungsgrad und die höchstmögliche Leistung erbringt, ohne auf seltene Erden angewiesen zu sein.

Bislang wurden die Ergebnisse und Simulationen in Ansys Maxwell, ein universelles, hochrealistisches elektromagnetisches Simulationswerkzeug. Ansys bietet jedoch auch ein spezielleres Werkzeug für die Analyse von Elektromotoren an, nämlich Motor-CAD. Motor-CAD bietet Vorlage-basierte FEA-Löser die auf verschiedene Typen von Elektromotoren zugeschnitten sind. Gekoppelt mit optiSLangMit seinen benutzerfreundlichen Optimierungsschnittstellen ist es eine ideale Lösung für die Optimierung der Fas-SynRM zur Erreichung eines Zielmoments von 11,18 Nm.

OptiSLang führt aus mehrere Iterationen in Motor-CAD, sammelt die Ergebnisse und erstellt eine Optimierungsworkflow usingen seine internen Algorithmen. Basierend auf diesen Datensätzen generiert das Tool eine optimierten Elektromotorentwurf die das vorgegebene Leistungsziel erfüllt – in diesem Fall, 11,18 Nm bei 3000 U/min.

Quelle: Ansys

Nach der Optimierung der FaSynRM Entwurf in optiSLang durch mehr als 500 FEA-Simulationen und 10.000 analytische Iterationenwurde der Motor so verfeinert, dass er mindestens 11,18 Nm Drehmoment bei 3000 U/min.

Derselbe Optimierungsablauf kann auch angewendet werden auf Effizienz zu maximieren oder Drehmomentwelligkeit reduzieren. In dieser Studie wird nur das Drehmoment bei 3000 U/min wurde optimiert, um das gleiche Leistungsniveau zu erreichen wie der NdFe-Ausführung.

Was wäre, wenn die Magnete ganz aus dem Entwurf entfernt würden?

Bei magnetfreien Motortypen sind die Möglichkeiten, die gleiche Drehmomentdichte wie bei NdFeB-Konstruktionen zu erreichen, begrenzt. Die beiden wichtigsten Kandidaten sind Elektrisch erregte Synchronmotoren (EESM) und Induktionsmotoren (IM). In diesem Blog werden wir uns auf die EESM um das Wachstumspotenzial dieses Motortyps hervorzuheben.

Obwohl Induktionsmotoren relativ kostengünstig sind und auf eine lange Geschichte ausgereifter Fertigung zurückblicken, können sie den Rotor einer NdFe-Konstruktion nicht direkt ersetzen, ohne die Außendurchmesser oder axiale Länge des Motors. Diese Einschränkung ergibt sich, weil ein Induktionsmotor auf die Lorentz-Kraft um ein Drehmoment zu erzeugen, und dieses Drehmoment reicht im Allgemeinen nicht aus, um die gleiche Drehmoment und Leistungsdichte als Synchronmotoren. (N. Hashemnia und B. Asaei, „Comparative study of using different electric motors in the electric vehicles,“ 18. internationale Konferenz über elektrische Maschinen 2008, Vilamoura, Portugal, 2008, S. 1-5, doi: 10.1109/ICELMACH.2008.4800157.)

Der EESM funktioniert ähnlich wie der PMSM. Der Hauptunterschied besteht darin, dass bei der EESM das Magnetfeld im Rotor durch eine externe Erregungsquelle erzeugt wird, die ein Ausrichtmoment mit dem rotierenden Magnetfeld des Stators erzeugt. Für diesen Vergleich werden die Statorabmessungen konstant gehalten, um das Ziel einer direkter Austausch des Rotors zwischen den Motortypen.

Bei einem EESM wird das elektromagnetische Feld mit Hilfe eines Bürsten- und Schleifringpaar die auf der Welle montiert sind und die Stromzufuhr zum Wicklungsspulen um die Pole des Rotors. Die Rotortopologie in einem EESM unterscheidet sich deutlich von der eines PMSM, da sie Folgendes umfassen muss Schlitze für die Aufnahme der gewickelten Spulen. Zwei kritische Designfaktoren sind die Anzahl der Windungen die unter Einhaltung der Fertigungstoleranzen in die Rotorschlitze passen, und die maximale Stromstärke der diesen Spulen zugeführt werden kann, ohne dass der Motor überhitzt oder beschädigt wird.

Durch die Verwendung von Motor-CAD-Softwarekann dieser Motortyp leicht entworfen und für Versuchsaufbauten vorbereitet werden. Das Tool enthält einzigartige Funktionen, die dem Benutzer helfen Rotorspulen-Designs schneller und effizienter.

Darüber hinaus wird mit seinem eingebauten FEA-Löserkann jede Wicklung sowohl im Stator als auch im Rotor mit verschiedenen Kühlmethoden wie Luftgebläse, Wassermantel oder Ölkühlung. Dies ermöglicht die Bewertung und Verfeinerung des Designs, um es wettbewerbsfähig zu machen mit NdFe-PMSM Systeme.

Der Hauptunterschied zwischen einem EESM und eine PMSM ist das Vorhandensein von Bürsten und Ringe in der EESM. Diese Komponenten übertragen den Gleichstrom durch den physischen Kontakt zwischen den Bürsten und Ringen auf die Rotorwicklungen. Zwei Ringe – ein positiver und ein negativer – sind auf der Welle montiert, während zwei Bürsten (und in manchen Fällen mehr, um die Zuverlässigkeit zu verbessern) mit ihnen in Kontakt stehen. Obwohl die Bürsten so konstruiert sind, dass sie die Reibung minimieren und einen reibungslosen Kontakt gewährleisten, und Materialien wie Kohlenstoff verwendet werden, um die Haltbarkeit zu erhöhen, müssen diese Teile dennoch regelmäßig gewartet werden. In der Regel ist eine Wartung alle zehn Jahre erforderlich, bei neueren Bürstenzusammensetzungen sogar bis zu zwanzig Jahre, aber es handelt sich immer noch um Komponenten, die mit der Zeit verschleißen.

Quelle: MunirAcademy

Um diese Einschränkung zu überwinden, ermöglichen neue Technologien nun bürstenlose DC-Erregung der Rotorwicklungen (H. Chen, J. Tang, Y. Liu, B. Jiang und L. Boscaglia, „Electromagnetic Performance Investigation of a Brushless Electrically Excited Synchronous Machine for Long-Distance Heavy-Duty Electric Vehicles,“ in IEEE Transactions on Transportation Electrification, Bd. 11, Nr. 1, S. 225-235, Feb. 2025). Dieser Ansatz vereinfacht die Herstellung und verbessert die Zuverlässigkeit, obwohl er noch weiter entwickelt werden muss, bevor er für die Großproduktion und den Langzeitbetrieb eingesetzt werden kann. Je nach Anwendung können moderne Bürsten- und Ringsysteme mit verlängerter Lebensdauer immer noch die praktischere Option sein, wenn sie mit einer angemessenen Optimierung zur Erhaltung der Motoreffizienz kombiniert werden.

Kostenvergleich

Da für alle drei Konstruktionen die gleichen Stator-, Stahl- und Wicklungsmaterialien verwendet werden, bleiben die Kosten identisch. Obwohl die Rotorabmessungen gleich sind, führen kleine Abweichungen in der Geometrie zu leichten Unterschieden in den Kosten. Kosten des Rotorblechs.

Stand heute, N30-Magnete kosten etwa 60 USD pro Kilogramm, während Y33-Ferrit-Magnete Kosten über 1 USD pro Kilogramm-das macht sie ungefähr 60 Mal billiger. Auch wenn die FaSynRM Design ein größeres Magnetvolumen verwendet, bleiben die Gesamtkosten des Magneten weit unter denen des NdFe-Designs. Bei EESM wird AWG 16 für die Rotorwicklung verwendet. Der Preis liegt bei etwa 16 USD pro Kilogramm.

Wenn wir die aktiven Materialkostenstellen wir fest, dass die NdFe-Magnete einen Beitrag von etwa 30 Prozent des Gesamtpreises eines PMSM. Im Gegensatz dazu kosten die Ferritmagnete nur 0,64 USD, womit sich der Gesamtbetrag Kosten des FaSynRM-Motors auf etwa 68,19 USDdas ist 33 Prozent billiger als die NdFe-Ausführung. Die EESMist aufgrund seiner zusätzlichen Rotorwicklungen etwas teurer als der FaSynRM, aber immer noch etwa 20 Prozent günstiger als der NdFe-Motor.

Diese Kostenanalyse zeigt, dass diese alternativen Designs nicht nur die Probleme der Lieferkette im Zusammenhang mit Seltenerdmagneten lösen, sondern auch die Produktionskosten erheblich senkenund machen sie damit weitaus attraktiver budgetfreundlich für die Massenproduktion. All diese Verbesserungen werden einfach erreicht durch den Austausch des Rotors eines bestehenden Motors durch einen Seltene-Erden-freie Konstruktion mit der richtigen Optimierung.

Schlussfolgerung

Aus den oben diskutierten Simulationen und Entwürfen geht hervor, dass NdFe-Magnete können entweder ersetzt werden durch Ferritmagnete oder vollständig entfernt durch Verwendung von gewickelte Spulen auf dem Rotor. Um dies zu erreichen, bedarf es jedoch eines sorgfältigen und umfangreichen Optimierungsprozesses, um das volle Leistungspotenzial zu erreichen. Genau dabei können wir Sie unterstützen – indem wir Sie durch diesen Prozess begleiten und Ihnen helfen die Kosten für Prototypen und Serienfertigung zu senken.

Wenn Sie erwägen, Ihren Seltenerdmotor zu ersetzen – sei es aus Elektrofahrzeuge, Pumpen, Ventilatoren oder industrielle Anwendungen – können Sie sich gerne an uns wenden. Wir können Ihnen ein vollständig optimierten elektromagnetischen, thermischen und mechanischen Entwurf die auf Ihre Anforderungen zugeschnitten sind und einen nahtlosen Übergang von Ihrem bestehenden Motor gewährleisten. Auf diese Weise können Sie die Kosten pro Motor senken und erreichen gleichzeitig höhere Effizienz und Leistung.

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