Wie Magnete ohne seltene Erden Elektroscooter und Pumpen antreiben
Dauermagnete in Elektromotoren verwandeln Strom in Bewegung, sei es bei Elektroscootern oder Wasserpumpen. Viele moderne Hochleistungsmagnete sind auf seltene Erden angewiesen, so dass die europäischen Herstellerbetriebe den mit dem Abbau und den langen Lieferketten verbundenen Versorgungsrisiken und Umweltauswirkungen ausgesetzt sind. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts PASSENGER(öffnet in neuem Fenster) wurden Dauermagnete ohne seltene Erden auf der Grundlage von Materialien, die in Europa eine breitere Verfügbarkeit aufweisen, entwickelt und pilotiert, und anschließend einer Leistungsprüfung in realen Anwendungen unterzogen. Das Ziel ist die Entwicklung praktischer Ersatzmagnete, die den Anforderungen möglichst vieler Produkte – auch wenn eine Neuausführung erforderlich ist – entsprechen.
Bewährte Magnete ohne seltene Erden für Elektroscooter und Wasserpumpen
Die verbesserten Ferritpulver von PASSENGER wurden im Bereich der Elektromobilität bewertet, wobei die neue Ausführung eines Elektroscooter-Motors den Anfang machte. Rodolfo Miranda, der Projektkoordinator von PASSENGER, sagt hierzu: „Im Fall des Elektroscooters unterscheidet sich die Motorausführung zwar von der eines herkömmlichen Nd-Fe-B-Motors, doch das neueste im Rahmen von PASSENGER entwickelte Ferritpulver (Ferrit P61) erreicht einen vergleichbaren Wirkungsgrad.“ Er merkt an, dass die verbleibende Lücke das Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen betrifft, bei denen Nd-Fe-B-Magnete noch von einer höheren magnetischen Flussdichte profitieren. Ein zweiter Demonstrator wurde vom Prototypen zum Standardprodukt überführt. Miranda erklärt hierzu: „Für Wasserpumpen haben wir den Ersatz von Nd-Fe-B-Magneten in einem kommerziellen Produkt (Para 15-130/4-20/SC | Wilo) erfolgreich demonstriert.“ Da Ferrit eine geringere magnetische Flussdichte als gebundenes Nd-Fe-B liefert, passte PASSENGER die Magnetabmessungen so an, dass größere Magnete die gleichen funktionalen Anforderungen in der Pumpe erfüllen konnten.
Die Produktion in etablierten europäischen Anlagen nach oben skalieren
Die Piloten des Projekts deckten wichtige Teile der Wertschöpfungskette ab, die von Pulvern bis hin zu gebundenen Magneten und Rotorprototypen reichten. Während der Arbeit produzierten die Partnerorganisationen 160 kg MnAlC und 4 Tonnen veredeltes Strontiumferrit, was die erste industrielle MnAlC-Produktion in Europa beinhaltete. Da die beteiligten Industrieunternehmen bestehende Produktionsanlagen betrieben, stellte die Herstellung von Pulvern und Compounds kein Hindernis dar. Der Fortschritt bestimmte sich vielmehr nach der anwendungsorientierten Erprobung und den erforderlichen Schritten vor der akzeptablen Überführung einer Komponente in ein Endprodukt, einschließlich der Homologation seitens der Kundschaft und der Integration in eine Motorausführung. PASSENGER befasste sich zudem mit praktischen Fragen zum Einsatz. Manche Vorhaben zur eingehenden Untersuchung der Entmagnetisierung bei kaltem Wetter konnten aufgrund technischer Schwierigkeiten nicht abgeschlossen werden, so dass die nachfolgenden Arbeiten vorrangig auf Anwendungen fokussiert sind, bei denen es auf die Leistung im Winter ankommt.
Umweltfreundlichere Lieferketten und praktische Recyclingwege
Die Ökobilanz von PASSENGER deutet darauf hin, dass der größte Nutzen für die Umwelt in der Lieferkette liegt. Davies merkt an: „Kurz gesagt, der größte Nutzen für die Umwelt ergibt sich daraus, dass der Abbau seltener Erden vermieden und eine kürzere Wertschöpfungskette in Europa geschaffen wird.“ Die Pläne für die Wiederverwertbarkeit wurden ebenfalls im Hinblick auf die Praktikabilität erstellt. Für gebundene Ferritmagnete können Altteile und Produktionsabfälle mechanisch zerkleinert und mittels Strangpressen wiederaufbereitet werden, während eine kontrollierte Zugabe von Neumaterial die Qualitätserhaltung gewährleistet. Bei gebundenen Magneten auf MnAlC-Basis gestaltet sich das Recycling weiterhin komplexer und macht weitere Optimierungen und Industrieinvestitionen erforderlich, um stabile Eigenschaften nach der Wiederaufbereitung zu erhalten. Nach dem Abschluss des Projekts wird der Weg zu alltagstauglichen Produkten über eine enge Zusammenarbeit mit den Motorenherstellungsbetrieben führen. In kleineren Hochleistungsmotoren sind Seltenerdmagnete nach wie vor kaum zu ersetzen. Daher sind die weiteren Schritte von PASSENGER auf die Neuausführung von Systemen mit Magneten ohne seltene Erden, die Ausweitung der Validierung in zusätzlichen Anwendungen und die Überführung von Pilotergebnissen in geeignete Komponenten für die innereuropäische Beschaffung ausgerichtet.