DBU-Projekt: Elektromotoren ohne Seltene Erden

| Redakteur: Lilli Bähr

Kennzeichnend für die neue Motorbauart ist u.a. der Verzicht auf Permanentmagnete und damit auf seltene Erden – ein wesentlicher umweltrelevanter Vorteil.
Kennzeichnend für die neue Motorbauart ist u.a. der Verzicht auf Permanentmagnete und damit auf seltene Erden – ein wesentlicher umweltrelevanter Vorteil. (Bild: gemeinfrei / CC0)

In einem gemeinsamen Projekt will die DBU zusammen mit der Groschopp AG energieeffiziente und wirtschaftliche Alternativen zu aktuellen Elektromotoren entwickeln. Ziel sind selbstanlaufende Synchronreluktanzmotoren mit einer Leistung von bis zu 1,5 kW.

Die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) will in einem gemeinsamen Projekt mit der Groschopp AG eine Baureihe innovativer Elektromotoren für industrielle Anwendungen mit einer Leistung von bis zu 1,5 Kilowatt entwickeln.

Bei der angestrebten Lösung sollen im Vergleich zu permanenterregten Synchronmotoren etwa 25 % geringere Kosten anfallen. Außerdem soll auf Elektronik und auf Permanentmagnete verzichtet werden können und damit auf seltene Erden.

Effizientere Elektromotoren für den Klimaschutz

Der Betrieb von Elektromotoren verursacht weltweit etwa 40 % des Stromverbrauches und damit jährlich circa 6000 Millionen Tonnen Kohlenstoffdioxid-Emissionen (CO2-Emissionen), rund 20 % der gesamten weltweiten CO2-Emissionen. Durch die Entwicklung und das Anwenden effizienterer Elektromotoren kann somit ein bedeutender Beitrag zum Klimaschutz geleistet werden.

Den mit Abstand größten Marktanteil haben laut DBU Elektromotoren mit kleiner Leistung, die bei konstanten Drehzahlen arbeiten. Im gewerblichen und industriellen Umfeld werden diese Motoren klassisch zum Antrieb von Lüftern und Pumpen, in großer Zahl beispielsweise aber auch als Antriebe für Textil- und Druckmaschinen oder Laborzentrifugen, eingesetzt. Allein der Markt im Bereich der Textilmaschinen und Zentrifugenantriebe wird weltweit auf circa 220.000 Antriebe jährlich geschätzt.

Als Antrieb werden hier derzeit überwiegend preisgünstige und robuste Asynchronmotoren eingesetzt. Allerdings bieten diese Motoren einen vergleichsweise geringen Wirkungsgrad. Als Alternative kommen permanenterregte Synchronmotoren in Frage. Diese erreichen durch das Verwenden von auf seltenen Erden basierenden Permanentmagneten die höchsten Wirkungsgrade. Aufgrund ihrer vergleichsweise sehr hohen Kosten und betrieblichen Herausforderungen, wie der Gefahr der Entmagnetisierung oder der in der Regel kürzeren Haltbarkeit, sind solche Motoren im hier angedachten Leistungs- und Anwendungsbereich aber kaum verbreitet.

Alternative zu herkömmlichen E-Motoren

Im Rahmen des Projektes soll eine energieeffiziente und wirtschaftliche Alternative bereitgestellt werden. Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer innovativen Baureihe selbstanlaufender Synchronreluktanzmotoren mit einer Leistung von bis zu 1,5 kW für den industriellen Einsatz.

Kennzeichnend für diese Motorbauart ist neben dem Verzicht auf seltene Erden, dass auch sie mit einer konstanten Drehzahl läuft, aber das Drehmoment zum Antrieb des Rotors ‒ anders als bei üblichen Asynchronmotoren ‒ nicht durch sich abstoßende elektromagnetische Felder erzeugt wird (Lorentzkraft). Vielmehr wird hier der Effekt genutzt, dass ein magnetisches Feld stets versucht, den sogenannten magnetischen Widerstand im Bereich der von den Feldlinien durchflossenen Bauteile zu reduzieren. So wird eine Kraft auf den Rotor des Elektromotors ausgeübt (Reluktanzkraft) und dieser in Rotation versetzt.

Somit benötigen diese Synchronreluktanzmotoren keinen stromdurchflossenen Rotor, wie er bei Asynchronmotoren erforderlich ist. Das soll die elektrischen Verluste reduzieren und den Wirkungsgrad verbessern. Allerdings erfordern selbstanlaufende Synchronreluktanzmotoren ein aufwendiges Rotordesign, um optimale Wirkungsgrade zu gewährleisten. Hierfür sind laut DBU erst gegenwärtig die erforderlichen Rechnerkapazitäten verfügbar, weshalb in der Vergangenheit lediglich suboptimale, oft von Asynchronmotoren abgeleitete einfache Rotorbauweisen mit geringen Wirkungsgraden eingesetzt wurden. Das ist der Grund, warum selbstanlaufende Synchronreluktanzmotoren derzeit kaum am Markt vertreten sind.

Weniger elektrische Verluste, besserer Wirkungsgrad

Anhand der nunmehr verfügbaren Auslegungswerkzeuge besteht laut DBU die Perspektive, den Wirkungsgrad dieser Motoren und damit die Energieeffizienz deutlich zu steigern. Ziel ist, den Wirkungsgrad der zurzeit überwiegend eingesetzten Asynchronmotoren bei vergleichbaren Kosten und gleicher Baugröße um etwa 3 % zu übertreffen.

Damit würden gleichzeitig die Anforderungen an die höchste Wirkungsgradklasse IE4 für Elektromotoren in dieser Leistungsklasse erfüllt, was über die derzeit gesetzlich geforderte Effizienzklasse IE3 hinausgeht.

Die vermeintlich geringe Effizienzsteigerung gegenüber den Asynchronmotoren gewinnt angesichts der großen Zahl solcher Antriebe bei gleichzeitig langen Betriebsdauern ‒ oft mehrere 1.000 Stunden jährlich ‒ an Bedeutung.

Das Vorhaben umfasst das Entwickeln und Validieren der erforderlichen Berechnungs- und Simulationsmodelle. Dazu werden entwickelte Konstruktionsdetails, wie beispielsweise verschiedene Wicklungsarten, am Versuchsstand untersucht und bewertet. Die Ergebnisse werden dann abschließend auf Prototypen übertragen und messtechnisch untersucht.

Geringere Kosten und Verzicht auf seltene Erden

Die angedachte Lösung soll sich gegenüber den effizienteren permanenterregten Synchronmotoren durch etwa 25 % geringere Kosten abgrenzen. Gleichzeitig kann bei einem Synchronreluktanzmotor auf eine Elektronik verzichtet werden, da dieser Antrieb selbstständig am Netz bis zur seiner synchronen Drehzahl hochläuft. Weiter birgt der Synchronreluktanzmotor gegenüber dem permanenterregten Synchronmotor den wesentlichen umweltrelevanten Vorteil des vollständigen Verzichts auf Permanentmagnete. Das Herstellen solcher Magnete erfordert den Einsatz von seltenen Erden, deren Gewinnung mit erheblichen Umweltbeeinträchtigungen einhergeht. Auch das Recycling der Motoren mit Permanentmagneten gestaltet sich erheblich aufwändiger, um insbesondere die Magnetwerkstoffe zurückzugewinnen.

Dieser Beitrag stammt von unserem Partnerportal Elektrotechnik.

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