Astemo plant Synchronreluktanzmotor für 2030

Sogenannte Permanentmagnet-Motoren oder permanenterregte Synchronmotoren sind heute quasi der Standard in Elektroautos: Diese Motorbauweise, oft als PSM abgekürzt, bietet eine hohe Leistungsdichte, was die Antriebe kleiner und leichter macht. Zudem sind sie auch recht effizient, was den Verbrauch senkt und die Reichweite erhöht. Der Nachteil: Um die im Rotor verbauten Permanentmagnete temperaturstabil zu machen und das Magnetfeld zu verstärken, werden meist seltene Erden wie etwa Neodym genutzt. Das macht diese Motoren etwas teurer und die Hersteller sind bei den Lieferketten von einigen wenigen Ländern abhängig – vor allem China, das bei seltenen Erden eine mächtige Position inne hat.

Die Permanentmagnete zu ersetzen, ist daher der Ansatz zahlreicher Konzepte. BMW setzt bei seinen fremderregten Synchronmotoren (EESM) etwa auf einen weiteren Elektromagneten im Rotor (neben dem Elektromagnet im Stator) und kann so auf seltene Erden verzichten. Astemo, das E-Antriebs-Joint-Venture von Honda und Hitachi, hat sich hingegen für einen anderen Ansatz entscheiden, um die „Ressourcenrisiken“ deutlich zu reduzieren.

Konkret geht es bei den Japanern um ein ganzes Antriebssystem: Der Hauptantriebsmotor, der kontinuierlich für den Vortrieb genutzt wird, ist mit Magneten ohne seltene Erden ausgestattet und erreicht eine Leistung von 180 kW. Magnete ohne seltene Erden, wie die von Astemo genutzten Ferritmagnete, sind zwar gut verfügbar, besitzen jedoch nur etwa ein Drittel oder weniger der magnetischen Kraft. Um die gleiche Leistung wie ein konventioneller Motor zu erreichen, müsste der Motor daher etwa dreimal so groß ausgelegt werden. Ganz so groß ist die neue 180-kW-Einheit nicht, sie hat aber eine um 30 Prozent höhere aktive Länge wie eine 180 kW starke PSM mit Neodym-Magneten.

Neuer Rotorkern kompensiert Neodym-Magnete

Dass der neue Motor „nur“ 30 und nicht 200 Prozent länger ist als eine gleich starke PSM, liegt an dem eigens entwickelten Rotorkern. Anstelle eines Eisenkerns mit Neodymmagneten hat Astemo eine sogenannte „Multilayer-Flux-Struktur“ entwickelt, um die vermeintlichen Nachteile der Ferritmagnete zu kompensieren. Der Motor erzeugt Rotationskraft, indem er Unterschiede im magnetischen Widerstand (Reluktanz) nutzt, die sich aus der Form des Rotorkerns ergeben. Durch die spezielle Struktur wird der Weg der magnetischen Kraftübertragung in mehrere Schichten aufgeteilt. „Gleichzeitig wird der Strom so präzise gesteuert, dass sich im Rotorkern gezielt magnetische Pole ausbilden. Auf diese Weise kann die starke Magnetkraft von Neodym-Magneten kompensiert werden“, erklärt das Unternehmen das Prinzip.

Allerdings machen die Japaner auch klar, weshalb es bis zur Serienreife noch etwas dauern wird. „Die Bildung magnetischer Pole im Rotorkern erfordert einen höheren Stromfluss durch die Spulen des Stators (der feststehende Teil des Motors). Dies stellt eine Herausforderung dar, da sich die Spulen dabei stärker erwärmen“, so das Unternehmen. Astemo will diese Herausforderung gelöst haben, indem eine Struktur entwickelt wurde, bei der die Nuten und Enden der Spulen in Kühlöl getaucht sind. Dadurch könne die zusätzliche Wärmeentwicklung im Motor „wirksam reduziert werden“, so das Unternehmen.

Den Synchronreluktanzmotor hat Astemo in gleich zwei Varianten entwickelt. Einmal als „magnetunterstützten Reluktanzmotor“ mit den erwähnten Ferritmagneten und 180 kW Leistung. Und für den erwähnten Nebenantrieb bei einem Allradsystem kann ein Reluktanzmotor mit einem magnetfreien Rotor genutzt werden. Dieser verfügt über den gleichen Rotorkern mit „Multilayer-Flux-Struktur“, nur eben ohne die Ferritmagnete. In dieser Variante soll die maximale Leistung bei 135 kW liegen, womit sich rechnerisch 315 kW Systemleistung ergeben.

„In einem Nebenantriebsmotor verbaute Magnete könnten während der Freilaufphasen des Hauptantriebs als Bremsmoment wirken und Energieverluste verursachen“, so Astemo. „Der Nebenantriebsmotor wird daher nur bei Bedarf zur Leistungsunterstützung eingesetzt und liefert dabei bis zu 135 kW. Auf diese Weise lässt sich der Gesamtenergieverbrauch des BEV-Antriebssystems wirksam reduzieren.“ Die praktische Anwendung von Synchronreluktanzmotoren ist für das Jahr 2030 geplant.

Übrigens: Der Einsatz von Induktionsmotoren oder fremderregte Motoren wie bei BMW war für Astemo keine Alternative. Diese Motoren kommen zwar ohne Neodym aus, sind laut den Japanern aber an anderer Stelle in der Lieferkette gefährdet. „Da sie das Magnetfeld im Rotor jedoch mithilfe von Elektromagneten erzeugen, benötigen sie große Mengen Kupfer im Rotor. Mit der zunehmenden Nutzung erneuerbarer Energien und der steigenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen ergibt sich daraus ein potenzielles Ressourcenrisiko für Induktions- und fremderregte Motoren, insbesondere im Hinblick auf mögliche Kupferknappheiten“, so Astemo.

Quelle: Info per E-Mail (Pressemitteilung auf Deutsch), astemo.com