Metallgläser in Elektromotoren: Neue Materialien

Metallische Gläser für Elektromotoren: Minimierung der Kernverluste

Elektromotoren verlieren an Effizienz durch Hysterese-Verluste bei der Remagnetisierung in kristallinen Materialien. Forscher der Universität des Saarlandes schlagen vor, diese durch metallische Gläser zu ersetzen – amorphe Legierungen ohne kristalline Struktur. Diese Materialien minimieren die Wärmeentwicklung, besonders bei Hochgeschwindigkeits- und kompakten Motoren.

Traditionelle weichmagnetische Eisenlegierungen mit großen Körnern sind effektiv, aber wenn sich das Magnetfeld im Stator ändert, stoßen Weiss-Domänen auf Defekte im Kristallgitter. Dies führt zu Kernverlusten, die proportional zur Drehfrequenz des Rotors sind. Die amorphe Struktur metallischer Gläser beseitigt solche Hindernisse: Magnetische Domänen reorientieren sich frei, ohne Energieaufwand zur Überwindung von Korngrenzen.

Eigenschaften und Herstellung metallischer Gläser

Metallische Gläser entstehen durch schnelles Abkühlen einer Schmelze, wobei Atome in einem ungeordneten Zustand „eingefroren“ werden. Dies gewährleistet eine Festigkeit, die der von Stahl überlegen ist, und niedrige Koerzitivverluste. Ralph Busch betont: Das Fehlen von Kristalliten ermöglicht es den Domänen, frictionslos auf das Feld zu reagieren.

Zur Herstellung von Bauteilen kommen zum Einsatz:

• Druckguss für die Massenproduktion.
• Additive Fertigung (L-PBF—laser powder bed fusion) für komplexe Rotor- und Statorgeometrien.

Das EU-Projekt „Additive Manufacturing of Amorphous Metals for Soft Magnetic Materials“ wird mit Millionen Euro finanziert. Der entscheidende Durchbruch sind drei Legierungen, die kristallisationsresistent beim 3D-Druck sind:

• Vitrifizieren leicht beim Abkühlen.
• Behalten weichmagnetische Eigenschaften bei.
• Geeignet zum Drucken funktionaler Motorbauteile.

Optimierung von L-PBF für industrielle Anwendungen

Laser powder bed fusion (L-PBF) erfordert präzise Temperaturkontrolle, um Kristallisation zu verhindern. Das Team von Busch arbeitet an höherer Reproduzierbarkeit: Optimierung von Laserparametern, Pulverzusammensetzung und Nachbearbeitung. Dadurch wird eine Skalierung der Produktion ohne Verlust der Amorphität möglich.

In Labortests weisen metallische Gläser eine deutliche Reduktion der Verluste im Vergleich zu nanokristallinen Alternativen auf. Nächste Schritte sind Prototypen von Motoren mit 3D-gedruckten Kernen zur Validierung unter realen Belastungen.

Wichtige Punkte

• Amorphe metallische Gläser eliminieren Remagnetisierungsverluste dank Fehlen von Kristalliten und freier Beweglichkeit der Weiss-Domänen.
• L-PBF ermöglicht komplexe Stator- und Rotorbauteile, die traditionellen Methoden unzugänglich sind.
• Drei Legierungen für den Druck identifiziert: kristallisationsresistent, weichmagnetisch und hochfest.
• Das EU-Projekt setzt auf industrielle Skalierbarkeit von L-PBF.
• Potenzial für Hochgeschwindigkeits-Miniaturmotoren mit Effizienz nahe 100 %.

— Editorial Team