Verbesserte Kühlung für leistungsstarke Elektromotoren
Laut Nick Flaherty haben Forscher in Korea einen Sandwich-Magneten entwickelt, der die Kühlung von Hochleistungsmotoren in Fahrzeugen sowie elektrischen Schiffen verbessert.
Das Forschungsteam am Korea Institute of Materials Science (KIMS) hat einen diffusionsbasierten und verbindenden Prozess für die Korngrenzen mit Sandwich-Struktur entwickelt, bei dem mehrere Magnetschichten übereinandergelegt und anschließend integriert werden.
Sonnt sich die Leistungsfähigkeit von Motoren, die auf Neodym-Eisen-Bor (Nd-Fe-B)-Magneten basieren, erhöht, wird es immer schwieriger, über die gesamte Länge des Magneten eine hohe Koerzitivkraft aufrechtzuerhalten. Zudem verursachen Hochgeschwindigkeitsbetrieb Wirbelströme im Magneten, die Wärme erzeugen und zu einer Leistungsabnahme sowie einer geringeren Effizienz des Motors führen.
Üblicherweise werden schwere Seltenerdelemente hinzugefügt, um die magnetischen Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen zu erhalten. Insbesondere werden Diffusionsprozesse an den Korngrenzen weit verbreitet eingesetzt, bei denen die Seltenerdelemente auf der Magnetoberfläche aufgetragen und nach innen diffundieren dürfen.
Die Seltenerdelemente werden auf die Oberfläche aufgetragen oder gesprüht und der Magnet wird in Vakuum bei Temperaturen von 900–1000 °C erhitzt. Die flüssigen Elemente bewegen sich schnell entlang der flüssigen Korngrenzen und dringen in die äußeren Ränder der Hauptmagnetkörner ein. Dadurch entsteht eine Hülle aus Seltenerdelementen um den Nd-Fe-B-Kern.
Diese Methode ist jedoch durch den auf den Kornoberflächen beruhenden Diffusionsmechanismus eingeschränkt. Dadurch ist es schwierig, in dicken Magneten eine ausreichende Leistungssteigerung zu erzielen, was außerdem zu Überhitzung führen kann.
In der Regel sind seltene Erdenmetalle wie Neodym, Dysprosium und Terbium teuer und können bei der Beschaffung aus China von Engpässen in der Lieferkette betroffen sein. Dies stellt erhebliche Herausforderungen für die Lieferkette dar und veranlasst Hersteller von Magneten, den Einsatz dieser Elemente zu verringern.
Um auf den Einsatz seltener Erdenmetalle zu verzichten, basiert der bei KIMS entwickelte Prozess stattdessen auf einer leichten Selten-Erden-Legierung mit niedrigem Schmelzpunkt, bei der Praseodym nicht nur an der Oberfläche, sondern auch an den Schichtgrenzen verwendet wird. Dadurch kann die Diffusion ebenfalls von innen im Magneten beginnen. Dies gewährleistet eine stabile Koerzitivkraft selbst bei dicken Magneten und sorgt gleichzeitig für ein einheitliches Leistungsniveau in der gesamten Struktur. Zudem wird die Abhängigkeit von teuren seltener Erdenmetallen verringert.
Diese Technologie bekämpft außerdem die Wärmeerzeugung, indem sie innerhalb des Magneten eine Struktur mit hoher elektrischer Widerstandskraft bildet, die die Entstehung von Wirbelströmen unterdrückt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Ansätzen, die separate Verfahren für die Segmentierung des Magneten, die Diffusion an den Korngrenzen sowie das isolierende Verbinden erfordern, verbessert diese Methode durch einen einzigen Diffusionsprozess an den Korngrenzen gleichzeitig die Koerzitivität und den elektrischen Widerstand. Dieser integrierte Ansatz vereinfacht die Fertigung und verbessert gleichzeitig die magnetischen, elektrischen sowie strukturellen Eigenschaften.
Die so hergestellten Magnete können in Antriebsmotoren von Elektrofahrzeugen eingesetzt werden, wo die geringere Wärmeerzeugung sowie die verbesserte Effizienz auf Magnetenebene die Gesamtleistung und Energieeffizienz des Motors steigern können.
„Diese Studie zeigt einen Durchbruch bei der gleichzeitigen Erreichung hoher Koerzitivität und verringerten Wärmeeintrags in dicken Magneten“, sagte Su-Min Kim, leitende Forscherin bei KIMS.
„Was diese Technologie auszeichnet, ist, dass sie die Steigerung der Koerzitivität, die Verbesserung der Widerstandskraft sowie die strukturelle Verbindung in einem einzigen Prozess integriert. Diese Technologie bietet großes Potenzial nicht nur für Motoren in Elektrofahrzeugen, sondern auch für Anwendungen, die große, hochleistungsstarke Magnete erfordern, wie beispielsweise Elektroschiffe. Es wird erwartet, dass sie zu einer Schlüsselmaterialtechnologie für Motoren der nächsten Generation wird“, fügte er hinzu.
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