Kommt jetzt der E-Motor ohne Seltene Erden in unsere Autos?

Bisher benötigen die E-Antriebe moderner Elektrofahrzeuge eine Komponenten, die nicht ohne Seltene Erden auskommt: Magnete. Zulieferer ZF hat jetzt einen E-Antrieb entwickelt, bei dem keine Magnete mehr nötig sind. Dazu ist er äußerst kompakt. Vorgestellt wird er auf der IAA 2024 in München.

Diese weiterentwickelte Variante des E-Motors nennt sich fremderregter Synchronmotor (FSM) und soll in Zukunft eine Alternative zu den so genannten permanentmagneterregten Synchronmaschinen (PSM) werden. Letztere sind laut ZF aktuell die am häufigsten bei E-Fahrzeugen eingesetzten Motoren, basieren allerdings auf Magneten, zu deren Herstellung Seltene Erden notwendig sind. ZF möchte mit dem neuen Motor namens I²SM einen neuen Standard setzen, der es erlaubt, E-Motoren sowohl äußerst nachhaltig in der Produktion als auch höchst leistungsfähig und effizient im Betrieb zu machen.

„Mit diesem magnetfreien E-Motor ohne Seltene Erden haben wir eine weitere Innovation, mit der wir unser elektrisches Antriebsportfolio konsequent auf nachhaltige, effiziente und ressourcenschonende Mobilität trimmen. Das ist unser Leitprinzip für alle neuen Produkte. Und wir sehen derzeit keinen Wettbewerber, der diese Technologie so kompakt beherrscht wie ZF.“

Dr. Holger Klein, Vorstandsvorsitzender von ZF

CO2-Fußabdruck halbieren: ohne Seltene Erden

Im Vergleich zu gängigen FSM-Systemen können durch den induktiven Erreger die Verluste bei der Energieübertragung in den Rotor um 15 Prozent reduziert werden. Außerdem kann der CO2-Footprint in der Herstellung, die bei PSM-E-Motoren insbesondere durch Magnete mit Seltenen Erden entsteht, um bis zu 50 Prozent gesenkt werden. „Dieser einzigartig kompakte Elektromotor ohne Magnete ist ein eindrucksvoller Beleg für unsere Strategie, E-Antriebe vor allem durch Effizienzsteigerungen ressourcenschonender und nachhaltiger zu machen“, sagt Stephan von Schuckmann, Mitglied des Vorstands.

Der Verzicht auf Seltene Erden spart in der Produktion nicht nur wertvolle Ressourcen ein, sondern verringert auch die Abhängigkeiten in den Lieferketten. Darüber hinaus treten im Vergleich zu PSM keine Schleppverluste durch Permanentmagnete auf. Dies ermöglicht in bestimmten Betriebspunkten wie langen Autobahnfahrten mit hoher Drehzahl einen besseren Wirkungsgrad.

Sehr kompakt durch spezielles Design

Damit sich das Magnetfeld im Rotor durch Strom statt durch Magnete aufbaut, sind beim FSM-Konzept aktuell noch in den meisten Fällen Schleif- oder Bürstenelemente notwendig, die zu Kompromissen zwingen: Es ist ein trockener, also für die Ölkühlung nicht zugänglicher Bauraum mit zusätzlichen Dichtungen notwendig. Dadurch nehmen diese herkömmlichen FSM axial rund 90 mm mehr Raum in Anspruch. Infolgedessen können Hersteller bei ihrer Modellplanung in der Regel nicht flexibel und ohne zusätzlichen Aufwand zwischen PSM- und FSM-Varianten variieren.

Um diese Vorteile fremderregter Synchronmaschinen wettbewerbsfähig anbieten zu können, ist es ZF gelungen, die bauartbedingten Nachteile gängiger fremderregter Synchronmaschinen auszugleichen. Insbesondere die Drehmomentdichte konnte durch ein innovatives Rotordesign gegenüber dem Stand der Technik deutlich gesteigert werden. Durch die bauraumneutrale Integration des Erregers in den Rotor entstehen keine axialen Bauraumnachteile. Zudem führt eine Leistungsdichtesteigerung im Rotor zu einer Verbesserung der Performance.

Induktion ist der Schlüssel

Technologische Voraussetzung für die ZF-Innovation ist, dass Energie induktiv, also kontaktlos in den Rotor übertragen wird und dort mittels Spulen ein Magnetfeld erzeugt. Damit benötigt die I²SM keine Bürstenelemente oder Schleifringe. Des Weiteren besteht keine Notwendigkeit mehr, diesen Bereich durch Dichtungen trocken zu halten. Wie bei permanentmagnetisierten Synchronmaschinen wird der Rotor durch umfließendes Öl effizient gekühlt. Verglichen mit gängigen fremderregten E-Maschinen benötigt die ZF-Innovation bis zu 90 Millimeter weniger axialen Bauraum. Im Hinblick auf die Leistungs- und Drehmomentdichte agiert die ZF-Innovation dagegen auf dem Niveau einer PSM.

ZF plant, die I²SM-Technologie zur Serienreife zu entwickeln und als Option innerhalb der eigenen E-Antriebsplattform anzubieten. Kunden aus dem Pkw- und Nutzfahrzeugsegment können dann für ihre jeweiligen Anwendungen zwischen einer Variante mit 400-Volt-Architektur oder mit 800-Volt-Architektur wählen. Letztere setzt auf Siliziumkarbid-Chips in der Leistungselektronik.