Ermitteln Sie das Drehmoment-Speed-Profil, die Lastzyklen und die Leistungsanforderungen der Anwendung (Spitzen- und Dauermoment, Nenndrehzahl, Überlastfaktoren etc.). Stellen Sie fest, welche Eigenschaften des bisherigen Motors für die Anwendung kritisch sind (z.B. hohes Anlaufmoment, präzise Regelbarkeit, Dauerlauf-Effizienz).
Seltenerd-Permanentmagnete in elektrischen Antrieben
Strategien zur Reduktion der Abhängigkeit
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Technologische Alternativen zu NdFeB-Motoren: Optionen für effiziente, ressourcenschonende Antriebe
In vielen elektrischen Antrieben werden heute Synchronmotoren mit NdFeB-Permanentmagneten (Neodym-Eisen-Bor) eingesetzt, da sie eine hohe Leistungsdichte und einen exzellenten Wirkungsgrad bieten. Allerdings sorgen steigende Kosten und die Abhängigkeit von begrenzten Rohstoffen (Seltene Erden) für einen Umdenkprozessiles-engineering.de. Entwickler suchen nach alternativen Motortopologien im Leistungsbereich von 100 W bis 5 kW, insbesondere für Industrieantriebe und Haushaltsgeräte, die ohne Seltene Erden auskommen und dennoch vergleichbare Leistung erbringen.
Drei Hauptalternativen zu NdFeB-Permanentmagnetmotoren
Ferrit-Permanent-magnetmotor
Permanentmagnetsynchronmotor mit Ferritmagneten anstelle von NdFeB. Ferrit („Hartferrit“) ist kostengünstig und reichlich verfügbar, liefert aber ein schwächeres Magnetfeld, sodass das Motordesign angepasst werden muss.
Synchronreluktanz-motor (SynRel)
Reluktanz-Synchronmotor ohne jegliche Magnete. Er erzielt Drehmoment allein durch das unterschiedliche Reluktanzverhalten des Rotorblechs und benötigt einen Umrichter für den Betrieb.
Hybrid-PM-SynRel
Synchronreluktanzmotor mit Ferrit-Magneten (Permanentmagnet-unterstützter Reluktanzmotor). Dieses Hybrid-Design kombiniert Reluktanz- und Permanentmagnet-Drehmoment, um Leistungsdichte und Leistungsfaktor zu steigern, bleibt aber frei von Seltenen Erden.
Entscheidungsmatrix der Motortopologien
Die Eignung der Alternativen ist stets anwendungsspezifisch zu bewerten. Eine Studie zeigte, dass ferritbasierte PM-Motoren unter bestimmten Randbedingungen eine ernstzunehmende Alternative darstellen, während reine Reluktanzmaschinen (mit und ohne Ferrit-PM-Unterstützung) in einigen Fällen Leistungsabstriche erfordern und sorgfältige Fallanalysen nötig macheniles-engineering.de. Es gilt also, je nach Anwendungsfall Prioritäten zu setzen (z.B. Kostendruck vs. maximaler Wirkungsgrad vs. kompakte Abmessungen).
Die folgende Tabelle vergleicht diese Alternativen anhand zentraler Kriterien wie Kosten, Wirkungsgrad, Drehmomentdichte usw. Sie dient als Entscheidungsgrundlage, um einen bestehenden seltenerdhaltigen Motor durch eine geeignete Topologie zu ersetzen.
| Kriterium | Ferrit-PM-Motor | SynRel-Motor | Hybrid-PM-SynRel |
| Kosten (Material + Fertigung) | Gering–mittel: Ferritmagnete sind sehr günstig, allerdings erhöht größeres Volumen/mehr Kupfer den Materialeinsatz. Insgesamt dennoch deutliche Einsparung gegenüber NdFeB möglich. | Gering: keine teuren Magnete erforderlich; Rotor besteht nur aus Blech und ist simpel aufgebaut. Hauptkosten sind Standardmaterialien (Stahl, Kupfer). | Mittel: verwendet preiswerte Ferritmagnete und Reluktanzrotor. Rotoraufbau ist komplexer (Bleche mit Barrieren + eingesetzte Magnete), aber Magnetmaterial selbst sehr kostengünstigiles-engineering.de. |
| Wirkungsgrad | Hoch: Kann bei guter Auslegung nahezu so effizient wie ein NdFeB-Motor arbeiten. Trotz schwächerer Magnete sind hocheffiziente Antriebe realisierbariles-engineering.de. (Beispiel: Ferrit-PMSM-Designs erreichen IE4-Niveau.) | Hoch: Sehr hoher Wirkungsgrad erreichbar, teils besser als vergleichbare Asynchronmotoren. SynRel-Motoren von ABB erfüllen z.B. Effizienzklasse IE4. | Sehr hoch: Durch Magnetassistenz werden Verluste minimiert – Ferrit-gestützte SynRel-Motoren erreichen bereits IE5-Effizienz. Leistungsfaktor und Wirkungsgrad liegen auf Niveau von PM-Motoren. |
| Drehmomentdichte | Mittel: Niedriger als bei NdFeB-PM-Motoren – für gleiches Drehmoment sind größeres Volumen bzw. mehr aktive Materialien nötig. Im Vergleich zu ASM aber tendenziell höheres Drehmoment/Volumen, da Permanentmagneterregung vorhanden ist. | Mittel: Vergleichbar mit einem Asynchronmotor ähnlicher Größe. Bei optimaler Auslegung kann ein SynRel eine höhere Leistungsdichte als ein Standard-ASM erreichen, bleibt jedoch unter der von seltenerdhaltigen PM-Motoren. | Hoch: Kombination aus Reluktanz- und Magnetdrehmoment ermöglicht fast PM-ähnliche Drehmomentdichten. Zwar etwas niedriger als NdFeB-PMSM, aber spürbar höher als bei reinem SynRel. SynRM²-Prototypen zeigen deutlich gesteigerte Leistungsdichte gegenüber unmagnetisierten Reluktanzmotoren. |
| Regelung/Komplexität | Mittel: Benötigt wie der NdFeB-Vorgänger eine feldorientierte Regelung (Vektorregelung) und Rotorlageerfassung (Sensor oder sensorlos). Die Steuerungstechnik ist Stand der Technik, Änderungen beschränken sich auf Parametertuning. | Hoch: Erfordert hochentwickelte Regelalgorithmen. Ohne Permanentmagnetfeld ist zur Positionserkennung und Drehmomentregelung ein Umrichter mit geeigneter Software unumgänglich. Moderne drehzahlgeregelte Antriebe ermöglichen allerdings die umfassende Steuerung solcher Motoren. | Mittel: Ähnlich zu einem konventionellen PMSM. Eine FOC-Regelung mit Feldschwächung ist erforderlich, aber dank der Ferrit-PM unterscheidet sich das Verhalten kaum von bekannten IPM-Motoren. Die Regelung kann mit bestehenden Algorithmen erfolgen, da der Leistungsfaktor einem PM-Motor gleicht. |
| Zuverlässigkeit /Wartung | Hoch: Wartungsarm – kein Bürstenverschleiß, wenige bewegliche Teile außer Lager. Ferritmagnete sind korrosionsfest und verlieren bei Alterung ihr Magnetfeld kaum. Allerdings muss wie bei allen PM-Motoren Überhitzung vermieden werden (Gefahr der Entmagnetisierung bei extremer Temperatur). | Sehr hoch: Äußerst robust und zuverlässig. Kein Magnetmaterial (damit keine Entmagnetisierungsgefahr) und kein Käfig; der Rotor ist konstruktiv einfach und mechanisch robust. Durch den magnetfreien, verlustarmen Rotor laufen SynRel-Maschinen kühler, was Lebensdauer von Wicklungsisolation und Lagern weiter erhöht. | Hoch: Wie bei einem PM-Synchronmotor entfallen Schleifkontakte, es gibt keine kurzlebigen Teile außer Lagern. Ferritmagnete sind unempfindlich gegen Feuchtigkeit (keramisch) und weisen hohe Temperaturstabilität auf. Insgesamt ähnlich zuverlässig wie ein reiner SynRel, solange Übertemperaturen vermieden werden. |
| Rohstoff-<br>verfügbarkeit | Sehr gut: Ferritmagnete bestehen hauptsächlich aus Eisenoxid (Fe₂O₃ mit Strontium/Barium) und sind weltweit in großen Mengen verfügbar. Keine Abhängigkeit von seltenen Elementen. | Sehr gut: Benötigt lediglich Standard-Rohstoffe (Elektroblech, Kupfer). Frei von Seltenen Erden und damit unkritisch in der Materialversorgung. | Sehr gut: Verwendet nur Ferritmagnete (auf Eisenbasis) plus Kupfer und Stahl. Komplett seltenerdfrei und auf gängige Materialien angewiesen – Lieferrisiken für kritische Magnetwerkstoffe entfallen. |
| Kühlbedarf | Moderat: Ähnlich wie beim NdFeB-PMSM entstehen hauptsächlich in der Statorwicklung Verluste. Der Rotor trägt Ferritmagnete (elektrisch isolierend), erzeugt selbst kaum Wirbelstromwärme. Ferritmagnete vertragen höhere Temperaturen als NdFeB (höhere Curie-Temp.), was thermische Reserven gibt. Insgesamt muss jedoch aufgrund erhöhter Kupferverluste (bei gleicher Baugröße) unter Volllast oft mehr gekühlt oder die Motorgröße vergrößert werden. | Gering: Dank fehlender Rotorverluste läuft der Rotor sehr kühl. Die entfallene Wärmequelle im Läufer und generell hoher Wirkungsgrad reduzieren den Kühlaufwand. Oft erreichen SynRel-Motoren niedrigere Betriebstemperaturen als vergleichbare ASM/PMSM, was auf einfachere Kühlung und längere Lebensdauer wirkt. Die Abwärme beschränkt sich primär auf den Stator (Kupferverluste). | Moderat: Rotorverluste sind gering – Ferritmagnete verursachen quasi keine Wirbelstromverluste (nichtleitend) und Reluktanzrotor hat niedrige Ummagnetisierungsverluste. Der Stator kann aufgrund der etwas geringeren Magnetflussdichte leicht höhere Ströme führen müssen, was die Wärme im Kupfer leicht erhöht. Unterm Strich bleibt der Kühlaufwand ähnlich einem vergleichbaren PM-Motor und beherrschbar. Die guten Feldschwächungseigenschaften helfen zudem, Überhitzung bei hohen Drehzahlen zu vermeiden. |
| Eignung für variable Drehzahl | Sehr gut (mit Umrichter): Volle drehzahlvariable Betriebsfähigkeit wie beim ursprünglichen PM-Motor. Großer Drehzahlstellbereich mit hoher Effizienz, z.B. für Waschmaschinen von langsamen Trommel-Drehzahlen bis hohen Schleuderdrehzahlen geeignet. Feldschwächung bei Überdrehzahl nötig, aber durch schwächere Magnete meist unkritisch zu beherrschen. | Sehr gut (nur mit Umrichter): SynRel ist prädestiniert für drehzahlvariable Anwendungen. Ohne Permanentmagnetfluss gibt es keine starre Feldflussgrenze – der Motor lässt sich über einen weiten Bereich regeln, solange die Umrichterspannung ausreicht. Große Drehzahlbereiche im Konstantleistungsfeld sind erreichbar, begrenzt durch maximale Frequenz und Sättigung. | Sehr gut (mit Umrichter): Wie bei jedem PMSM ermöglicht ein geeignetes Antriebsgerät einen weiten Drehzahlbereich. Insbesondere der SynRM² zeigt dank Ferrit-PM eine ausgezeichnete Feldschwächung für hohe Drehzahlen, sodass z.B. von niedrigen Drehzahlen (hohes Reluktanzmoment) bis zu hohen Drehzahlen (geringerer Strom durch Feldabschwächung) ein großer Arbeitsbereich abgedeckt wird. |
| Kompatibilität mit existierender Leistungselektronik | Hoch: Die vorhandene Leistungselektronik (Wechselrichter, Regler) eines NdFeB-PMSM kann praktisch unverändert weitergenutzt werden, da die Motorcharakteristik (Synchronmaschine mit Feld aus Permanentmagneten) gleich bleibt. Lediglich Parameter (z.B. Stromgrenzen, Regler-Tuning) müssen an den Ferrit-Motor angepasst werden. | Bedingt: Die Hardware des vorhandenen Umrichters kann in der Regel weiterverwendet werden, jedoch ist eine Umstellung auf ein anderes Regelverfahren nötig. Moderne Frequenzumrichter unterstützen oft sowohl ASM- als auch SynRel-Betrieb. Allerdings ist zu beachten, dass der SynRel für gleiche Leistung einen höheren Strom ziehen kann (niedrigerer Leistungsfaktor), weshalb ggf. Leistungsreserven des Umrichters nötig sind. | Hoch: Da diese Maschine wie ein innenpoliger permanenterregter Synchronmotor wirkt, kann die vorhandene Elektronik weitgehend übernommen werden. Der Leistungsfaktor ist ähnlich einem PM-Motor, was bedeutet, dass Strom und Spannung im selben Rahmen liegen. Gegebenenfalls sind nur Reglerparameter (z.B. wegen anderer Induktivitäten) und die Feldschwächungsstrategie anzupassen, die Hardware bleibt identisch. |
Systematische Vorgehensweise zum Ersatz von Seltenerd-PM-Motoren
Definieren Sie die einschränkenden Faktoren – verfügbare Einbauräume und Kühlmöglichkeiten, zulässiges Motorgewicht und -volumen, Netz- bzw. Umrichtervorgaben (Spannung, Strom, Schaltfrequenz) und Umgebungsbedingungen. Auch ökonomische Vorgaben (Zulässige Kosten) und Zuliefererrestriktionen (Materialverfügbarkeit) sollten hier betrachtet werden.
Anhand der Entscheidungskriterien (siehe Tabelle) bestimmen Sie, welche der vier Motoroptionen in Frage kommen. Eliminieren Sie Optionen, die offensichtliche Ausschlusskriterien aufweisen – z.B. Schleifringmotor für eine wartungsfreie Haushaltsanwendung eher ungeeignet, oder reiner SynRel wenn extreme Drehmomentdichte auf kleinstem Bauraum gefordert ist.
Schätzen Sie für jede verbleibende Alternative ab, inwiefern sie die Anforderungen erfüllen kann. Nutzen Sie die Entscheidungsmatrix als Leitfaden: Kann die Option das erforderliche Drehmoment liefern? Wie wirkt sich die Alternative auf Wirkungsgrad und Betriebsverhalten aus? Bewerten Sie ebenso nötige Änderungen an der Peripherie – etwa Anpassungen der Leistungselektronik oder Regelungsstrategie.
Wägen Sie die Alternativen gegeneinander ab und wählen Sie den Motor aus, der die Anforderungen mit den günstigsten Kompromissen erfüllt. Hierbei fließen die Prioritäten des Projekts ein (Kosten vs. Leistung vs. Wartungsfreiheit usw.). Fokussieren Sie sich auf 1–2 Topologien für die Feinuntersuchung.
Führen Sie für die gewählte Motorart eine detaillierte elektromagnetische Auslegung (Berechnung/Simulation) durch. Optimieren Sie das Design hinsichtlich Wicklungsdaten, Magnetkreis und Kühlung, um die Zielvorgaben zu erreichen. Falls möglich, erstellen Sie auch einen optimierten Entwurf des ursprünglichen PM-Motors zum direkten Vergleich, um sicherzugehen, dass die Alternative in entscheidenden Punkten überzeugt.
Fertigen Sie einen Prototyp des neuen Motors an und testen Sie ihn unter Realbedingungen bzw. auf dem Prüfstand. Überprüfen Sie, ob Leistung, Effizienz und thermisches Verhalten den Erwartungen entsprechen. Validieren Sie außerdem die Steuerungssoftware (Reglerparameter, Sensorlos-Verfahren etc.) mit dem neuen Motor. Nehmen Sie Feinabstimmungen vor, um beispielsweise Drehmomentwelligkeiten oder akustische Geräusche bei der Reluktanzmaschine zu minimieren.
Planen Sie die Implementierung des neuen Motors in das Produkt. Berücksichtigen Sie mechanische Anpassungen (andere Abmessungen oder Befestigungen), eventuelle Änderungen an der Leistungselektronik (z.B. neue Firmware für SynRel-Betrieb) und die Versorgung mit den nötigen Materialien. Stellen Sie zudem sicher, dass Wartungs- und Servicekonzepte angepasst werden (z.B. Intervalle für Bürstenwartung, falls doch Schleifringlösung gewählt).
Abschließend evaluieren Sie die getroffene Wahl in Hinblick auf die Gesamtkosten über den Lebenszyklus. Hier fließen der Motorpreis, die Installationskosten und vor allem die Betriebskosten (Energieverbrauch, Wartung) einautomate.org. Diese ganzheitliche Betrachtung stellt sicher, dass die alternative Topologie nicht nur technisch, sondern auch ökonomisch und ökologisch sinnvoll ist.
Hinweis: Eine Analyse des konkreten Anwendungsfalls ist zwingend erforderlich, bevor eine endgültige Entscheidung für eine Topologie getroffen wird.
Kritische Erfolgsfaktoren
Technische Validierung
Überprüfen Sie, ob Leistung, Effizienz und thermisches Verhalten den Erwartungen entsprechen. Nehmen Sie Feinabstimmungen vor, um bspw. Drehmomentwelligkeiten oder akustische Geräusche zu minimieren.
Ganzheitliche Betrachtung
Die Bewertung muss technische, ökonomische und ökologische Aspekte gleichwertig berücksichtigen. Nur so kann eine nachhaltige und zukunftsfähige Lösung gefunden werden.
Systemintegration
Berücksichtigen Sie Anpassungen der Leistungselektronik, Regelungsstrategie und Sensorik. Die Alternative muss sich nahtlos in das Gesamtsystem einfügen.
Empfehlungen für typische Anwendungen
Zum Abschluss folgen konkrete Empfehlungen, welche Motortopologien sich in ausgewählten Anwendungsfällen besonders anbieten. Dabei wird angenommen, dass ein seltenerdhaltiger PM-Motor ersetzt werden soll und nun die beste Alternative gesucht wird:
Hier sind hohes Anlauf- und Haltemoment bei niedrigen Drehzahlen sowie ein breiter Drehzahlbereich (langsames Waschen, schnelles Schleudern) gefordert. Ein Ferrit-PM-Motor bietet sich als Ersatz an, da er ähnlich regelbar ist wie der ursprüngliche BLDC/PMSM und ausreichend Drehmoment liefern kann. Gegebenenfalls muss er etwas größer dimensioniert werden, um die NdFeB-Magnete zu kompensiereniles-engineering.de. Alternativ kann ein Ferrit-unterstützter SynRel (Hybridmotor) gewählt werden, der das hohe Drehmoment durch Reluktanz- und Magnetwirkung erzielt – dieser kommt ebenfalls ohne Seltene Erden aus, erfordert aber eine angepasste Steuerung. Ein reiner SynRel-Motor wäre zwar möglich und sehr robust, müsste jedoch deutlich größer ausfallen oder mit einem Getriebe arbeiten, um das benötigte Drehmoment bei Trommel-Anlauf bereitzustellen. Schleifringmotoren sind aufgrund von Wartung (Bürsten) und Feuchtigkeitseinfluss in Haushaltsgeräten nicht empfehlenswert.
Für Lüfterantriebe mit variablem Luftstrom und Dauerbetrieb sind Synchronreluktanzmotoren in Kombination mit Frequenzumrichtern hervorragend geeignet. Sie zeichnen sich durch hohe Effizienz im Teillastbetrieb, Robustheit und Wartungsfreiheit aus – ideal für lange Laufzeiten in der Klima- und Lüftungstechnik. Zudem haben SynRel-Motoren einen geringeren Rotor-Trägheitsmoment, was die Regelbarkeit bei wechselnder Drehzahl verbessert. Falls bereits ein elektronisch kommutierter PM-Motor im Einsatz war, kann auch ein Ferrit-PM-Motor in Frage kommen – insbesondere bei platzkritischen Anwendungen, wo ein SynRel ggf. zu voluminös wäre. Ferrit-PM-Motoren (ggf. in Spezialbauform, z.B. mit Flux-Konzentration) wurden erfolgreich in Ventilatoren und Pumpen eingesetzt, da sie trotz etwas höherer Masse die Effizienzvorgaben erreichen und Seltene Erden vermeide. Ein Schleifringmotor ist hier ebenfalls unüblich; wenn Drehzahlsteuerung erforderlich ist, hat sich im niedrigen bis mittleren Leistungsbereich der Umrichterbetrieb durchgesetztde.wikipedia.org – da bietet ein SynRel oder Ferrit-PM klarere Vorteile in Wartung und Wirkungsgrad.
Pumpenantriebe haben oft ein hohes Laufzeitprofil und profitieren enorm von effizienten Motoren. SynRel-Motoren konnten in Pumpenanwendungen bereits Käfig-Asynchronmotoren ersetzen und den Wirkungsgrad steigern (Stichwort IE4/IE5-Motoren mit Umrichter). Für eine vorhandene Pumpe mit NdFeB-Motor ist ein SynRel eine attraktive Alternative, da er robust und unempfindlich gegen Lastkollektive (auch kurzfristige Überlasten) ist und ohne Magnete keine Alterungsprobleme kennt. Sollten sehr kompakte Abmessungen oder geringeres Gewicht im Vordergrund stehen, kann auch ein Hybrid-PM-SynRel sinnvoll sein – dieser erreicht die höchste Leistungsdichte und Effizienz, was gerade in Pumpen mit höheren Leistungsanforderungen (nah am 5 kW-Ende des Bereichs) die Energiekosten minimiert. Ferrit-PM-Motoren wären ebenso machbar und hätten ein etwas höheres Volumen als die NdFeB-Variante, könnten aber dank Permanentmagneterregung und einfacher Regelbarkeit eine vorhandene Leistungselektronik am leichtesten weiter nutzen. Schleifringmotoren spielen in dieser Klasse keine Rolle, außer bei sehr großen Pumpen im Megawatt-Bereich – für 100 W–5 kW sind sie wegen der besseren Alternativen (SynRel, PM) verzichtbar.
Bei Handwerkzeugen und Maschinen kommt es auf Leistungsdichte und Dynamik an. Ferrit-PM-Motoren eignen sich gut, um einen seltenerdhaltigen Kompaktmotor zu ersetzen, da sie trotz etwas geringerer Feldstärke eine hohe Drehmomentdichte bieten – in vielen Fällen kann durch geringfügig größere Baugröße oder höhere Stromausnutzung die gleiche Werkzeugleistung erzielt werden. Für akkubetriebene Werkzeuge (z.B. Akkuschrauber) ist die Magnettechnologie oft unverzichtbar, weshalb Ferrit eine kostengünstige Alternative zu NdFeB darstellt, zumal Ferritmagnete je Dollar 2–3 mal mehr Feld liefern als Neodym. Permanentmagnet-unterstützte Reluktanzmotoren könnten insbesondere in Werkzeugmaschinen (CNC-Achsantriebe, Spindeln) interessant sein: Sie kombinieren präzise Regelbarkeit mit hoher Spitzenleistung und verzichten auf kritische Materialien. Erste Entwicklungen zeigen, dass ferritunterstützte SynRel-Motoren in beispielsweise Waschmaschinenantrieben oder ähnlichen Anwendungen NdFeB-Maschinen erfolgreich ersetzen können. Reine SynRel-Motoren bieten zwar Robustheit und keine Magnetverluste, allerdings könnten in hochdynamischen Werkzeugen das etwas geringere Dauermoment und ein mögliches Ripplmoment (bei suboptimaler Konstruktion) nachteilig sein. Schleifringmotoren sind für moderne Werkzeugantriebe ungeeignet – die wartungsintensiven Bürsten und die trägeren Regelmöglichkeiten würden den Anforderungen nach schneller, präziser Steuerung widersprechen.
Ihr Ansprechpartner für elektrische Antriebe
Hubert Mitterhofer
Business Area Manager Electric Drives
