Wer sich ein wenig mit Elektromotoren auskennt, weiß, dass es sie mit und ohne Permanentmagneten gibt. Tesla baut bisher auf Permanentmagnet-Synchronmotoren (PSMs) mit Dauermagneten, doch das könnte sich ändern. Auf dem Anlegertag im März kündigte Elon Musk an, dass er künftig bei seinen PSMs auf Seltene Erden verzichten will – siehe unser Titelbild, ein Screenshot von der Veranstaltung.
Beobachter hatten nach dem Event gesagt, dass ein Verzicht auf Seltenerdmagnete zu Nachteilen bei Effizienz und Gewicht führen würden. Nun berichtet die Marktforschungsfirma IDTechEx über Möglichkeiten, wie man auch ohne Seltene Erden gute Elektromotoren bauen kann. Die Publikation wurde von TeslaMag entdeckt.
Model 3 und Y verwenden Permanentsynchronmotoren mit Seltenerdmagneten
Nach dem Bericht verwenden rund 80 Prozent aller Elektroautos Motoren mit Seltenen Erden. Auch Tesla wandte sich mit dem Model 3 von Induktionsmotoren ab und setzt seither PSMs mit Dauermagneten aus Seltenen Erden ein. Doch mit der nächsten Generation von Elektroautos soll sich das wieder ändern.
Eine Möglichkeit wären Permanentmagnetmotoren mit anderen magnetischen Materialien. So kommen Ferritmagnete in Frage, also Magnete aus meist keramischen Eisenoxid-Werkstoffen. Diese Materialien sind günstig und weltweit erhältlich, doch meist sind Elektromotoren mit Ferritmagneten deutlich schwächer: Bei gleicher Motorgröße entwickeln sie 50 bis 70 Prozent weniger Leistung.
Um die gleiche Leistung zu erzielen wird deswegen mehr Magnetmaterial benötigt. Doch nach dem Bericht hat die japanische Firma Proterial (früher Hitachi Metals genannt) einen Motor entwickelt, der nur 20 Prozent mehr magnetisches Material benötigt, um die gleiche Leistungsdichte zu erreichen.
Die US-Firma Niron Magnetics arbeitet mit Eisennitrid-Magneten, die bald das Niveau von Seltenerd-Magneten auf Basis von Neodym erreichen sollen. Passenger, ein europäisches Konsortium aus 20 Firmen, setzt auf Strontiumferrit und Mangan-Aluminium-Kohlenstoff-Legierungen. All diese Magneten sind nach dem Artikel aber noch weit davon entfernt, ähnliche Leistungen wie Seltenerd-Magnete zu bringen. Doch mit Veränderungen am Motor ist das vielleicht auch gar nicht nötig.
Das Model S Plaid hat bereits Rotoren mit Carbon-Ummantelung (Bild von der Vorstellung des Plaid 2021)
So hat sich die australische Firma Ultimate Transmissions ein Patent für einen Ferrit-Motor eingereicht. Dieser verwendet viel größere Ferritmagnete und höhere Drehzahlen (20.000 U/min), um eine vergleichbare Leistung wie ein ähnlich großer Seltenerd-Motor zu erreichen. Schwierig scheint es dabei zu sein, die Magnete im Rotor optimal zu positionieren. Eine mögliche Lösung wäre ein Carbon-Ummantelter Rotor (wie ihn Tesla im Model S Plaid einsetzt). Außerdem müssen die Ferritmagnete für einen optimalen Betrieb erwärmt werden.
Nach Simulationen soll dieser Ansatz eine ähnliche Leistung, geringere Kosten und ein geringeres Gewicht ergeben. Allerdings ist das Drehmoment etwas geringer und der so genannte Stack etwas länger. Bei einem Stack handelt es sich um ein Stahlelement, das die Wicklung trägt und mitsamt dieser in den Motor eingebaut wird.
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IDTechEx glaubt, dass PSMs mit Seltenen Erden die vorherrschende Technologie bleiben wird. Die Analysten gehen jedoch davon aus, dass Alternativmaterialien im Jahr 2034 fast ein Drittel des Marktes ausmachen könnten.