Funktionsweise von Elektromotoren
In jedem Elektromotor – egal ob in elektrischen Zahnbürsten oder in Fahrzeugen – dreht sich ein Rotor in einem statischen Stator. Dieses Zusammenspiel erzeugt ein ständig wechselndes Magnetfeld. Dabei verändern sich die Magnetrichtungen, was die winzigen magnetischen Bereiche im Metall zwingt, sich umzupositionieren. Traditionelle Materialien mit einer geordneten kristallinen Struktur sind hier ineffizient. Ihre innere Struktur widersteht diesen Veränderungen. Das führt zu mikroskopischer Reibung. Die Energieverluste treten in Form von Wärme auf. Man spricht von Eisenverlusten.
Innovative Lösungsansätze der Forschung
„Wir suchen nach Möglichkeiten, diese Effizienzverluste zu verringern. In den heutigen Motoren bestehen Stator und Rotor aus konventionellen weichmagnetischen, grobkörnigen Eisenlegierungen. Zwar sind diese Legierungen bereits optimiert, dennoch zeigen sie relativ hohe Hystereseverluste bei der Remagnetisierung. Wir möchten diese konventionellen kristallinen Legierungen durch amorphe, glasähnliche Legierungen ersetzen, da sie bei der Remagnetisierung fast keine Energie verlieren“, erläutert Prof. Ralf Busch, der Leiter des Forschungsteams.
Die Vorteile metallischer Gläser
Im Gegensatz zu herkömmlichen Metallen besitzen metallische Gläser kein Kristallgitter. Ihre atomare Struktur ist amorph - die Atome sind unregelmäßig angeordnet, vergleichbar mit Glas und nicht mit typischen Metallen. Diese fehlende starre Kristallstruktur lässt die magnetischen Bereiche sich deutlich freier orientieren, wenn das Magnetfeld sich ändert. Das Resultat? Viel weniger Energie geht während der Magnetisierungs- und Demagnetisierungszyklen verloren. Die Effizienz des Motors verbessert sich dramatisch, und die Wärmeentwicklung wird reduziert.
Ein starkes Material
„Metallische Gläser haben keine Kristallite. Die magnetischen Regionen – bekannt als Weiss-Domänen – sind nicht behindert und können sich bei Änderungen des Magnetfelds frei orientieren“, so Busch. „Die magnetischen Eigenschaften metallischer Gläser sind besonders gut für den Einsatz in Elektromotoren geeignet.“
Das Wort “metallisches Glas” kann irreführend sein. In der Regel ist Glas zerbrechlich. In Wirklichkeit ist metallisches Glas oft fester als Stahl. Der Begriff „Glas“ bezieht sich nur auf die amorphe atomare Struktur. Diese Struktur entsteht durch sorgfältige Auswahl einer Elementmischung, Schmelzen dieser Elemente und schnelles Abkühlen des geschmolzenen Materials. So werden die Atome „eingefroren“, bevor sie sich in einer Kristallgitterstruktur organisieren können.
Die Rolle der Fertigungstechnik
Die Herstellungsweise der Komponenten für den elektrischen Motor war ebenso entscheidend in dieser Forschung. Das Team erforschte die Laser-Pulverbettfusion. Bei diesem Verfahren wird feines Metallpulver der Legierung schichtweise durch einen Laser geschmolzen und rasch abgekühlt, um das Material in seinen amorphen Zustand einzufrieren, bevor Kristalle entstehen können. Dieser Prozess ist entscheidend, da er die nicht-kristalline Struktur aufrechterhält, die dem Material seine vorteilhaften magnetischen Eigenschaften verleiht.
Ein Schlüssel zum Erfolg
Ein metallisches Glaslegierung zu erlangen, das die gewünschten Eigenschaften aufweist und gleichzeitig 3D-druckbar ist, war das Hauptziel von Buschs EU-gefördertem Forschungsprojekt. Das Team hat dieses Ziel endlich erreicht. „Wir haben Hunderte von Legierungen ausgewählt und auf ihre Kristallisationsbeständigkeit getestet. Bei einer Legierung mit fünf Elementen bedeutete das, einen fünf-dimensionalen Kompositionsraum zu durchsuchen. Fällt eine Legierung durch, geht es zurück zu den Anfängen,“ sagt Ralf Busch.
Der Durchbruch und seine Bedeutung
Busch und sein Team identifizierten erfolgreich drei Legierungen, die gegen Kristallisation widerstandsfähig sind und die notwendigen Eigenschaften besitzen, um vollständig glasähnliche metallische Motorbauteile zuverlässig im 3D-Druck herzustellen. Die Bedeutung dieses Durchbruchs könnte beträchtlich sein. Bessere Materialien erhöhen die Effizienz, die Lebensdauer von Motoren. Außerdem verringern sie Energieverluste und die Wärmeentwicklung. Praktisch könnte dies schnellere, energieeffizientere Elektrofahrzeuge ermöglichen sowie Drohnen mit längeren Flugzeiten und E-Bikes mit größerer Reichweite. Auch industrielle Maschinen, die weniger Strom verbrauchen und gleichzeitig eine höhere Leistung liefern, könnten die Folge sein.
Unterstützung und Ausblick
Das Projekt wird von der EU unterstützt und hat über 3,5 Millionen Euro (4,035 Millionen US-Dollar) im Rahmen des größeren AM2SoftMag (Additive Manufacturing of Amorphous Metals for Soft Magnetics) Konsortiums erhalten.
Quelle: Universität des Saarlandes