Elektrische Antriebe: Besseres Magnetmaterial durch FE-Simulation

Mit dem Aufkommen von elektrischen Antrieben stellt sich auch die Frage, ob genügend Rohstoffe für die neuen Anwendungen vorhanden sind. Erst im April hatte das Institut für Zukunfts­techno­logien und Technologiebewertung eine Studie veröffentlicht, nach der einige Metalle langfristig knapp werden könnten.

Zu ähnlichen Erkenntnissen kommt auch ein Forscherteam an der Fachhochschule St. Pölten. Deswegen sucht man dort in einem Forschungsprojekt unter der Leitung von Prof. Thomas Schrefl nach Wegen, den Bedarf an magnetischen Materialien für elektrische Antriebe zu reduzieren. Denn die für Hochleistungsdauermagnete eingesetzten Materialien benötigen einen hohen Anteil von Seltenerden, die knapp und teuer sind. Nach Angaben der Hochschule enthält ein elektrischer Antrieb etwa zwei Kilogramm magnetisches Material. Die Grundlage bilden derzeit Neodym-Eisen-Bohr-Magnete, die im Vergleich zu herkömmlichen Magneten eine weit geringere Masse haben, aber dieselbe Leistung erbringen. Damit die magnetischen Eigenschaften trotz der hohen Temperaturen in einem elektrischen Antrieb erhalten bleiben, wird das Seltenerde-Element Neodym zum Teil durch das Seltenerde-Element Dysprosium ersetzt.

Nach Angaben der Forscher wird dadurch das so genannte Koerzitivfeld des Magneten erhöht, das die Stabilität gegenüber einer Entmagnetisierung beschreibt. Laut Prof. Schrefl gibt es dabei ein Problem: Der Dysprosium-Anteil im Erz liege im Verhältnis zu Neodym bei weniger als 10 Prozent. Die derzeitigen Hochleistungsmagnete für elektrische Antriebe würden aber einen Dysprosium-Anteil von bis zu 30 Prozent enthalten. Daraus ergebe sich langfristig ein Rohstoffproblem, je mehr sich elektrische Antriebe in Autos durchsetzen.

In Kooperation mit der Universität Sheffield will die FH St. Pölten im Projekt „Green Cars“ nun herausfinden, wie sich der Dysprosium-Anteil verringern lässt. ohne die Temperaturstabilität der Magnete zu verringern. Dabei bedienen sich die Forscher der Finite-Elemente-Methode. Prof. Schrefl: „Wir bauen den Magnet im Computer nach und zerlegen seine granulare Struktur in finite Elemente. Durch die Zerlegung der Mikrostruktur in Millionen von Tetraedern und Prismen ist es möglich, die räumliche Verteilung der metallischen Phasen innerhalb des Magnets im Computer­modell nachzubilden. Dadurch kann die Auswirkung einer Veränderung des Dysprosium-Anteils auf das Koezertivfeld des Magneten am Computer simuliert werden.“

Die Finite-Elemente-Methode, kurz FEM, ist Ende 1950er-Jahre entstanden und hat sich im Automobilbau zum Beispiel für Festigkeitsrechnungen von Karosseriestrukturen oder mechanischen Bauteilen etabliert. Sie beruht darauf, dass die Oberfläche des komplexen Objektes in kleinste polygone Elemente zerlegt wird, die einzeln besser berechnet werden können. Die gestiegene Rechenleistung heutiger Computer erlaubt es, die „Granularität“ der Modelle zu steigern, so dass heute komplexe Aufgaben in kurzer Zeit berechnet werden können. (ggo)