Mai 2013

Magnete ohne Seltene Erden für effiziente Motoren

Den Magneten neu erfunden

TDK hat wegweisende Verfahren entwickelt, um in leistungsstarken Dauermagneten ganz auf Seltenerdmetalle zu verzichten und gleichzeitig die Energieeffizienz von kompakten und leichten Motoren und Generatoren zu erhöhen.

Bisher war es unmöglich, bei den leistungsstärksten Magneten auf Seltenerdmetalle zu verzichten. Um dies zu ändern, hat TDK Magnetmaterialien kurzerhand neu erfunden. Bei der Entwicklung von Magneten ohne Seltene Erden verfolgt TDK zwei Wege:

  • Die Vermeidung von knappen und teuren Seltenerdmetallen wie Dysprosium (Dy), das für Neodym-Magnete verwendet wird, die leistungsstärkste Klasse von Dauermagneten
  • Den völligen Verzicht auf Lanthan (La) sowie auf das rare und sehr begrenzt natürlich vorkommende Metall Kobalt (Co) in heutigen Ferritmagneten

Bis zur Hälfte weniger Dysprosium

Mit dem innovativen HAL-Produktionsprozess (High Anisotropy Field Layer) hat TDK ein Verfahren entwickelt, mit dem der Einsatz von Dy in der Magnet-Baureihe NEOREC minimiert wird. Die Magnete dieser Baureihe bestehen hauptsächlich aus Neodym, Eisen und Bor, wobei nur ein Teil des Neodyms in den äußeren Schichten der Kristallstruktur durch Dy-Partikel ersetzt wird, um die intrinsische Koerzitivkraft (HCJ) und den Wärmewiderstand zu erhöhen.

Abbildung 1: Im HAL-Verfahren hergestellte TDK NEOREC-Magnete

Der bislang stärkste, im HAL-Verfahren gefertigte Magnet von TDK ist der NEOREC 55.

Im HAL-Verfahren wird eine Dy-Diffusionsquelle auf die Oberfläche des gesinterten Neodym-Magnetsubstrats aufgebracht und der Magnet anschließend bei relativ niedrigen Temperaturen wärmebehandelt. Dadurch diffundiert das Dy gleichmäßig durch die neodymreichen Phasen, die die Kristallpartikel umgeben, ohne in die kristallinen Körner einzudringen. Das Ergebnis ist eine höhere Koerzitivkraft bei gleichzeitiger Einsparung des teuren Dysprosiums. Die höhere Magnetkraft ermöglicht die Fertigung kleinerer Motoren mit größeren Wirkungsgraden und führt letztendlich zu Energie- und damit Kosteneinsparungen. Das HAL-Verfahren erlaubt die Fertigung von NEOREC-Magneten (Abbildung 1) mit bis zu 50 Prozent weniger Dy bei gleichzeitig um bis zu 5 Prozent höherer Remanenz (Br).

Serienproduktion von Dy-freien Magneten
Durch das HAL-Verfahren allein können jedoch keine völlig Dy-freien Magnete hergestellt werden. Daher hat TDK den gesamten Produktionsprozess, beginnend bei den Materialien der Legierung, neu gestaltet. Durch einen speziellen, sauerstoffarmen Fertigungsprozess, von der Pulververarbeitung bis zum Sintern, konnten Unreinheiten abgebaut und eine noch homogenere Mikrostruktur (Abbildung 2) erzielt werden. So ist es gelungen, einen Dy-freien Neodym-Magneten mit einer höheren Koerzitivkraft zu entwickeln. Der neue Magnet ist der weltweit erste in Serie produzierte Nedoym-Magnet, der völlig Dy-frei ist. Er wird in Schwingspulenmotoren von Lese-/Schreibköpfen in Festplattenlaufwerken eingesetzt. Der Magnet der Baureihe NEOREC47HF bietet eine Br von 1390 mT (± 20 Prozent) und eine HCJ von ≥1273 KA/m.

Abbildung 2: Mikrostruktur der Legierung eines TDK Neodym-Magneten mit und ohne Dysprosium

Ferritmagnete ohne Seltene Erden
Der zweite Weg von TDK konzentriert sich auf das Entwickeln von leistungsstarken Ferritmaterialien, die ohne Seltene Erden auskommen. Hier ist das Ziel, hohe Leistung mit wettbewerbsfähigen Kosten zu vereinen. Diese Magneten eignen sich dann hervorragend für den Einsatz in Anwendungen mit hohen Stückzahlen wie Kompressormotoren für Klimaanlagen und in der steigenden Zahl von Mikromotoren in Elektrofahrzeugen.

Abbildung 3: Eigenschaften des neuen La-Co-freien TDK Ferritmagnets

Der neue La-Co-freie TDK Ferritmagnet weist die gleichen Eigenschaften wie das Material FB9 auf.

Allerdings enthalten die leistungsfähigen Ferritmagnete noch die Spurenelemente Lanthan (La) und Kobalt (Co), um die intrinsische Koerzitivkraft zu erhöhen. Obwohl Ferritmagnete eine geringere magnetische Energie als Neodym-Magnete besitzen, entfällt auf sie, nach Gewicht betrachtet, über 90 Prozent der weltweiten Magnetproduktion. Aus diesem Grund hat TDK als Technologieführer die Entwicklung von Magneten vorangetrieben, die sowohl frei von Seltenen Erden als auch von seltenen Metallen sind.

Wie bei den Dy-freien Neodym-Magneten kann in Ferritmagneten auf Lanthan und Cobalt verzichtet werden, indem man die kristallinen Ferritpartikel verfeinert und homogenisiert. So entstand ein neuer La-Co-freier Ferritmagnet mit den gleichen Eigenschaften, wie sie das Material FB9 (Abbildung 3) aufweist.

Das neue Material erhöht die Kosteneffizienz von Ferritmagneten und spart gleichzeitig Ressourcen ein. Zudem trägt es wesentlich dazu bei, die Abmessungen und das Gewicht von Elektromotoren zu verringern. Anfang 2013 wurde die Serienproduktion der ersten neuen Baureihe dieser Art aufgenommen.

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