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Geschalteter Reluktanzmotor (Tesla Model 3)

Geschalteter Reluktanzmotor

Im Tesla Model 3 kommt ein geschalteter Reluktanzmotor (Englisch: switched reluctance motor (SRM)) zum Einsatz. Warum entscheidet sich Tesla für einen neuen Motor und baut nicht einfach weiterhin normale Synchron- und Asynchronmotoren in ihre Autos? Dies hat vor allem einen Grund, man möchte bei der Produktion weniger Seltene Erden verbrauchen. 

Seltene Erden

Die Bezeichnung Seltene Erden ist eigentlich missverständlich, denn sie stammt noch aus der Zeit der Entdeckung dieser Elemente. Sie beruht auf der Tatsache, dass sie zuerst in seltenen Mineralien gefunden und aus diesen in Form ihrer Oxide (früher "Erden") isoliert wurden.

Einige (Cerium, Yttrium und Neodym) kommen in der Erdkruste häufiger vor als Blei, Molybdän oder Arsen. 

Thulium, das seltenste Element der Seltenen Erden, ist immer noch nicht so selten wie Gold oder Platin. Es folgt eine Liste aller Seltener Erden:

  • Scandium (Sc, Ordnungszahl 21)
  • Yttrium (Y, Ordnungszahl 39)
  • Lanthan (La, Ordnungszahl 57) sowie die 14 auf das Lanthan folgenden Elemente, die Lanthanoide
  • Cerium (Ce, Ordnungszahl 58)
  • Dysprosium (Dy, Ordnungszahl 66)
  • Europium (Eu, Ordnungszahl 63)
  • Erbium (Er, Ordnungszahl )
  • Gadolinium (Gd, Ordnungszahl 64)
  • Holmium (Ho, Ordnungszahl 67)
  • Lutetium (Lu, Ordnungszahl 71)
  • Neodym (Nd, Ordnungszahl 60)
  • Praseodym (Pr, Ordnungszahl 59)
  • Promethium (Pm, Ordnungszahl 61)
  • Samarium (Sm, Ordnungszahl 62)
  • Terbium (Tb, Ordnungszahl 65)
  • Thulium (Tm, Ordnungszahl 69)
  • Ytterbium (Yb, Ordnungszahl 70)

Für die Prodution von Elektromotoren ist vor allem das Element Neodym von Bedeutung. Es hat einen Schemlzpunkt von 1297K (1024°C) und eine Dichte von 7.003 g/cm3. Mit der Neodym-Eisen-Bor Legierung können starke Permanentmagneten hergestellt werden, welche zuhauf in Elektromotoren verbaut werden. 

Doch 2011 kam es bei den Seltenen Erden (inkl. Neodym) zu einer beispiellosen Kostenexplosion. 

Gründe für die Kostenexplosion

Wirklich selten sind die Seltenerdmetalle nicht, eigentlich kommen sie überall vor, allerdings in sehr kleinen Mengen. Grössere, wirtschaftlich rentable Lagerstätten sind spärlich gesät. Bis zu 97 Prozent der geförderten Seltenerdmetalle kommen aus China. 97% Marktanteil? Das riecht verdächtig nach einem Monopol! (Wirtschaft, 1. Semester). 

Tatsächlich erhöhte China 2011 die Preise, laut Angaben der chinesischen Regierung um Umweltschäden zu reduzieren. Ob dies tatsächlich so war, lässt sich nur schwer sagen. Es scheint als wollte China hier künstlich die Preise nach oben zu drücken. Dies schien auch zu gelingen, der Preis für das Element Neodym schoss kurzzeitig bis um das zehnfache in die Höhe. Dies blieb natürlich nicht lange ohne Reaktion... 

Gegenmassnahmen

Grundsätzlich gibt es drei Varianten wie man dieser Monopolstellung von China begegnen kann: 

Wirtschaftliche und handelspolitische Massnahmen:

  • Streitschlichtungsorgan der Welthandelsorganisation (WTO). 
  • Repressive Massnahmen gegen China...
  • ...bis hin zu einem Handelskrieg.
  • Stärkere einheimische Förderung, welche aber nur beschränkt rentable ist. 

Tatsächlich gab es für China einen Rüffel von der WTO und weniger als ein halbes Jahrzehnt später wurde Donald Trump ins Weisse Haus gewählt. Die Politik von Trump ist im Wesentlichen geprägt durch einen restriktiven Umgang mit China. Unglücklicherweise führen solche Massnahmen aber auf beiden Seiten zu Schäden, so ist die US-Wirtschaft zwar stärker als noch zuvor, doch sind die Staatsausgaben weiterhin sehr hoch und die Verschuldung nimmt weiter zu. Mit dem Ausbruch des Coronavirus COVID-19 scheint sich die wirtschaftliche Situation für beide Länder nicht zu verbessern. 

Politische und gesellschaftliche Massnahmen:

  • Demonstration vor der chinesischen Botschaft.
  • Verbessertes Recycling von Seltenen Erden.
  • Weniger Konsum.

Solche Massnahmen sind spätestens seit 2018 vor allem in linken Kreisen sehr populär. Vor allem das verbesserte Recycling verspricht viel Potenzial. Hingegen bleibt weniger Konsum bis auf Weiteres, aufgrund des Bevölkerungswachstums, ein Wunschdenken. Demostationen vor der chinesischen Botschaft sind reine Zeitverschwendung. 

Technische Massnahmen:

  • Optimierung bestehender Antriebssysteme.
  • Suche nach alternativen Antriebssystemen.
  • Einen geschalteten Reluktanzmotor in ein E-Auto einbauen. 

Für jedes Problem findet man eine Lösung, wenn man nur genug finanzielle Ressourcen in die Forschung und Entwicklung steckt. Tatsächlich hat die Industrie 2011 die Zeichen der Zeit erkannt und investiert entsprechend in neue Technologien wie das Beispiel des geschalteten Reluktanzmotors zeigt. Auch staatliche Universitäten und Fachhochschulen beteiligen sich an Grundlagen-Forschungsprojekten. 

Technik

Der Motor kommt ohne Permanentmagnete aus (Neodym). Die Reluktanzkraft sorgt für die Bewegung des Rotors, der aus Materialien wie Elektroblech aufgebaut ist.

Die Bewegung kommt dadurch zustande, dass das System nach minimalem magnetischem Widerstand (Reluktanz) strebt. 

Reluktanzmotoren haben unterschiedliche Anzahl ausgeprägter Zähne an Rotor und Stator. Die Statorzähne sind mit Spulen bewickelt, die abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden. 

Die Zähne mit den bestromten Wicklungen ziehen jeweils die nächstgelegenen Zähne des Rotors wie ein Elektromagnet an.

Dann werden sie abgeschaltet, wenn (oder kurz bevor) die Zähne des Rotors den sie anziehenden Statorzähnen gegenüberstehen. 

In dieser Position wird die nächste Phase auf anderen Statorzähnen eingeschaltet, die andere Rotorzähne anzieht. 

Normalerweise werden drei oder mehr Phasen verbaut. Es gibt aber auch Sonderbauformen mit nur zwei oder einer Phase. Sowohl als Motor als auch als Generator (Switched Reluctance Generators (SRG)) erhältlich.  

Vorteile

  • Einfacher Aufbau.
    • Niedrige Herstellungskosten. 
    • Niedriger Wartungsaufwand.
    • Keine Rotorwicklung = Geringes Trägheitsmoment = Dynamische Drehzahländerungen.
  • Motor lässt sich gut kühlen, da die meiste Wärme am Stator entsteht. 
    • Gut geeignet in warmen Umgebungen.
  • Keine temperaturempfindlichen Werkstoffe (Permanentmagnete).
    • Kurzzeitige Überlastbarkeit ist möglich.
      • z.B. während des Beschleunigungsvorgangs eines E-Autos.
  • Unabhängigkeit von Seltenen Erden und weniger Kupferverbrauch.
  • Hoher Wirkungsgrad.
  • Keine Bürsten.
    • Weniger Verschleiss.

Nachteile

  • Geringe Drehmomentdichte.
  • Pulsierendes Drehmoment.
  • Höhere Geräusche-Entwicklung.
  • Rotorlagegeber nötig.

Anwendungsgebiete

Tesla Model 3

  • Hinterradachse
  • In Zukunft auch bei Model S und Model X.

Industrie

  • Nur vereinzelte Anwendungen.

Momentan nur wenige Anwendungsgebiete, aber ein grosses Zukunftspotential. 

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