Handhabungstechnik

Wenn Erde selten ist...,

...handelt es sich immer um "Seltene Erden", denen angesichts massiver Bestrebungen, Energie einzusparen, ebenfalls große Bedeutung zukommt. Im periodischen System der Elemente stehen die 17 anorganischen Stoffe mehrheitlich in Gruppe 3.

Diese Metalle sind in kleinen Mengen ausschließlich in der Erdkruste zu finden. Hinsichtlich des diesbezüglich chinesischen Monopols (97 Prozent des Weltmarktes) und der damit verbundenen Importerschwernisse eröffnen sich Alternativen. Jüngsten Meldungen zufolge entdeckten japanische Geologen im tiefen Meeresbodens umfangreiche Vorkommen. Zudem werden die genannten Elemente aus Glasbruch extrahiert. Außerdem bietet sich die Mongolei als neues Lieferland. Für viele HighTech-Produkte sind solche Minerale unverzichtbar. Beispielhafte Wirksamkeit entwickeln Seltene Erden in elektrischen Maschinen. Deshalb werden sie für wichtige Zukunftstechnologien wie etwa die Erneuerbaren Energien (Wind-, Meeresgeneratoren u. a.) und die E-Mobility unverzichtbar. Wegen weiterer Innovationen steigt die Nachfrage drastisch.

Seltene Erden

Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM, mit – Integralmotor – und ohne Drehzahlregler 0.37–22 kW, Serie HPI, HPS der Fa. Lafert, Effizienzklassen IE 3/4. (Quelle: www.directindustry.de)

Zu den Seltenerdmetallen Scandium Sc, Yttrium Y und Lanthan La gehören ebenfalls die 14 Elemente der Lanthanoide (Cerium Ce, Dysprosium Dy, Europium Eu, Erbium Er, Gadolinium Gd, Holmium Ho, Lutetium Lu, Neodym Nd, Praseodym Pr, Promethium Pm, Samarium Sm, Terbium Tb, Thulium Tm sowie Ytterbium Yb).Trotz ihrer historisch bedingten Bezeichnung kommen manche von ihnen (Yttrium, Cer, Neodym Nd Thulium) häufiger vor als beispielsweise Blei, Molybdän, Arsen, ja sogar als Platin und Gold.
Ihre ungewöhnlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften machen Seltenerdmetalle für sehr viele HighTech-Disziplinen unentbehrlich. Ihre elitären Merkmale erzeugt eine besondere Kristallstruktur. Als besonders bedeutsam zählt die Fähigkeit, energiereiche Legierungen für Permanent-PM-Magnete zu bilden. Beimischungen Seltener Erden bewirken nämlich, dass magnetisiertes Eisen seine Wirkung behält und sich zu einem Hartmagneten wandelt.

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Metalle der Seltenen Erden (Rare Earth Elements)

Stoffart: 17 chemisch ähnliche Mineralien mehrheitlich in der Gruppe 3 des periodischen Systems
Materialeigenschaft: metallisch
Verwendungsschwerpunkt: Neodym, Praseodym, Dysposium, Terbium, Samarium, Lanthan, Cerium, Thulium
Haupteinsatz: Permanentmagnet (Neodym) für elektrische Maschinen der oberen Wirkungsgradklassen (IE 3, 4), E-Mobilität, Generatoren für Wind-, Wasserkraft, Kleinmotoren (für Festplatten, Lüfter u.a.), E-Werkzeuge
Weitere Anwendungen: Batterie, Magnet für Medizintechnik, diagnostische Radiologie, Mobilfunk, Leuchtstoff (Terbium für LED, Monitor, Energie-Sparlampe), Optik, Brennstoffzelle, Supraleiter, Glasfaserkabel, Laser, Spezialpoliermittel, Gettermetall, Katalysator u.v.a.m.

Anwendung

Der Einsatz reicht von Metall-, Glasindustrie über Flugzeugbau bis zu Elektronik, Elektro-/Energietechnik und Medizin. Die Hauptanwendung Dauermagnet bevorzugt für den Elektromaschinenbau löst seit den 60igern mit Seltenerdemagneten kostengünstig Alnico und Ferrit ab. Höchste Energiedichte > 400 kJ/m3 flankiert große Remanenz und Koerzitivkraft.

Elektrische Maschinen

Mit Elektroantrieben lässt sich viel elektrische Energie einsparen, da sie ungefähr 70 Prozent des in der Wirtschaft umgesetzten elektrischen Stroms verbrauchen. Ihre Komponente Motor steuert einen erheblichen Anteil bei (rund 10 Prozent). Besonders energieeffizient zeigen sich Motore synchroner Bauart, sofern bei ihnen Permanentmagnete die elektrische Feldwicklung ersetzen. Derartige Energiesparmotore verzichten vollständig auf die elektrische Erregerleistung, die bis zu fünf Prozent der Motortypenleistung betragen kann. Gegenüber Gleichstrommaschinen, sogar im Vergleich zu Asynchronmotoren, schneiden PMSM bei nahezu allen technischen und betriebswirtschaftlichen Beurteilungskriterien erheblich besser ab. Bedingt durch kostengünstigere PM-Materialien (Neodym-Eisen-Bor) hoher Energiedichte sowie infolge verbesserter Herstellungstechnologie konzentriert sich gegenwärtig der Fortschritt im Elektromaschinenbau auf die PMSM. In Kombination mit dem Umrichter kann der damit ausgerüstete Antrieb wie die asynchrone Maschine im Feldschwächbereich arbeiten.

Synchrone PM-Maschinen - gleichfalls in der Ausführung als elektronisch kommutierte (EC)-Gleichstrommotoren - kennzeichnen

  • höherer Wirkungsrad infolge geringerer Verluste,
  • kleineres Gewicht und Volumen,
  • verbesserte Dynamik,
  • aufwandsärmere Fertigung.
  • Ihre Baugrößen überstreichen

Ihre Baugrößen überstreichen als Innenoder Außenpolläufer den gesamten Leistungs- und Drehzahlbereich mit Luft- oder Flüssigkeitskühlung. Angewendet werden sie als

  • Stromrichtermotor, High-Speed-Motor bzw. Schnellläufer oder High-Torque- Motor bzw. Langsamläufer, bürstenloser DC-Motor bzw. Brushless- oder EC-Motor, PM-Linearmotor in Kurzstatorausführung Kurzstatorausführung, PM-Transversalflussmaschine für industrielle Lösungen jeglicher Art,
  • Traktions- und Schiffsmotor,
  • getriebelose Maschine für Windkraftanlagen,
  • Direkt- und Integralantrieb,
  • Servomotor für Positionierung und Bewegung,
  • Hilfs-, Hauptmotor in der Kraftfahrzeugtechnik,
  • Motor für Daten- und Bürotechnik, für Werkzeuge, Haushalt (Ablösung des Universalmotors) u. ä..

Neuerdings drängen Reluktanzmaschinen in dieses Segment.

Ersatzstoffe

Forscher fahnden weltweit nach Ersatzstoffen. Dazu zählen Eisen-Kobalt-Legierungen (FeCo) sowie mikroskalige Fertigungsverfahren für Nanokomposite beziehungsweise -pulver aus Zinn-Kobalt mit geringerem Bestandteil an Seltenen Erden. Optimistische Aussagen prophezeien trotzdem stärkere Magnete.

Joachim Krause

INFOBOX

Magnetismus: Ferromagnetische Legierungen bestehen aus Elementarmagneten der sog. Weiß`schen Bezirke. In der Regel sind sie so ungeordnet, dass sich ihre äußere magnetische Wirkung aufhebt. Ausnahmen zeigt das Dauermagnetfeld (PM-Magnet) aus parallel gerichteten Kleinstmagneten. Ein solches Mineral ist zum Beispiel Magnetit. Die einheitliche Ausrichtung der Elementarmagnete zum messbaren Feld des Elektro- beziehungsweise Weichmagnet bewirkt vorübergehend eine stromdurchflossene Spule mit Eisenkern.


PM-Magnet: Ferromagnetische Stoffe erzeugen nach dem starken, einmaligen Aufmagnetisieren dauerhaft ein Energie speicherndes Magnetfeld. Verlustfrei wird so der Elektromagnet ersetzt. Beim Dauermagneten umschließt die fast rechteckförmige Magnetisierungskennlinie B = f(H) eine große Fläche, da Koerzitivkraft Hc und Remanenz Br gegenüber Elektromagneten vergleichsweise groß sind. Beim Ferromagnetismus richten sich alle Magnete parallel aus.

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