Forschung an der Flux-Switching-Maschine

Im Zuge der Energiewende werden energieeffiziente Elektromotoren immer wichtiger. Eine Möglichkeit den Wirkungsgrad von Elektromotoren zu erhöhen, ist die Verwendung von hochenergetischen Permanentmagneten auf dem rotierenden Teil des Motors (Rotor). Eingesetzt werden hierfür derzeit sogenannte Neodym-Eisen-Bor-Magnete, da diese die höchste Energiedichte aufweisen. Diese Magnete haben jedoch einen großen Nachteil: Sie entmagnetisieren im Gegenfeld bereits bei niedrigen Temperaturen unter 100 Grad Celsius.

Da die Rotoren eines Motors nur bedingt gekühlt werden können, werden den Magneten deshalb Seltenerdelemente zugesetzt, insbesondere Dysprosium. Denn so lassen sich Temperaturen bis zu 200 Grad Celsius erreichen. Die Magnete sind dadurch jedoch deutlich teurer und haben eine schlechte Umweltbilanz. Da Dysprosium sehr selten ist, steigt der Preis der Magnete um bis zu 25 Prozent. Zudem ist der Abbau des Elements sehr umweltschädlich.

Marcel Lehr forscht an einer alternativen Lösung: der Flux-Switching-Maschine. Hier werden die Magnete im ruhenden Teil der Maschine, dem Stator, angeordnet. „Dadurch kann die Temperatur in den Magneten, zum Beispiel mit einer Wassermantelkühlung, deutlich verringert werden. Durch die reduzierte Betriebstemperatur schaffen wir es, den Dysprosiumgehalt der Magnete stark zu verringern oder können sogar dysprosiumfreie Magnete verwenden“, erklärt Marcel Lehr.

Für kleine Leistungen ist bereits bekannt, dass diese Bauart eine robuste und kostengünstige Alternative zu herkömmlichen Maschinen mit Magnetläufern ist. In seiner Forschung befasst der etit-Wissenschaftler sich daher ausführlich mit der Untersuchung von Flux-Switching-Maschinen größerer Leistung im Bereich 50 Kilowatt mit Überlastmomenten bis ca. 1000 Newtonmetern. Der von der ETG prämierte Beitrag fasst das Wirkungsprinzip, Auslegungsrichtlinien, einen Prototypbau und das thermische Dauerbetriebsverhalten einer Flux-Switching-Maschine, zeigt aber auch die prinzipiellen Nachteile dieses Maschinentyps auf.

Zur Person

Marcel Lehr absolviert von 2007 bis 2013 den Bachelor- und Masterstudiengang Elektrotechnik und Informationstechnik an der Technischen Universität Darmstadt. In dieser Zeit war er unter anderem Stipendiat im RWE Fellows Programm der RWE AG und Abteilungsleiter des Bereichs „High Voltage“ im TU Darmstadt Racing Team e.V. Außerdem absolvierte er ein Auslandssemester an der „Norwegian University of Science and Technology“ (NTNU) in Trondheim (Norwegen) und diverse Praktika, unter anderem bei der RWE AG und der Adam Opel AG. Seit 2013 ist Marcel Lehr als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fachgebiet für Elektrische Energiewandlung unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. Andreas Binder tätig. Seine Forschungsschwerpunkte sind die Auslegung und Bewertung elektrischer Maschinen mit Permanentmagneten im Stator.