Magnettechnik Magnetwerkstoffe – Messverfahren und Magnetauslegung

Häufig von Teilnehmenden gestellte Fragen zum Thema "Magnetwerkstoffe"

Könnten Sie uns einen Überblick über die wichtigsten Magnetwerkstoffe und ihre Anwendungen in der heutigen Elektrotechnik geben?

Bei den magnetischen Werkstoffen unterscheiden wir die weichmagnetischen Werkstoffe, die auf ein äußeres Feld mit einer Änderung ihrer Magnetisierung reagieren, von den hart- oder dauermagnetischen Werkstoffen, die unabhängig vom äußeren Feld magnetisch bleiben.
Diese magnetische Härte, ausgedrückt als Koerzitivfeld, kann sich je nach Werkstoff um das mehr als Millionenfache unterscheiden. In beiden Gruppen gibt es die günstigen Ferrite, eine keramische Werkstofffamilie, und spezielle metallische Werkstoffe, die immer Eisen, Kobalt, Nickel oder ggf. Mangan enthalten.

Welche Eigenschaften machen bestimmte Magnetwerkstoffe besonders gut geeignet für spezifische Anwendungen?

Ein niedriges Koerzitivfeld wird bei induktiven Anwendungen wie Transformatoren, Drosseln, oder Relais benötigt. Hohe Koerzitivfelder sind bei Magnetwerkstoffen für Motoren, Generatoren, Haftmagneten, bei der magnetischen Ansteuerung für die Positionssensorik oder bei stromlos felderzeugenden Systemen nötig.

Wie hat sich die Entwicklung von Magnetwerkstoffen in den letzten Jahren verändert und wie beeinflusst dies die Elektrotechnik?

Magnete werden seit ihrer ersten Nutzung in Elektromotoren eingesetzt. Die Stärke der Magnete, ausgedrückt als Energieprodukt des Werkstoffes, hat sich über viele Größenordnungen gesteigert, bis in den 80er Jahren des letzten Jahrhunderts die Seltenerdmagnete entwickelt wurden. Viel stärkere Magnete wird es mit der heutigen Technik nicht geben, aber die Anwendungen haben sich deutlich erweitert. Heute ist die Magnetstärke in den Traktionsmagneten, d.h. Motoren höchster Leistungsdichte beispielsweise in der Elektromobilität maßgeblich. Neuere Anwendungen beispielsweise in der Sensorik, in Mikromotoren oder in der Messtechnik erfordern aber eher eine mechanische Präzision, Reproduzierbarkeit und Prozessfähigkeit und Robustheit gegenüber Störeinflüssen. Magnete in Kunststoffbindung erfüllen hier die Anforderung frei nach dem Magnetfabrik Bonn Motto „Genauer statt Power“

Welche Herausforderungen gibt es bei der Auswahl und Verwendung von Magnetwerkstoffen in elektrischen und elektronischen Systemen?

Da es sich hier meist um Massenprodukte handelt, ist die Wirtschaftlichkeit eine große Herausforderung. Made in Germany erfordert dabei hoch automatisierbare Prozesse. Aber auch die Reproduzierbarkeit, oder in der Sprache der Qualitätstechniken die „Prozessfähigkeit“ der Herstellung ist in komplexen Systemen aus mehreren 100 Bauteilen maßgeblich. Hier sticht der Spritzguss als sicherer Prozess positiv hervor.

Welche Rolle spielen Magnete in der Energieeffizienz und Leistungsoptimierung von Elektromotoren und Generatoren?

Bei den weichmagnetischen Werkstoffen sind die geringen Hystereseverluste und Wirbelstromverluste neben der Sättigungsmagnetisierung extrem wichtig. Bei den Permanentmagneten ist die magnetische Stärke, d.h. das Energieprodukt auch bei höheren Temperaturen maßgeblich. Hier kommt man teilweise ohne die stärksten Seltenerdmagnete nicht aus. Kunststoffgebundene Magnete helfen bei der Motorregelung durch eine optimale Positionserkennung, beispielsweise bei elektronisch kommutierten Motoren. Hier ist die Magnetstärke weniger ausschlaggebend.

Können Sie uns Einblicke in die neuesten Entwicklungen bei der Herstellung und Verarbeitung von Magnetwerkstoffen geben?

In den Grundlagen dreht sich vieles um die Optimierung der Eigenschaften in den bekannten Materialgruppen. Die Suche nach gänzlich neuen Werkstoffen orientiert sich regelmäßig an den sogenannten Heusler Legierungen oder aber an seltenerdfreien Legierungen von Übergangsmetallen. Aber es scheint fast, als wäre hier die Natur in ihrer Vielfältigkeit begrenzt in Form der endlichen Elemente des Periodensystems. Spannende Entwicklungen drehen sich um neue Systeme, d. h. geschickte Topologien sowie um die Nutzung moderne Verfahren, z. B. den 3D-Druck

Wie wirken sich Umweltaspekte und Nachhaltigkeit auf die Auswahl und Verwendung von Magnetwerkstoffen aus?

Bei der Energiewandlung, d. h. Motoren und Generatoren, dreht sich vieles um den Wirkungsgrad. Grundsätzlich erlauben starke Magnetwerkstoffe kleinere und effizientere Maschinen. Auf der anderen Seite sind Seltenerdmetalle sehr energieintensiv in der Gewinnung und Verarbeitung und begrenzt in der Verfügbarkeit. So gilt auch hier ein sparsamer und besonnener Umgang mit den Ressourcen.

Gibt es Trends in der Anwendung von Magnetwerkstoffen in neuen Technologien wie Elektromobilität und erneuerbare Energien?

Im Moment dreht sich vieles um die Frage, ob die Traktionsmotoren in Kraftfahrzeugen oder die Generatoren in Windkraftanlagen ohne Seltenerdmagnete auskommen. Hier gibt es viele Ideen und Motorenkonzepte. Man darf gespannt sein, auf die Entwicklung.

Wie sieht die Zukunft der Magnetwerkstoffe in der Elektrotechnik aus, insbesondere im Hinblick auf Innovationen und neue Anwendungen?

Für Techniker, Ingenieure, Physiker und Entwickler ist die Zukunft mit Sicherheit spannend. Da Magnete eine Vielzahl von unterschiedlichen Anwendungen haben, gibt es laufend neue Anforderungen und neue Lösungen. Das spannende ist, dass von grundlegenden Fragen aus der Mathematik bis hin zu großen politischen Themen alles dabei ist, ob für den Nerd oder für den Entwicklungsmanager.

Welche Empfehlungen haben Sie für Ingenieure und Fachleute in der Elektrotechnik bei der Auswahl und Verwendung von Magnetwerkstoffen, um optimale Ergebnisse zu erzielen?

Erst einmal ein gutes Verständnis der Zusammenhänge. Magnetwerkstoffe spielen in der Ausbildung eine geringere Rolle, als dies ihrer Bedeutung entspricht. Fortbildung und lebenslanges Interesse ist ein Muss für jeden, der vorne dabei sein will. Weiterhin ist die gesunde Mischung aus Theorie und Praxis, sowie oft ein interdisziplinärer Ansatz der Schlüssel für gute Lösungen.