Hersteller von Elektroantrieben kämpfen seit Jahren mit einer prinzipbedingten Herausforderung: Entweder setzen sie auf hocheffiziente Permanentmagnetmotoren mit Seltenen Erden – oder auf magnetfreie Konzepte mit Kompromissen bei Wirkungsgrad und Baugröße. Nun will das US-Unternehmen Jacobi Motors diesen Zielkonflikt mit einer neuen Antriebstechnologie aufgelöst haben. Die sogenannte VFMM-Technologie (Variable Flux Memory Motor) kombiniert einen permanentmagneterregten Elektromotor (ohne seltene Metalle wie Neodym oder Dysprosium) mit einem Magnetfeld, das sich während des Betriebs verändern und anschließend speichern lässt.
Variable Magnetisierung statt starrer Dauermagnete
Klassische Permanentmagnetmotoren sind in Elektroautos weit verbreitet. Sie arbeiten mit starken Magneten aus Materialien wie Neodym oder Dysprosium und erreichen dadurch hohe Leistungsdichten sowie sehr gute Wirkungsgrade. Ihr Nachteil liegt allerdings darin, dass die Magnetisierung dauerhaft erhalten bleibt und sich im Betrieb nicht verändern lässt. Vor allem bei hohen Drehzahlen entsteht daraus ein Effizienzproblem. Während beim Anfahren ein starkes Magnetfeld für hohes Drehmoment erwünscht ist, wird bei Autobahntempo deutlich weniger magnetischer Fluss benötigt. Da klassische Magnete nicht schwächer werden können, muss die Leistungselektronik vor allem bei höheren Drehzahlen aktiv gegen das Rotorfeld arbeiten. Diese sogenannte Feldschwächung kostet Energie und reduziert den Gesamtwirkungsgrad.
Jacobi Motors verfolgt einen anderen Ansatz. Statt auf extrem starke Neodym-Magnete setzt die VFMM-Technologie auf Materialien mit deutlich geringerer Feldstärke – spezielle AlNiCo-Legierungen aus Aluminium, Nickel und Kobalt. Diese Werkstoffe bleiben ebenfalls dauerhaft magnetisch, wenn auch längst nicht so stark. Dafür lassen sie sich vergleichsweise leicht ummagnetisieren. Auf diese Weise kann der Motor seine Magnetisierung an die Fahrsituation anpassen: Beim Anfahren wird ein hoher Magnetfluss eingestellt, um maximale Zugkraft bereitzustellen. Bei höheren Geschwindigkeiten wird die Magnetisierung reduziert. Der Rotor erzeugt dann dauerhaft ein schwächeres Feld und benötigt keine energieintensive Feldschwächung mehr.
Wie der "Gedächtnismotor" in Millisekunden umschaltet
Der technische Kern der VFMM-Technologie liegt in der kontrollierten Veränderung des Magnetzustands während des Betriebs. Möglich wird das durch das Zusammenspiel aus Magnetwerkstoff und Leistungselektronik. Im Inneren eines Permanentmagneten befinden sich unzählige sogenannte magnetische Domänen – also mikroskopisch kleine Bereiche, deren Ausrichtung die Stärke des Magnetfelds bestimmt. Während diese Strukturen bei Neodym-Magneten nahezu unveränderlich sind, können sie bei AlNiCo gezielt neu angeordnet werden.
Dafür muss der Inverter über die ohnehin vorhandenen Statorwicklungen einen extrem kurzen Hochstromimpuls erzeugen. Dieser dauert oft weniger als eine Millisekunde, erzeugt jedoch kurzfristig ein ausreichend starkes Magnetfeld, um die magnetischen Domänen im Rotor neu auszurichten. Der entscheidende Unterschied zu fremderregten Maschinen: Nach dem Impuls bleibt der neue Zustand erhalten. Der Rotor benötigt keinen dauerhaften Erregerstrom. Der Motor speichert seine Magnetisierung – daher die Bezeichnung "Memory Motor".
Elektronische Steuerung löst das Problem
Die eigentliche Herausforderung liegt dabei nicht im Material, sondern in der Regelung. Die Steuerung muss exakt berechnen, in welchem Moment, mit welcher Stromstärke und bei welcher Rotorposition der Impuls ausgelöst wird.
Bereits geringe Abweichungen könnten zu einer falschen Magnetisierung führen. Die besondere Innovationsleistung von Jacobi Motors liegt deshalb in der Kombination aus Leistungselektronik, Software und hochpräziser Motorregelung.
Mehr Effizienz und neue Einsatzmöglichkeiten
Der variable Magnetfluss eröffnet mehrere Vorteile gleichzeitig. Da der Motor sein Magnetfeld immer an den aktuellen Lastzustand anpassen kann, sinken insbesondere im Teillast- und Hochdrehzahlbereich die elektrischen Verluste. Dadurch steigt die Gesamteffizienz des Antriebs und die Reichweite kann bei gleicher Batteriegröße zunehmen. Ein weiterer Vorteil betrifft die Sicherheit. Klassische Permanentmagnetmotoren erzeugen auch bei einem Defekt des Inverters weiterhin elektrische Spannung, solange sich der Rotor dreht. Ein VFMM kann dagegen gezielt entmagnetisiert werden. Der Motor wird innerhalb kürzester Zeit praktisch spannungsfrei und damit eigensicher.
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Jacobi Motors sieht deshalb nicht nur Anwendungen im Automobilbereich – vom E-Motorrad bis zum schweren Nutzfahrzeug –, sondern auch in Windkraftanlagen und industriellen Antrieben. Dort könnte die Möglichkeit, Magnetfelder aktiv anzupassen oder im Fehlerfall vollständig abzuschalten, zusätzliche Vorteile bringen. Noch ist offen, wie schnell sich das Konzept in die Großserie übertragen lässt. Technisch zeigt die VFMM-Technologie jedoch einen ungewöhnlichen Weg, der sich in Zukunft auszahlen könnte.
