Elektronikindustrie verzeichnet steigenden Bedarf

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Permanentmagnete aus Metallen der Seltenen Erden
Elektronikindustrie verzeichnet
steigenden Bedarf
Um sehr starke Permanentmagnete herzustellen, die sich auch nur durch hohe magnetische Feldstärken
entmagnetisieren lassen, kommen heute häufig die Metalle der Seltenen Erden zum Einsatz. Man verbaut
solche Magnete bei Elektromotoren, beispielsweise bei den Synchronmotoren. Doch weshalb eignen sich
diese Metalle eigentlich zur Herstellung von Permanentmagneten?
» Roland Büchi
In modernen Elektromotoren – man nennt
sie auch «EC-Motoren» oder «Brushless-Motoren» – kommen verstärkt Metalle der Seltenen
Erden zum Einsatz. Da unter anderem auch
deshalb die Nachfrage für diese Metalle auf
dem internationalen Rohstoffmarkt wächst,
hat sich in den letzten Jahren auch deren
Preis vervielfacht. Doch weshalb eignen sich
diese Metalle eigentlich zur Herstellung von
Permanentmagneten?
Autor
Prof. Dr. Roland Büchi ist Dozent an der School
of Engineering, ZHAW, [email protected]
fotolia
Ferromagnetismus kurz erklärt
Wie aus der Elektrotechnik bekannt, bewirkt
ein elektrischer Strom ein Magnetfeld. Bei dem
für das atomare Grundverständnis herangezogenen Bohr‘schen Atommodell bewegen
sich die Elektronen in Schalen um den Kern.
Zugleichg rotieren sie auch um ihre eigene
Achse. Die sich bewegenden Elektronen bewirken so ein Magnetfeld. Bei speziellen Materialien, den «ferromagnetischen Materialien»,
prägen sich jetzt Bereiche aus, in welchen diese Magnetfelder in dieselbe Richtung zeigen.
Diese Bereiche nennt man auch «Weiss‘sche
Bezirke» oder «Elementarmagnete».
Legt man nun von aussen ein magnetisches Feld an, so richten sich diese Elementarmagnete in der Richtung dieses Magnetfeldes
aus und verharren danach darin, auch wenn
man das Magnetfeld wieder abschaltet. Auf
Der Abbau und der Trennungsprozess der verschiedenen Seltene-Erden-Metalle sind sehr
aufwendig und mit strengen Umweltauflagen verbunden
diese Weise lässt sich ein Permanentmagnet
herstellen. Das Mass hierfür ist die Remanenzpolarisation JR.
Magnetische Anisotropie
Permanentmagnete sollte man aber nicht nur
polarisieren können, Ferromagnetismus allein
genügt also noch nicht. Ein Mass für deren
Qualität ist auch, dass sie eine hohe magnetische Anisotropie besitzen. Dies heisst, dass sie
sich nach der Polarisierung nur durch ein grosses Magnetfeld in die andere Richtung wieder
entmagnetisieren lassen. Das Mass hierfür
ist die Koerzitivfeldstärke HC. Da also sowohl
die Eigenschaften des Ferromagnetismus als
auch diejenigen der magnetischen Anisotro-
pie wichtig sind, braucht es immer Legierungen zur Herstellung von Permanentmagneten.
Aluminium-Nickel-Cobalt und Ferrite
Aluminium-Nickel-Cobalt (AlNiCo) war in
den 1930er-Jahren das erste Material zur
Herstellung von Permanentmagneten. Die
magnetische Remanenzpolarisation J R liegt
etwa bei 1,0 T (Tesla). Allerdings lässt sich
AlNiCo schon durch ein relativ schwaches
magnetisches Feld (Koerzitivfeldstärke) mit
HC = ca. 100 kA/m entmagnetisieren. Deshalb
wird dessen Einsatz heute immer weiter in
den Hintergrund gedrängt. Da die Magnetisierungskennlinie auch von der Temperatur abhängt, kommt das Metall oftmals in
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Präzisionsmessgeräten zum Einsatz. Es
weist nämlich eine sehr gute Temperaturstabilität auf.
Für die Massenproduktion von Permanentmagneten setzt die Industrie seit den 1950erJahren Ferrit, ein gesintertes und danach
magnetisiertes Gemisch aus Eisenoxid, Bariumoxid und Strontiumoxid, ein. Die Remanenzpolarisation liegt zwar mit JR = 0,4 T nur
knapp bei der Hälfte von AlNiCo, jedoch ist
die Koerzitivfeldstärke wesentlich grösser –
HC beträgt bis zu 300 kA/m.
Die Metalle der Seltenen Erden
Um sowohl den Wirkungsgrad als auch die
Leistungsdichte von Elektromotoren zu erhöhen, benötigt man Permanentmagnete mit
hoher Remanenzpolarisation und hoher Koerzitivfeldstärke. Zwischen den 1960er- und
1980er-Jahren stiess man in diesem Zusammenhang auf die Metalle der Seltenen Erden.
Um die für die Herstellung von Magneten
wichtigen Eigenschaften dieser Metalle zu
beschreiben, soll wieder das Bohr’sche Atommodell dienen.
Ein Teil der Gruppe der Seltenen Erden
sind die sogenannten Lanthanoide. Diese
Metalle besitzen die Ordnungszahlen von
58 (Cer) bis 71 (Lutetium). Zur Erinnerung –
die Ordnungszahlen beschreiben die Anzahl
Elektronen, welche sich um den Atomkern
bewegen. Grundsätzlich werden die inneren
Schalen dabei immer komplett aufgefüllt,
bevor eine nächste, weiter aussen liegende,
besetzt wird. Diejenigen Elemente, welche
im Periodensystem vor den Lanthanoiden
liegen, also eine kleinere Ordnungszahl als
diese aufweisen, lassen jedoch eine Schale,
die 4f-Schale, zuerst unbesetzt. Sie füllen zuerst weiter aussen liegende Schalen auf. Erst
beginnend mit Cer beginnt die Besetzung
dieser 4f-Schale. Bei Lutetium ist diese Schale schliesslich mit 14 Elektronen voll besetzt.
Dies hat einen Einfluss auf die magnetische
Anisotropie. Da die Elektronen der äusseren
Schalen die Elektronen der 4f-Schale abschirmen, behalten sie ihre Richtung und den Spin
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Die JH-Kurve einiger Seltene-Erden-Metalle im
Vergleich zu Ferrit
bei. Sie lassen sich nur durch das Anlegen
eines sehr grossen magnetischen Feldes ablenken.
Neodym-Eisen-Bor (NdFeB)
Die am häufigsten eingesetzte Legierung auf
der Basis der Seltenen Erden ist NeodymEisen-Bor. Im Vergleich zu Ferrit und AlNiCo
sind dessen Eigenschaften geradezu phänomenal: Die Remanenzpolarisation JR liegt bei
bis zu 1,4 T und die Elektronen der 4f-Schale
leisten bei der magnetischen Anisotropie
ganze Arbeit: die Koerzitivfeldstärke HC liegt
bei etwa 1000 kA/m und ist damit drei- bis
viermal grösser als diejenige von Ferrit. Reine Neodym-Eisen-Bor-Magnete weisen jedoch
zwei Nachteile auf. Einerseits sind sie nicht
korrosionsbeständig – deshalb benötigen sie
eine äussere Schutzschicht –, andererseits
weisen sie nur eine relativ geringe Temperaturstabilität auf. Durch Zusätze von anderen
Seltenen Erden verträgt Neodym-Eisen-Bor
jedoch immerhin etwa 150 °C.
Da die Werte 1,4 T und 150 °C häufig auch
in etwa den Spezifikationen der anderen in
Elektromotoren verwendeten Materialien
entspricht, beispielsweise bei der Sättigungsinduktion im Eisen bzw. den zugelassenen
Temperaturen in der Isolation, ist NeodymEisen-Bor heute eines der wichtigsten Materialien für Permanentmagnete, welche in der
Technik zum Einsatz kommen.
Samarium-Cobalt (SmCo) und
Samarium-Eisen-Stickstoff (SmFeN)
Mit den Seltenen-Erden-Metallen wurden viele Versuche im Hinblick auf die Herstellung
starker Permanentmagnete gemacht. Da sie
alle ähnliche Eigenschaften aufweisen, hat
sich auch noch ein anderes Element, nämlich
Samarium, durchgesetzt. Auch dieses wird
als Legierung mit einem ferromagnetischen
Material hergestellt, nämlich mit Cobalt. Sowohl die Remanenzpolarisation JR (ca. 1,2 T)
als auch die Koerzitivfeldstärke (ca. 800 kA/m)
liegen bei Samarium-Cobalt (SmCo) zwar
leicht tiefer als diejenige von NdFeB, jedoch
ist das Metall wesentlich temperaturstabiler
und weist auch eine höhere Korrosionsbeständigkeit auf.
Eine weitere Legierung ist SamariumEisen-Stickstoff (SmFeN). Dieses liegt mit der
Remanenzpolarisation JR und der Koerzitivfeldstärke etwa zwischen SmCo und NdFeB.
Die Permanentmagnete auf Basis von Samarium setzt man in der Praxis (noch) weniger
häufig ein, da sie teurer sind als die Magnete
auf der Basis von Neodym.
Gefahrenhinweise darf man nicht
ausser Acht lassen
Bei der Hantierung mit solch starken Permanentmagneten sei an dieser Stelle noch auf
eine Gefahr hingewiesen. Da man oftmals
mehrere Magnete in der gleichen Maschine
verbaut, und sich Nord- und Südpole bekanntlich anziehen, sollte man unbedingt
darauf achten, diese getrennt voneinander zu
montieren. Schmerzhafte Quetschungen von
Händen und Fingern sind sehr schnell passiert. Auch bei der Montage eines Magneten
allein kann es zu solchen Unfällen kommen,
da diese ja meistens mit Eisen verbaut sind,
das ebenfalls angezogen wird.
Vorkommen und Gewinnung
der Seltenen Erden
Der Name «Seltene Erden» ist nicht sehr treffend, er ist sogar irreführend gewählt, denn
diese Metalle sind keinesfalls selten in ihrem
Vorkommen, wie man das zur Zeit ihrer Entdeckung annahm. Das häufigste Material der
Lanthanoiden, Cer, kommt in der Erdkruste
sogar häufiger vor als beispielsweise Arsen
und Blei. Auch das seltenste Material der Seltenen Erden, Thulium, kommt immer noch
häufiger vor als Gold oder Platin.
Es gibt ein grosses Vorkommnis in der inneren Mongolei. China beherrscht deshalb
derzeit den Weltmarkt. Die Seltenen-ErdenMetalle kommen fast immer zusammen mit
anderen Seltenen Erden vor. Der Trennungsprozess der einzelnen Metalle ist deshalb sehr
aufwendig und mit strengen Umweltauflagen
verbunden.
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