Forschung // Energiewandler – Magnete
SmartPro – Key to Smart Products!
Neue Magnete für elektrische Energiewandler, die zu Grunde liegenden Materialien und Technologien, besitzen herausragende Bedeutung für ressourcenschonende Mobilität, erneuerbare Energie, sowie Industrieautomation (Industrie 4.0).
In den Projekten zu Energiewandlern dreht sich alles um Magnete, die zum Beispiel in Elektromotoren, Generatoren und anderen Systemen benötigt werden. Ziel ist zum einen, Magnete mit geringeren Mengen kritischer Rohstoffe (v. a. Seltenerdmetallen) herzustellen und ihre Haltbarkeit zu verbessern. Zum anderen wird die Wirkweise der Magnete in ihren Anwendungssystemen verbessert, um so Grundlagen für energieeffiziente Produkte zu legen.
Dazu arbeiten die SmartPro’ler mit Unternehmen entlang der gesamten Wertschöpfungskette zusammen. Besonders intensiv werden die Fragestellungen in den Impulsprojekten MagNetz (2017–2020) und Smart-MAG (2021–2024) verfolgt.
Smart-MAG
// Projektlaufzeit: 01.01.2021 bis 31.12.2024
Projektleitung
Prof. Dr. Dagmar Goll
Institut für Materialforschung Aalen
Tel.: +49 (0) 7361 576-1601
dagmar.goll@hs-aalen.de
Projektpartner
Hochschule Aalen
- Dr. Timo Bernthaler, Institut für Materialforschung
- Prof. Dr. Gerhard Schneider, Institut für Materialforschung
- Prof. Dr. Heinrich Steinhart, Institut für Antriebstechnik Aalen
- Prof. Dr. Markus Glaser, Zentrum für Zuverlässige Mechatronische Systeme
Unternehmen
- AMK Arnold Müller GmbH & Co. KG Antriebs- und Steuerungstechnik
- ANDREAS STIHL AG & Co. KG
- Antriebstechnik GmbH FAURNDAU
- Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
- Carl Zeiss Microscopy GmbH
- Daimler / Mercedes AG
- Dietz-motoren GmbH & Co. KG
- Dürr Technik GmbH & Co. KG
- Kessler & Co. GmbH & Co. KG
- MS-Schramberg GmbH & Co. KG
- Robert Bosch GmbH
- SEG Automotive Germany GmbH
- Vacuumschmelze GmbH & Co. KG
- Wieland-Werke AG
Weitere Forschungsinstitutionen
- Hochschule Pforzheim – Institut für strategische Technologie- und Edelmetalle (STI)
- Karlsruher Institut für Technologie (KIT) – Institut für Nanotechnologie (INT)
- Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme
- Universität Stuttgart – Institut für Elektrische Energiewandlung (IEW)
Transferakteure
e-mobil BW GmbH
Maßgeschneiderte und qualitätsgesicherte Magnetwerkstoffe für effizienzoptimierte Elektromotoren (Smart-MAG)
Die fortschreitende Elektrifizierung vieler Bereiche und der Ausbau der Windkraft erfordern leichte, kompakte, leistungsstarke und verlustarme Energiewandler-Maschinen. Unerlässlich sind dabei smarte Magnetmaterialien und intelligente Technologien zur deren Bewertung und vorausschauendem Betrieb zur Vermeidung von Entmagnetisierung in der Maschine. Im Impulsprojekt Smart-MAG werden diese Facetten betrachtet.
Der Bereich „Magnetwerkstoffe“ ist darauf ausgerichtet, für unterschiedliche Einsatzzwecke einen jeweils optimierten Werkstoff zu designen − unter Berücksichtigung von Leistung, Ressourceneinsatz, Wirtschaftlichkeit und Alterungsbeständigkeit. Maßgeschneiderte und qualitätsgesicherte Magnete ermöglichen die Reduzierung kritischer Rohstoffe (z. B. von Seltenerdmetallen) und schonen dadurch Ressourcen.
Zudem werden effizienzoptimierte Elektromotoren unter Beachtung ökonomischer und ökologischer Rahmenbedingungen entwickelt. Dadurch lassen sich Wirkungsgrad sowie Lebensdauer von Magneten und somit auch die Nachhaltigkeit der Geräte und Maschinen steigern. Dabei spielen die Bewertung und Sicherung der Qualität − auch im Betriebszustand − wichtige Rollen. Hierzu kommen zum Beispiel Machine-Learning basierte Methoden zum Einsatz.
Außerdem wird untersucht, wie Verluste minimiert werden können. Dies gelingt zum Beispiel über eine zuverlässige Bestimmung und anschließend spezifische Reduzierung der Einzelverluste. Durch die Entwicklung eines Modells zur Zustandsüberwachung von Maschinen sollen auch lebensdauerverkürzende Entmagnetisierungen der verbauten Magnete vermieden werden.
Smarte Magnetwerkstoffe und Werkzeuge ihrer Qualitätsbewertung für leichte, kompakte und effiziente Elektromotoren (MagNetz)
Magnete sind allgegenwärtig: in Elektromotoren, Generatoren und Aktoren in stationären wie mobilen Systemen und Akkugeräten. Magnettechnologien in diesen elektrischen Energiewandlern ermöglichen die effiziente Nutzung von Energie für intelligente Mobilität, Windkraft und Elektrowerkzeuge sowie Industrie 4.0-gerechte Fabrikautomation.
Die aktuell verwendeten magnetischen Materialien sind aufgrund der Verwendung von Seltenerdmetallen sehr kostenintensiv. Häufig zeigen sie auch erhöhte magnetische Verluste. Neue Magnetmaterialien, die in MagNetz adressiert und deren Eigenschaften auf die jeweiligen Systemanforderungen maßgeschneidert wurden, sind daher ein Schlüssel für marktattraktive energieeffiziente und ressourcenschonende Produkte. Um die Qualität der entwickelten smarten Magnetwerkstoffe zu gewährleisten, wurden Werkzeuge erarbeitet, die nicht nur die funktionalen Eigenschaften (Werkstoffqualität), sondern auch die Prozessqualität und die Alterungsbeständigkeit bewerten.
Zudem wurden die Voraussetzungen für ein passgenaues Design nachhaltiger Energiewandler-Maschinen verbessert. Dazu wurden Einzelverluste bilanziert und die Zustandsüberwachung zum Schutz der verbauten Magnete in einem Simulationsmodell abgebildet und an Mustermotoren mit optimierten Werkstoffen validiert.
MagNetz
// Projektlaufzeit: 01.01.2017 bis 31.12.2020
Projektleitung
Prof. Dr. Dagmar Goll
Institut für Materialforschung Aalen
Tel.: +49 (0) 7361 576-1601
dagmar.goll@hs-aalen.de
Projektpartner
Hochschule Aalen
- Dr. Timo Bernthaler, Institut für Materialforschung
- Prof. Dr. Arif Kazi, Fakultät Optik und Mechatronik
- Prof. Dr. Gerhard Schneider, Institut für Materialforschung
- Prof. Dr. Heinrich Steinhart, Institut für Antriebstechnik Aalen
- Prof. Dr. Markus Glaser, Zentrum für Zuverlässige Mechatronische Systeme
Unternehmen
- AMK Arnold Müller GmbH & Co. KG Antriebs- und Steuertechnik
- ANDREAS STIHL AG & Co. KG
- Antriebstechnik GmbH FAURNDAU
- Carl Zeiss Microscopy GmbH
- Daimler AG
- Dürr Technik GmbH & Co. KG
- Georgii Kobold GmbH & Co. KG
- GTS Generator. Technik. Systeme. GmbH & Co. KG
- Robert Bosch GmbH
- Vacuumschmelze GmbH & Co. KG
Weitere Forschungsinstitutionen
- Fraunhofer–Institut für Werkstoffmechanik (IWM)
- Karlsruher Institut für Technologie (KIT) – Institut für Nanotechnologie (INT)
- Max-Planck-Institut für intelligente Systeme
Transferakteure
- e-mobil BW GmbH
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Explorative Projekte
In den explorativen Projekten „ProxiMat“ und „DiMa“ des Anwendungsfelds Energiewandler wurden die Entwicklung und Herstellung von Magneten oder deren Qualitätssicherung mit Methoden der Künstlichen Intelligenz (Machine Learning) intensiv verfolgt. Im explorativen Projekt „SmartCycle“ stehen Recyclinglösungen für Magnetwerkstoffe im Mittelpunkt.
ProxiMat // Prozessinnovationen für Additive Fertigung oxidationsempfindlicher Materialien
01.08.2020 bis 31.10.2021
Die Entwicklung kosteneffizienter und ressourcenschonender Dauermagnete ist eine der Grundlagen für innovative Energiewandler für die Elektromobilität der Zukunft. Der Einsatz neuer Fertigungstechnologien wie die der Additiven Fertigung (z. B. 3D-Druck) eröffnen innovative Ansätze für die Produktion energie- und ressourceneffizienter Energiewandler für eine Vielzahl von Anwendungsgebieten. In dem Explorativen Projekt ProxiMat stand die Nutzung dieser Technologie zur Verbesserung der Eigenschaften von Dauermagneten im Mittelpunkt.
In einem innovativen Ansatz wurden im Labormaßstab optimierte, kleinstmögliche Korngrößen von additiv gefertigten Neodym-Eisen-Bor- Magneten mit ultrafeiner gerichteter Gefügestruktur experimentell ermittelt. In direktem Zusammenhang hiermit wurden auch alternative und wirtschaftlichere Verfahren zur Herstellung der verwendeten Ausgangslegierungen untersucht.
Ein weiterer Fokus in ProxiMat war die Erprobung eines Einsatzes der laserbasierten additiven Fertigung von Dauermagnetkomponenten aus Carbon-Eisen-Neodym, wie es zurzeit für gussgefertigte Elemente bereits möglich ist. Ebenso wurden die sich eröffnenden Möglichkeiten der Fertigungstechnik zur Herstellung von anisotropen Komponenten untersucht.
- Projektleitung
Prof. Dr. Dagmar Goll, Institut für Materialforschung Aalen
Dr. Timo Bernthaler, Institut für Materialforschung
Prof. Dr. Gerhard Schneider, Institut für Materialforschung
SmartCycle // Smarte Recyclinglösungen für Zukunftstechnologien
01.05.2023 – 31.07.2025
Recycling und Kreislaufwirtschaft der Materialien in den drei in SmartPro erforschten Anwendungsfeldern (Energiewandler, Energiespeicher und Leichtbau) sind für ein nachhaltiges Ressourcenmanagement unerlässlich. Im Fokus stehen Magnet- und Batterie- sowie Leichtbaumaterialien. Durch die Einführung effizienter Recyclingprozesse und die Anwendung der Prinzipien der Kreislaufwirtschaft können wertvolle Materialien und Rohstoffe zurückgewonnen werden. Dadurch werden die Notwendigkeit der Rohstoffgewinnung reduziert und die Umweltbelastung minimiert. Das Ziel des explorativen Projekts SmartCycle ist, neue Recyclingstrategien zu erforschen, Methoden weiterzuentwickeln und die Prinzipien der Kreislaufwirtschaft in den drei SmartPro-Anwendungsfeldern anzuwenden. Dieses Projekt wird dazu beitragen, neue Akzente in der Recyclinglandschaft zu setzen und somit Ressourcen zu schonen, die Energieeffizienz zu steigern, und einen nachhaltigeren und umweltbewussteren Ansatz bei der Herstellung und Verwendung von Magneten, Batterien und Leichtbaukonstruktionen unterstützen.
Um diese Ziele zu erreichen, ist SmartCycle in fünf Teilprojekte gegliedert, die sich an den drei SmartPro-Anwendungsfeldern (Energiewandler, Energiespeicher und Leichtbau) sowie der Querschnittsmethode Machine Learning orientieren.
- Projektleitung
Prof. Dr. Iman Taha, Lehrstuhl für Nachhaltige Werkstoffe in der Kunststofftechnik
Das Teilprojekt RecyMAG zielt auf die Entwicklung innovativer Recyclingprozesse für Magnetwerkstoffe, die zentrale Materialien in der Elektromobilität sind. Innovative Recyclingprozesse für Magnete ermöglichen, Seltenerdmetalle wie Neodym zu extrahieren, zu reinigen und wieder in den Produktionskreislauf rückzuführen. Wenn Elektromotoren das Ende ihres Lebenszyklus erreichen, können die magnetischen Komponenten daher wiederverwendet werden. Dadurch werden die Abhängigkeit von Rohstoffen verringert und die Umweltbelastung durch die Herstellung von Elektromobilitätsprodukten minimiert. Dies trägt zum Gesamtziel bei, den ökologischen Fußabdruck von Elektrofahrzeugen zu verringern.
- Teilprojektleitung
Prof. Dr. Dagmar Goll, Institut für Materialforschung Aalen
DiMa // Digitalisierungspotenziale der Materialforschung in SmartPro
01.10.2019 – 30.09.2020
Das Explorative Projekt DiMa wurde in vier Teilprojekten durchgeführt, deren Anwendungsschwerpunkt sich jeweils an einem Impulsprojekt orientierte. Dabei wurde die Methodenkompetenz von Machine Learning (ML) – Experten mit der Expertise in den weiteren Forschungsbereichen von SmartPro zusammengeführt. So konnten in interdisziplinären Ansätzen neue Forschungsinhalte zur passgenauen Weiterentwicklung von ML-Methoden für SmartPro generiert werden.
Die Teilprojekte waren jeweils einem Impulsprojekt zugeordnet und dienten als Ausgangpunkt für die Entwicklung des querschnittlich angelegten Impulsprojekts BEYOND mit dem Schwerpunkt Machine Learning.
MagTwin (zugeordnet dem Impulsprojekt MagNetz) fokussierte auf die Entwicklung des digitalen Zwillings eines Dauermagnetprüfstands. Hierbei wurden u.a. die Alterungsprozesse von Dauermagneten simuliert.
- Projektleitung
Prof. Dr. Ricardo Büttner, Wirtschaftsinformatik
- Projektpartner
Prof. Dr.-Ing. Sebastian Feldmann, Digitale Systemintegration im Maschinenbau
Prof. Dr. Dagmar Goll, Institut für Materialforschung Aalen
Verwandte Projekte
Die Arbeitsgruppen des SmartPro-Netzwerks an der Hochschule Aalen führen neben den SmartPro-Projekten zahlreiche weitere Forschungsvorhaben durch. Darin werden oft verwandte Fragestellungen verfolgt, die thematischen oder methodischen Bezug zu SmartPro aufweisen.
SmartPro // FH-Impuls:
Starke Fachhochschulen – Impuls für die Region
Die Hochschule Aalen hat sich mit SmartPro bundesweit in der Spitzengruppe der Fachhochschulen positioniert. Sie wird als eine von zehn Hochschulen in der Fördermaßnahme FH-Impuls des Bundesministeriums für Bildung und Forschung mit rund 10 Millionen Euro für gut acht Jahre bis 2025 gefördert. Kernziele sind der nachhaltige Ausbau des regionalen Transfer- und Kooperationsnetzwerks, die Stärkung der Forschung und Innovationskraft. SmartPro leistet Beiträge zu gesellschaftlichen Herausforderungen wie Klimaschutz, Mobilität und Digitalisierung.
