98 % Wirkungsgrad: Neue Motoren setzen auf amorphen Stahl
Amorphe Metalle könnten Elektromotoren deutlich effizienter machen. Neue Motoren erreichen Wirkungsgrade von über 98 %.
Neue Elektromotoren aus amorphem Stahl reduzieren magnetische Verluste und steigern die Effizienz.
Foto: Horse Powertrain Limited
Elektromotoren sind die Arbeitstiere moderner Industriegesellschaften. Sie treiben Maschinen, Fahrzeuge, Pumpen oder Kompressoren an. Gleichzeitig gehören sie zu den größten Stromverbrauchern weltweit. Schätzungen zufolge entfallen mehr als 50 % des globalen Strombedarfs auf elektrische Motoren. In der Industrie liegt der Anteil sogar noch höher. Schon kleine Effizienzsteigerungen können daher enorme Energiemengen einsparen.
Ein Material rückt deshalb zunehmend in den Fokus von Forschenden und Ingenieuren: amorphe Metalle. Diese Legierungen besitzen eine ungewöhnliche atomare Struktur – und genau darin liegt ihr technischer Vorteil.
Inhaltsverzeichnis
Metalle ohne Kristallstruktur
Die meisten Metalle besitzen eine kristalline Struktur. Ihre Atome sind regelmäßig angeordnet und bilden ein Gitter. Amorphe Metalle dagegen erstarren so schnell aus der Schmelze, dass sich keine geordnete Struktur ausbilden kann. Die Atome bleiben in einer zufälligen Anordnung „eingefroren“.
Solche Materialien werden daher häufig als metallische Gläser bezeichnet. Um diese Struktur zu erzeugen, muss das geschmolzene Metall extrem schnell abgekühlt werden – teilweise mit Raten von bis zu einer Million Grad Celsius pro Sekunde.
Die ungewöhnliche Struktur verändert die magnetischen Eigenschaften des Materials. Genau diese Eigenschaften machen amorphe Metalle für Elektromotoren interessant. Der Materialforscher Motoki Ohta von der Shimane-Universität erklärt: „Amorphe Legierungen haben eine sehr hohe Leistungsfähigkeit im Bereich der Stromverteilung. Und, was wichtig ist, sie können sehr schnell magnetisiert werden.“
Wo Elektromotoren Energie verlieren
Im Inneren eines Elektromotors erzeugen Spulen im Stator ein wechselndes Magnetfeld. Dieses Feld treibt den Rotor an und erzeugt die Drehbewegung. Bei diesem Prozess entstehen jedoch Verluste.
Ein Teil dieser Verluste entsteht im magnetischen Kern des Motors. Dort treten zwei Effekte auf:
- Wirbelstromverluste: Induzierte Ströme im Metall erzeugen Wärme.
- Hystereseverluste: Energie geht verloren, wenn das Material ständig magnetisiert und entmagnetisiert wird.
Bei herkömmlichen Motoren bestehen die Kerne aus dünnen Blechen aus Siliziumstahl. Diese Lamellen reduzieren zwar die Wirbelströme, doch vollständig verhindern lassen sie sich nicht.
Hier setzen amorphe Metalle an. Sie besitzen eine besonders hohe magnetische Permeabilität und eine schmale Hystereseschleife. Dadurch sinken magnetische Verluste deutlich.
Extrem dünne Bleche im Motor
Ein weiterer Vorteil amorpher Materialien liegt in der Verarbeitung zu sehr dünnen Bändern. Diese werden anschließend zu Lamellen im Motorkern gestapelt. Beim neuen Amorphous Motor des Antriebsspezialisten Horse Powertrain sind die Bleche nur etwa 0,025 mm dick. Das ist ungefähr ein Zehntel der Dicke typischer Elektrostähle.
Die dünnen Lamellen begrenzen Wirbelströme im Kern besonders effektiv. Laut Hersteller sinken die Statorverluste dadurch um etwa 50 % im Vergleich zu vergleichbaren Konstruktionen. Der Motor erreicht laut Unternehmensangaben einen maximalen Wirkungsgrad von 98,2 %. Seine Spitzenleistung liegt bei 140 kW, das maximale Drehmoment bei 360 Nm.
Der Antrieb wurde erstmals auf dem IAA Summit 2025 vorgestellt und ist vor allem für Hybridantriebe gedacht. Ingo Scholten, stellvertretender Chief Technology Officer von Horse Powertrain, erklärt:
„Diese neueste Innovation zeigt das kontinuierliche Engagement von Horse Powertrain im Bereich Forschung und Entwicklung und bietet Zulieferern und OEMs die Werkzeuge, um die Messlatte in Sachen Kraftstoffverbrauch und Emissionsleistung höher zu legen.“
Kleine Effekte mit großer Wirkung
Auf den ersten Blick wirkt die Effizienzsteigerung überschaubar. Laut Hersteller könnte der Einsatz solcher Motoren den Energieverbrauch eines Hybridfahrzeugs um etwa 1 % senken.
Im Alltag eines einzelnen Fahrzeugs fällt dieser Unterschied kaum auf. In der Summe vieler Fahrzeuge sieht die Rechnung jedoch anders aus. Wenn Millionen Motoren etwas weniger Energie verlieren, wächst daraus ein spürbarer Effekt für Verbrauch und Emissionen.
Ein weiterer Vorteil zeigt sich im Betrieb. Amorphe Metalle reduzieren die Verluste im magnetischen Kern. Dadurch entsteht weniger Wärme. Der Motor bleibt kühler, was Bauteile schont und die Lebensdauer erhöhen kann. Gleichzeitig eröffnen sich neue Spielräume beim Design. Ingenieurinnen und Ingenieure können Motoren kompakter auslegen oder Kühlsysteme kleiner dimensionieren.
Forschung arbeitet an neuen Motorkonzepten
Auch in der akademischen Forschung wächst das Interesse an amorphen Motorkernen. In Japan arbeitet ein Konsortium aus Industrie und Wissenschaft an Motoren der nächsten Generation.
Ein Prototyp für Drohnen zeigt das Potenzial der Technologie. Der etwa sechs Zentimeter große Motor liefert das gleiche Drehmoment wie ein konventioneller Motor mit Siliziumstahlkern, benötigt aber deutlich weniger elektrische Leistung.
Außerdem entsteht im Betrieb wesentlich weniger Wärme. Solche Eigenschaften sind besonders für Anwendungen interessant, bei denen Gewicht, Effizienz und Kühlung eine große Rolle spielen. Dazu zählen etwa Drohnen, medizinische Pumpen, Kompressoren oder Hochleistungsventilatoren.
Warum amorphe Motoren noch selten sind
Trotz ihrer Vorteile sind amorphe Metalle in Elektromotoren bislang selten. Der wichtigste Grund liegt in der Herstellung. Die Produktion amorpher Legierungen erfordert eine extrem schnelle Erstarrung der Schmelze. Dieses Verfahren ist technisch anspruchsvoll und benötigt spezielle Anlagen.
Hinzu kommt ein weiteres Problem: amorphe Metallbänder sind sehr hart und gleichzeitig relativ spröde. Beim Stanzen oder Biegen können leicht Mikrorisse entstehen. Auch die Kosten liegen derzeit noch über denen klassischer Elektrostähle. Erst wenn Fertigungsprozesse effizienter werden, dürfte sich das Material stärker im Motorenbau durchsetzen.
Eine bekannte Technologie mit neuer Anwendung
Ganz neu sind amorphe Metalle allerdings nicht. Bereits seit den 1980er-Jahren werden sie in Stromverteilungstransformatoren eingesetzt. Transformatoren verursachen einen erheblichen Teil der Energieverluste im Stromnetz. Kerne aus amorphen Metallen reduzieren diese Verluste deutlich.
Die Übertragung dieses Prinzips auf Elektromotoren ist daher ein logischer Schritt. Mit zunehmendem Druck, Energie effizienter zu nutzen, könnte die Technologie künftig an Bedeutung gewinnen.
Ein Material mit großem Potenzial
Elektromotoren stehen im Zentrum vieler Technologien der Energiewende. Von Elektrofahrzeugen über Wärmepumpen bis hin zu industriellen Anlagen – überall arbeiten Motoren.
Wenn sich amorphe Metalle wirtschaftlich verarbeiten lassen, könnten sie dazu beitragen, diese Systeme effizienter zu machen. Der Forscher Motoki Ohta formuliert das Ziel so: „Mehr als die Hälfte des weltweiten Stromverbrauchs entfällt auf Motoren, daher gibt es einen riesigen Markt dafür.“
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