Dieser Trend könnte jedoch teilweise durch die in den letzten Jahren beobachteten Verbesserungen bei der Wicklungseffizienz und der Kupferausnutzung kompensiert werden. In jedem Fall wird die zunehmende Elektrifizierung des Automobilmarktes den Kupferbedarf für Elektromotoren bis 2034 im Vergleich zu 2023 um das 3,1-Fache erhöhen.
Wofür wird Kupfer verwendet?
Ein Motor besteht aus einem stationären Bauteil (Stator) und einem rotierenden Bauteil (Rotor). Der Stator besteht in der Regel aus einem Stahlrahmen mit Kupferwicklungen zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes. Die Rotormaterialien variieren je nach Technologie. Permanentmagnetmotoren besitzen Magnete im Rotor, Induktionsmotoren verwenden Kupfer- oder Aluminiumstäbe, Schleifringläufermotoren verfügen über mehr Kupferwicklungen und Reluktanzmotoren bestehen überwiegend aus Stahl.
Durch den Verzicht auf Magnete erhöht sich der Kupfergehalt:
Induktionsmotoren haben sich von beliebten Antriebsmotoren zu Motoren entwickelt, die heute hauptsächlich für Sekundärantriebe eingesetzt werden. Je nachdem, ob sie einen Rotor aus Kupfer oder Aluminium besitzen, kann der Kupfergehalt im Vergleich zu Permanentmagnetmotoren höher sein. Der Schleifringläufermotor erweist sich als die optimale magnetfreie Alternative. Die Verwendung von Kupferwicklungen auf dem Rotor erhöht den Kupfergehalt des Motors signifikant; einige Beispiele weisen mehr als das Doppelte des Kupfergehalts eines vergleichbaren Permanentmagnetmotors auf.
Es gibt alternative Motortechnologien, die einen ähnlichen Kupfergehalt wie Permanentmagnetmotoren aufweisen könnten; beispielsweise besteht der Rotor eines Reluktanzmotors überwiegend aus Stahl und enthält weder Kupfer noch Aluminium. Diese Motoren litten jedoch traditionell unter Problemen mit Leistungsdichte, Geräuschentwicklung und Wirkungsgrad. Verschiedene Unternehmen arbeiten an solchen Konstruktionen, um Verbesserungen zu erzielen, doch ihre Leistungsfähigkeit wurde noch nicht in einem serienmäßig gefertigten Elektrofahrzeug demonstriert. Der neuartige Axialflussmotor bietet eine sehr hohe Leistungsdichte und benötigt daher, bezogen auf den Kupfergehalt pro kW Leistung, deutlich weniger Kupfer.
Relativer Kupfergehalt von Elektromotoren in Elektroautos. Quelle: IDTechEx
Wicklungstechnologie zur Reduzierung des Kupferverbrauchs:
Die obigen Ausführungen beziehen sich auf den Rotor, doch es werden Anstrengungen unternommen, den Kupferverbrauch in Statorwicklungen zu optimieren. Traditionell bestehen diese Wicklungen aus vielen kleinen, runden Drähten, die um den Stator gewickelt sind. Im Jahr 2021 erreichten Haarnadelwicklungen bei Elektrofahrzeugen einen ähnlichen Marktanteil wie Runddrahtwicklungen und übertrafen diese 2022 sogar. Bei der Haarnadelwicklung werden quadratische/rechteckige Drähte verwendet, wodurch der Füllfaktor der Nut erhöht wird. Dies ermöglicht eine bessere Ausnutzung des verfügbaren Platzes und reduziert die Menge an überschüssigen Kupferwicklungen an den Enden des Motors. Ein höherer Füllfaktor kann genutzt werden, um die Kupfermasse pro Motor zu erhöhen. Alternativ kann eine effizientere Füllung die Gesamtlänge (und damit den Kupferanteil) des Motors reduzieren, um die gleiche Leistung zu erzielen.
Die nächste Entwicklungsstufe besteht in der Vorwicklung dieser Gabelwicklungen, sodass nicht mehr jeder Stab einzeln eingesetzt und verschweißt werden muss. Dies verbessert die Herstellbarkeit, ermöglicht mehr Pole im Stator und reduziert die überstehenden Wicklungsenden weiter. Unternehmen wie Schaeffler, Lucid und BorgWarner, die ein ähnliches Konzept namens „S-Wicklung“ verwenden, haben dieses Verfahren bereits demonstriert.
Es ist auch möglich, Kupfer in den Statorwicklungen durch Aluminium zu ersetzen. Aluminium weist im Allgemeinen einen geringeren volumetrischen Wirkungsgrad auf, da für die gleiche Leistung wie Kupfer ein größeres Aluminiumvolumen benötigt wird. Der Hauptgrund für den Ersatz von Kupfer durch Aluminium liegt in dessen geringerem Gewicht und niedrigeren Kosten. Trotzdem geht IDTechEx davon aus, dass Kupfer in den meisten Anwendungen weiterhin das primäre Material für die Statorwicklung bleiben wird, außer in einigen speziellen Fällen, in denen der volumetrische Wirkungsgrad des Motors nicht kritisch ist.
Autor: Dr. James Edmondson, Forschungsdirektor bei IDTechEx
