Befreiung von seltenen Erden: Magnetische Positionssensoren für eine intelligentere automobile Zukunft
Einführung: die Herausforderung der Seltenen Erden in der Automobilsensorik
Die Automobilindustrie vollzieht einen Elektrifizierungsprozess in beispiellosem Tempo. Elektrische Antriebsstränge, fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme und „Drive-by-Wire“-Architekturen werden zum Standard. Gleichzeitig stellen die Verknappung, die Kosten und die geopolitischen Risiken im Zusammenhang mit Seltenerdelementen eine zunehmende Herausforderung für herkömmliche Sensor- und Systemkonzepte dar.
Seltenerdmaterialien sind seit langem unverzichtbar für Magnetsensoren, insbesondere in Form von Hochleistungsmagneten wie Neodym und Samarium-Kobalt. Diese Materialien sind zwar leistungsstark und kompakt, jedoch schwer zu beschaffen, ihre Verarbeitung ist umweltschädlich und sie unterliegen volatilen globalen Lieferketten.
Diese Spannung wirft für Automobilingenieure und Systemdesigner eine grundlegende Frage auf: Wie lässt sich eine präzise, zuverlässige Positionserfassung erreichen und gleichzeitig die Abhängigkeit von Seltenerdmaterialien verringern?
Magnetische Positionssensoren in modernen Fahrzeugen
Magnetische Positionssensoren sind ein grundlegender Bestandteil moderner Anwendungen in der Automobilindustrie und der Industrie. Sie ermöglichen die präzise Messung von Position, Geschwindigkeit, Winkel, Drehmoment und Drehung, oft auf engstem Raum und unter rauen Umgebungsbedingungen.
Überall dort, wo Bewegungen gemessen werden müssen, erfolgt die Erfassung in der Regel entweder induktiv oder magnetisch, wobei jede Methode ihre eigenen Stärken hat. Die magnetische Sensorik, wie sie das Positionssensor-Portfolio von ams OSRAM bietet, ermöglicht ultrakompakte Lösungen in Automobilqualität, die strenge Anforderungen an funktionale Sicherheit und Zuverlässigkeit erfüllen.
Diese Sensoren erfassen Veränderungen im Magnetfeld und liefern präzise analoge oder digitale Signale über branchenübliche Kommunikationsprotokolle für die Automobilindustrie. Sie finden breite Anwendung in Antriebs-, Fahrwerks-, Lenk- und Bremssystemen – insbesondere in aufkommenden Drive-by-Wire-Anwendungen.
Ferrit- vs. Neodym-Magnete: Empfindlichkeit und Kompromisse
Sowohl Ferritmagnete als auch Neodym-Magnete finden in Automobilsystemen Anwendung, je nach Leistungsanforderungen, Kostenzielen und materialtechnischen Einschränkungen.
Neodym-Magnete, die auf Seltenerdelementen wie Neodym, Praseodym und Dysprosium basieren, erzeugen starke Magnetfelder bei kompakter Bauform. Dies vereinfacht die Signalerfassung und verbessert die Robustheit in rauscharmen Umgebungen.
Ferritmagnete hingegen sind seltenerdfrei, kostengünstig, reichlich vorhanden, korrosionsbeständig und hitzebeständig, erzeugen jedoch schwächere Magnetfelder. Der Einsatz von Ferriten stellt daher höhere Anforderungen an die Sensorempfindlichkeit und die Signalverarbeitung.
Gleichzeitig bringt die zunehmende Elektrifizierung von Fahrzeugen eine zweite Herausforderung mit sich: Leistungsstarke Elektromotoren ziehen Ströme im Bereich von Hunderten von Ampere und erzeugen starke elektromagnetische Streufelder in der Nähe der Messstellen.
Daher müssen moderne Magnetsensoren sowohl eine hohe Empfindlichkeit zur Erkennung schwächerer ferritbasierter Magnetsignale als auch eine starke Streufeldunempfindlichkeit aufweisen, um einen zuverlässigen Betrieb in elektromagnetisch gestörten Umgebungen zu gewährleisten.
ams OSRAM intelligenter Sensoransatz
ams OSRAM begegnet dieser doppelten Herausforderung mit einem Portfolio an intelligenten Sensoren, das darauf ausgelegt ist, die Abhängigkeit von Seltenen Erden zu verringern, ohne dabei Kompromisse bei der Leistung einzugehen. Zu
den wichtigsten Merkmalen zählen ein effizienter Betrieb mit Ferritmagneten, eine fortschrittliche Signalverarbeitung, die geringere Magnetfeldstärken ausgleicht, eine auf dem Differential-Hall-Effekt basierende Sensorik, die elektromagnetische Streufelder unterdrückt, sowie eine bewährte Robustheit in Hunderten von Millionen von Geräten, die in realen Automobilumgebungen im Einsatz sind.
Hall-basierte magnetische Positionssensoren von ams OSRAM zeichnen sich durch eine hohe Störfestigkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen aus und tragen so dazu bei, die Signalintegrität auch bei starken Streufeldern aufrechtzuerhalten. Dies schafft einen praktischen Mittelweg zwischen hochempfindlichen Nicht-Hall-Technologien – die in der Regel anfälliger für Störungen sind – und Designs, die auf Neodym-Magneten auf Seltenerdbasis setzen.
Jenseits der Magnetik: induktive Sensorik und Designunterstützung
Neben der magnetischen Sensorik umfasst das Portfolio von ams OSRAM auch induktive Positionssensortechnologien, die gänzlich ohne Magnete auskommen. Diese Lösungen eignen sich besonders gut für raue Umgebungen und Anwendungen mit hohen Geschwindigkeiten.
Zur weiteren Unterstützung bei der Systemauslegung und -optimierung bietet ams OSRAM zudem das POS Simulator Tool an, mit dem Ingenieure bereits in einer frühen Phase des Entwicklungsprozesses Sensor-Konfigurationen auf Ferrit- und Seltenerdbasis simulieren und vergleichen können, um so die für eine bestimmte Anwendung am besten geeignete Sensorarchitektur zu ermitteln.
Fazit: Eine widerstandsfähigere und nachhaltigere Zukunft der Sensorik
Der Einsatz von Seltenerdelementen in der magnetischen Sensorik für Kraftfahrzeuge verdeutlicht die komplexen Zielkonflikte, mit denen man bei der Konstruktion moderner Fahrzeuge konfrontiert ist. Das Erreichen einer zuverlässigen Empfindlichkeit mit schwächeren, ferritbasierten Magneten muss gegen die Notwendigkeit einer hohen Störfestigkeit in zunehmend elektrifizierten und elektromagnetisch belasteten Umgebungen abgewogen werden.
Durch die Kombination von Hall-basierter Sensorik, fortschrittlicher Signalverarbeitung, Differenzarchitekturen, induktiven Alternativen und Design-Support-Tools ermöglicht ams OSRAM eine leistungsstarke Positionserfassung und trägt gleichzeitig zur Reduzierung des Verbrauchs an Seltenerdmaterialien bei.
Dieser intelligente Sensoransatz trägt zum Aufbau widerstandsfähigerer Lieferketten bei, unterstützt eine skalierbare Elektrifizierung und ermöglicht Innovationen im Automobilbereich – ohne Kompromisse bei Genauigkeit, Zuverlässigkeit oder Leistung.