In permanentmagneterregten Gleichstrommotoren (PMDC) und vielen bürstenlosen Antrieben erzeugt kein stromdurchflossenes Erregerfeld, sondern ein fest eingebauter Dauermagnet das Hauptfeld. Das spart Erregerleistung, vereinfacht den Aufbau und macht den Motor kompakter - welcher Magnetwerkstoff dafür infrage kommt, hängt stark von Bauraum, Betriebstemperatur und Kosten ab. Mehr zur Einordnung permanenterregter Motoren im Artikel Gleichstrommotor-Arten.
Legierungen und Zusammensetzung
Die beiden in Elektromotoren dominierenden Hochleistungs-Magnetwerkstoffe unterscheiden sich bereits in der Grundlegierung deutlich voneinander.
| Werkstoff | Zusammensetzung (Richtwerte) | Besonderheit |
|---|---|---|
| NdFeB (Nd₂Fe₁₄B) | Neodym ca. 15-32 Gew.-%, Bor ca. 0,9-1,2 %, Rest Eisen; Hochtemperatursorten zusätzlich mit Dysprosium, Terbium, Kobalt, Niob oder Aluminium legiert | Höchste Energiedichte aller gängigen Magnetwerkstoffe |
| SmCo5 (1:5) | Samarium ca. 33-36 Gew.-%, Rest Kobalt | Keine weiteren Legierungszusätze nötig, Werkstoff seit 1966 |
| Sm2Co17 (2:17) | Samarium ca. 24-28 %, Eisen, Kupfer und Zirkonium zur Gefügesteuerung, Rest Kobalt | Leistungsfähiger als SmCo5, Werkstoff seit 1972 |
Bei NdFeB entsteht die Magnetrohform über Legieren, Pulverisieren, Pressen im äußeren Magnetfeld (für eine bevorzugte Vorzugsrichtung) und anschließendes Sintern. Sm2Co17 erreicht seine Werte unter anderem durch eine gezielte Ausscheidungshärtung über die Zusätze Kupfer und Zirkonium.
Bauformen und Abmessungen
Für Elektromotoren übliche Geometrien sind Bogensegment- bzw. Schalenmagnete, Ringe, Scheiben/Zylinder sowie Block- und Stabmagnete. Welche Form zum Einsatz kommt, hängt vom Motortyp ab: Bei bürstenbehafteten PMDC-Motoren werden meist mehrere Bogensegmentmagnete mit wechselnder Polarität auf die Innenseite des feststehenden Statorgehäuses geklebt, sodass sie dem rotierenden Anker als Feldmagnet gegenüberstehen. Bei bürstenlosen Motoren (BLDC) sitzen die Magnete dagegen auf dem Rotor - entweder als aufgeklebte Oberflächenmagnete (teils zusätzlich mit einer Bandage gesichert) oder in das Rotorblechpaket eingebettet, was eine kompaktere Bauweise und eine höhere Drehmomentdichte bei elektronischer Kommutierung ermöglicht.
Reale Katalogbeispiele für NdFeB-Bogensegmente zeigen die Größenordnung für Klein- und Mittelmotoren: etwa 20 mm Außenradius, 12,5 mm Innenradius, 90° Bogenwinkel und 5 mm Dicke bei kleineren Baugrößen, beziehungsweise rund 37,5 mm Außenradius, 33,5 mm Innenradius, 25 mm Länge und 4 mm Dicke bei mittleren Baugrößen. Das sind handelsübliche Werte aus Fachhandel-Katalogen zur Einordnung, keine festen JoMo-Spezifikationen - die passende Geometrie legen wir anhand Ihrer konkreten Motorauslegung fest.
Magnetische Kenndaten (magnetischer Fluss)
Für die Motorauslegung sind vor allem die Remanenz Br (die magnetische Flussdichte im entmagnetisierten Nullfeld), die Koerzitivfeldstärke HcJ (der Widerstand gegen Entmagnetisierung) und das maximale Energieprodukt BHmax (ein Maß für die erreichbare Leistungsdichte je Bauvolumen) relevant. Die folgenden Werte sind herstellerabhängige Richtwerte und keine Einzelgarantien:
| Sorte | Remanenz Br | Koerzitivfeldstärke HcJ | Energieprodukt BHmax | Curie-Temperatur | Max. Betriebstemp. |
|---|---|---|---|---|---|
| NdFeB N35 | 1,18-1,22 T | ≥955 kA/m | 263-287 kJ/m³ | 310-380 °C | ca. 80 °C |
| NdFeB N42 | 1,29-1,33 T | ≥955 kA/m | 318-342 kJ/m³ | 310-380 °C | ca. 80 °C |
| NdFeB N52 | 1,42-1,48 T | ≥955 kA/m | 390-422 kJ/m³ | 310-380 °C | 60-80 °C |
| SmCo5 (1:5) | 0,81-1,00 T | >1200 kA/m | 110-200 kJ/m³ | 700-850 °C | ca. 250 °C |
| Sm2Co17 (2:17) | 0,93-1,18 T | >1200 kA/m | 160-260 kJ/m³ | 700-850 °C | 250-350 °C |
Spezielle NdFeB-Hochtemperatursorten mit Dysprosium- oder Terbium-Zusatz erreichen eine Koerzitivfeldstärke von bis zu rund 2.785 kA/m und eine maximale Betriebstemperatur von bis zu etwa 220 °C, allerdings auf Kosten von Remanenz und Energieprodukt. Bei SmCo sind laut Herstellerangaben in Sonderfällen sogar bis zu 550 °C erreichbar.
Ein in der Praxis oft unterschätzter Unterschied ist der reversible Temperaturkoeffizient der Remanenz: Er liegt bei NdFeB bei etwa -0,10 bis -0,12 %/K, bei SmCo dagegen nur bei etwa -0,03 bis -0,04 %/°C. SmCo-Magnete verlieren also über der Temperatur deutlich weniger an Feldstärke und liefern dadurch eine stabilere Motorleistung in schwankenden Temperaturumgebungen. Die Dichte liegt bei NdFeB bei rund 7,5 g/cm³, bei SmCo bei rund 8,3-8,5 g/cm³.
Korrosionsbeständigkeit und mechanische Eigenschaften
Wegen seines hohen Eisenanteils korrodiert unbeschichtetes NdFeB vergleichsweise schnell und wird deshalb praktisch immer beschichtet: üblich sind Nickel-Kupfer-Nickel (rund 12 µm, Standard), Zink (rund 4 µm, weniger beständig), eine Kombination aus Nickel-Kupfer-Nickel und Zink (12-15 µm) oder schwarzes Epoxidharz, das nahezu vollständig korrosionsdicht ist, solange die Schicht intakt bleibt, dafür aber empfindlicher gegen Schlag und Abplatzen ist. SmCo ist dagegen von Natur aus deutlich korrosionsbeständiger und kommt auch in aggressiven Medien meist ohne zusätzliche Beschichtung aus.
Mechanisch sind beide Werkstoffe hart und spröde und vertragen Druck deutlich besser als Zug, Biegung oder Schlag: Die Druckfestigkeit liegt bei beiden Werkstoffen grob in der Größenordnung von 1.000 N/mm², während Biege- und Zugfestigkeit mit grob 80-270 N/mm² (NdFeB) je nach Quelle und Sorte deutlich darunterliegen. SmCo gilt dabei als noch spröder als NdFeB und lässt sich praktisch nur mit Diamantwerkzeugen oder per Drahterosion bearbeiten.
Kosten und Rohstoffverfügbarkeit
Samarium-Kobalt ist in der Regel deutlich teurer als Neodym-Eisen-Bor. Hauptgrund ist der Kobaltanteil: Kobalt gilt als strategisch kritischer, preisvolatiler Rohstoff, und auch die Samarium-Gewinnung ist bei vergleichsweise geringen weltweiten Fördermengen aufwendig. Neodym-Magnete sind dafür stärker von Dysprosium und Terbium für Hochtemperatursorten abhängig, die SmCo nicht benötigt.
Beide Werkstoffe hängen zudem an einer konzentrierten globalen Lieferkette für Seltene Erden: 2024 wurden laut Statistischem Bundesamt rund 270.000 von weltweit 390.000 Tonnen Seltenerd-Rohstoffen in China gefördert (ein Förderanteil von rund 69 % im Jahr 2023), gefolgt von den USA (12 %), Myanmar (11 %) und Australien (5 %). Bei der Weiterverarbeitung und Raffination ist die Konzentration noch größer: Rund 85-91 % der weltweiten Separations- und Raffineriekapazität liegen in China, und Deutschland bezog Neodym, Praseodym und Samarium 2024 nahezu vollständig aus chinesischer Produktion. Die Marktlage bei Seltenen Erden gilt entsprechend als volatil, handelspolitische Entscheidungen einzelner Länder können Verfügbarkeit und Preise kurzfristig beeinflussen.
Vor- und Nachteile im Überblick
Neodym (NdFeB)
- Höchste Energiedichte aller gängigen Magnetwerkstoffe - kompakte, leichte Motorkonstruktionen bei hoher Leistung.
- Günstiger in der Anschaffung als Samarium-Kobalt.
- Sehr hohe erreichbare Remanenz von bis zu rund 1,5 T.
- Niedrigere Curie-Temperatur und niedrigere maximale Betriebstemperatur als SmCo, bei Standardsorten oft nur 60-80 °C.
- Korrosionsanfällig und muss zuverlässig beschichtet werden.
- Stärkerer Feldstärkeverlust über der Temperatur (höherer Temperaturkoeffizient).
Samarium-Kobalt (SmCo)
- Sehr hohe Curie-Temperatur und hohe maximale Betriebstemperatur, je nach Legierung bis über 350 °C.
- Von Natur aus korrosionsbeständig, meist ohne zusätzliche Beschichtung einsetzbar.
- Sehr geringer Temperaturkoeffizient der Remanenz - stabile Magnetisierung über einen weiten Temperaturbereich.
- Hohe Koerzitivfeldstärke und damit hohe Entmagnetisierungsfestigkeit.
- Geringere erreichbare Energiedichte als NdFeB.
- Deutlich teurer und noch spröder/empfindlicher in der mechanischen Bearbeitung.
Typische Einsatzgebiete
NdFeB kommt bevorzugt dort zum Einsatz, wo kompakte Bauform und hohe Leistungsdichte bei moderaten Betriebstemperaturen im Vordergrund stehen - etwa in Servoantrieben, permanentmagneterregten Gleichstrommaschinen und vielen bürstenlosen Antrieben des allgemeinen Maschinenbaus. SmCo wird dagegen bevorzugt dort eingesetzt, wo hohe Temperaturen, aggressive Umgebungsmedien oder eine über die Temperatur besonders stabile Magnetisierung wichtiger sind als der Anschaffungspreis: in der Luft- und Raumfahrt (Turbinen, Aktuatoren, Sensorik), bei Hochpräzisions- und Hochdrehzahlantrieben mit mehreren zehntausend Umdrehungen pro Minute sowie in der Chemieindustrie und bei Automobilsensoren.
Zur Einordnung: Bei geringeren Anforderungen an Energiedichte und Temperaturstabilität setzen sich oft die deutlich günstigeren Ferrit-Magnete durch, während AlNiCo-Magnete zwar eine geringere Koerzitivfeldstärke, dafür aber die höchste Temperaturstabilität aller vier Werkstoffe mitbringen. Welcher Magnetwerkstoff für eine konkrete Anwendung die wirtschaftlichste Wahl ist, legen wir gemeinsam anhand Ihrer Betriebsbedingungen fest - mehr zur grundsätzlichen Motorauswahl im Artikel Bürstenmotor oder bürstenloser Motor?.
Häufige Fragen
Welche Permanentmagnet-Werkstoffe werden in Gleichstrommotoren eingesetzt?
Am häufigsten Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) und Samarium-Kobalt (SmCo, als SmCo5 oder Sm2Co17). Bei geringeren Anforderungen an Energiedichte und Temperaturstabilität kommen auch Ferrit- oder AlNiCo-Magnete zum Einsatz.
Was ist der Hauptunterschied zwischen Neodym- und Samarium-Kobalt-Magneten?
NdFeB erreicht die höchste Energiedichte bei vergleichsweise niedrigen Kosten, verträgt aber nur moderate Temperaturen und muss gegen Korrosion beschichtet werden. SmCo ist teurer und etwas schwächer, dafür von Natur aus korrosionsbeständig und bis zu deutlich höheren Temperaturen stabil.
Welche maximale Betriebstemperatur vertragen NdFeB- und SmCo-Magnete?
Standard-NdFeB-Sorten sind meist auf etwa 60 bis 80 °C begrenzt, spezielle Hochtemperatursorten mit Dysprosium- oder Terbium-Zusatz schaffen bis zu rund 220 °C. SmCo bleibt je nach Legierung bis etwa 250 bis 350 °C stabil, in Sonderfällen laut Herstellerangaben bis 550 °C.
Warum muss Neodym beschichtet werden, Samarium-Kobalt aber nicht?
NdFeB enthält einen hohen Eisenanteil und korrodiert ohne Schutzschicht wie Nickel-Kupfer-Nickel, Zink oder Epoxidharz vergleichsweise schnell. SmCo ist aufgrund seiner Zusammensetzung von Natur aus deutlich korrosionsbeständiger und kommt meist auch ohne Beschichtung aus.
In welcher Bauform werden Permanentmagnete in Gleichstrommotoren verbaut?
Bei bürstenbehafteten Gleichstrommotoren (PMDC) werden meist Bogensegment- oder Schalenmagnete auf die Innenseite des Statorgehäuses geklebt. Bei bürstenlosen Motoren sitzen die Magnete dagegen auf dem Rotor, entweder aufgeklebt als Oberflächenmagnet oder in das Blechpaket eingebettet.
Warum ist Samarium-Kobalt teurer als Neodym?
Kobalt ist ein strategisch kritischer, preisvolatiler Rohstoff, und die Samarium-Gewinnung ist aufwendig bei vergleichsweise geringen Fördermengen. Beide Faktoren zusammen machen SmCo in der Regel deutlich teurer als Neodym-Eisen-Bor.
Wann lohnt sich Samarium-Kobalt trotz der höheren Kosten?
Überall dort, wo hohe Betriebstemperaturen, chemisch aggressive Umgebungen oder eine über die Temperatur besonders stabile Magnetisierung wichtiger sind als der Anschaffungspreis - etwa in der Luft- und Raumfahrt, bei Hochdrehzahlantrieben oder in der Chemieindustrie.
Sind Neodym- und Samarium-Kobalt-Magnete spröde?
Ja, beide Werkstoffe sind hart und spröde und vertragen Druck deutlich besser als Zug, Biegung oder Schlag. Samarium-Kobalt gilt dabei als noch spröder als Neodym und lässt sich in der Regel nur mit Diamantwerkzeugen oder per Drahterosion bearbeiten.
Quellen (Auswahl): Wikipedia: Neodym-Eisen-Bor, Wikipedia: Samarium-Cobalt, Bomatec: gesinterte NdFeB-Magnete, Vacuumschmelze: VACODYM/VACOMAX, Arnold Magnetics: RECOMA SmCo, IBS Magnet: Hochenergiemagnete, radialmagnet.com: Magnet Material Comparison, supermagnete.de: Beschichtungen, Statistisches Bundesamt: Seltene Erden 2024.
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