Motori elettrici per le auto: senza magneti è meglio

GEOPOLITICA E TRASPORTI - Il paradosso proposto nel sommario è una provocazione: i collaudatissimi motori a induzione (usati per esempio da Tesla) non hanno magneti e quelli con le "spazzole", oggetto dell'articolo, esistono da tempo ma oggi ritornano con importanti evoluzioni tecnologiche. La possente BMW iX, per esempio, usa motori senza magneti e anche Renault li adotta per la Zoe. In effetti la “quinta generazione” dei motori elettrici BMW è usata anche nella i4, iX3, i7, iX1 e così via, dimostrando quanto la casa bavarese creda in questo tipo di motore. Uno dei principali motivi per il quale si cerca di eliminare i magneti permanenti dai motori elettrici è che essi impiegano le Terre Rare, per esempio neodimio, disprosio e samario, che sono costose e vengono da Paesi, come la Cina, considerati geopoliticamente critici. Per capire come sia possibile fare un motore elettrico senza magneti ricordiamo brevemente i principi di funzionamento di queste "macchine elettriche". Sappiamo che una calamita ha due poli, chiamati per convenzione Nord e Sud: i poli uguali si respingono e quelli opposti si attraggono. Quindi tenendo in mano una calamita e avvicinandola a un’altra quest’ultima si sposterà in modo da avvicinare i poli opposti allontanando quelli omologhi. 

CAMPO MAGNETICO SENZA MAGNETI - In questo modo si è creato un movimento, ma è una tantum: per ottenerne uno continuo ci vorrebbe una “calamita rotante”, potenzialmente in grado di far ruotare un’altra con continuità. Viene in aiuto il fatto che la creazione di un campo magnetico può avvenire anche facendo scorrere corrente in una bobina di filo conduttore: si tratta di un elettromagnete e, rispetto al magnete permanente, ha il vantaggio di poter variare forza e verso del campo magnetico variando l’intensità e direzione della corrente. A questo punto abbiamo i “pezzi” che ci servono per costruire un motore elettrico. La calamita rotante citata più sopra la possiamo ottenere con elettromagneti/bobine alimentati separatamente dalle singole fasi di una corrente alternata trifase. Questi avvolgimenti sono sistemati nello statore (la parte fissa del motore) e “accendendoli” in successione otteniamo il tanto desiderato campo magnetico rotante.

LE BOBINE CHE RISOLVONO - Il rotore, ossia la "calamita" messa in rotazione dal campo rotante creato dallo statore, può essere fatto di magneti permanenti - ed è questo il caso della maggior parte delle auto elettriche in circolazione - o avere anch’esso elettromagneti. Quest’ultima soluzione è versatile - ricordiamo che gli elettromagneti possono modulare il campo magnetico - ma richiede il convogliare corrente al rotore, un organo che può girare a più di 15.000 giri al minuto. Questo si è tradizionalmente fatto portando le estremità degli avvolgimenti sull’albero del rotore - in una zona chiamata collettore - e facendole toccare dalle spazzole, speciali contatti che portano la corrente destinata al rotore stesso. Le spazzole strisciano sul collettore e quindi si ha una certa usura, ma in BMW assicurano che esse durano così tanto da non dare problemi durante la vita utile del veicolo. Anche il nuovo motore della Zoe usa questo schema. In effetti i motori a magneti permanenti non hanno bisogno di spazzole (a tutto vantaggio della semplicità e dell’affidabilità) dato che il campo magnetico rotorico è sempre presente: è per questo che essi sono definiti brushless, ossia senza spazzole.

LE SPAZZOLE? NE FACCIAMO A MENO - Una proposta che vuole unire i vantaggi delle due soluzioni viene da Mahle, una classica azienda nata con i motori a scoppio (i suoi pistoni erano e sono sinonimo di alte prestazioni) che si è riposizionata anche sulla mobilità elettrica. La corrente destinata agli avvolgimenti del rotore viene creata da un generatore rotante composto da dischi - uno fisso e uno collegato al rotore - che ruotano vicini senza toccarsi. Si tratta di corrente alternata che viene trasformata in corrente continua e quindi inviata agli avvolgimenti del rotore, che si comporta così come un magnete permanente. Anche Vitesco Technologies - spinoff di Continental per i componenti per le auto elettriche - ha presentato un motore senza magneti. Oltre ai vantaggi di costo (i materiali per un rotore a magneti permanenti costano dai 40 agli 80 euro/kg contro i 7 euro di quelli per un rotore avvolto) e reperibilità, l’eliminazione dei magneti permanenti offre altri benefici.

QUASI TUTTO BENE - Quando un motore di questo tipo viene escluso (pensiamo a una trazione integrale disinseribile) esso presenta bassissima resistenza mentre un motore a magneti permanenti crea energia perché il campo magnetico è sempre presente: è come se fosse comunque in una leggera frenata rigenerativa. Altri vantaggi promessi da questa architettura sono un facilissimo recupero dei materiali a fine vita, emissioni ridotte connesse alla sua produzione e efficienze superiori al 95% in tutta la gamma di regimi operativi con valori ancor superiori ad alta velocità. Ovviamente qualche svantaggio c’è: l’insieme spazzole-collettore, se presente, si consuma e dev’essere sigillato perché la polvere generata dall’usura non deve uscire né penetrare nel motore. Anche il bilanciamento del rotore è un po’ più impegnativo perché non è facile fare diversi avvolgimenti in filo di rame con peso e geometrie identiche fra di loro. In ogni caso questo tipo di motore sembra sulla cresta dell’onda: Renault punta su questo schema per il futuro e l’unità della Megane E-Tech Electric viene prodotta anche in Giappone per Nissan.