Motori elettrici per le auto: senza magneti è meglio

Tecnologia
Pubblicato 27 giugno 2022

Ma come fare un motore elettrico, che notoriamente funziona grazie a campi magnetici, senza usare i magneti?

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. 


Nello spaccato di un motore elettrico con rotore avvolto (qui sopra) si notano, da sinistra, il rotore (gli avvolgimenti non si vedono), l’albero, lo statore, i cuscinetti e gli anelli del collettore - slip ring - sul quali strisciano le spazzole, qui non visibili.

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.


> Il rotore del motore della Zoe evidenzia sia gli avvolgimenti sia gli anelli di rame del collettore (vedi testo).

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.


> Nella power unit BMW di quinta generazione si vede bene il motore sovrastato dall’inverter; in evidenza anche i 3 grandi terminali arancioni che portano la corrente trifase allo statore.

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.


> Lo statore del motore BMW evidenzia gli avvolgimenti che, alimentati in successione da corrente alternata trifase, creano il campo magnetico rotante alla base del funzionamento di queste unità.

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.


Al centro della foto si vedono le 3 spazzole scure che portano la corrente al collettore, l’anello color rame montato sull’albero di questo motore elettrico BMW.


> Decisamente inconsueta la soluzione scelta dal componentista Mahle per immettere corrente agli avvolgimenti del rotore. Il disco verde a destra ruota, senza toccarlo, davanti a un avvolgimento fisso e la corrente alternata così creata viene convertita in continua nel secondo disco verde a sinistra e quindi inviata agli avvolgimenti.



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Ritratto di PierSilver
28 giugno 2022 - 10:18
fonte?
Ritratto di Gordo88
27 giugno 2022 - 16:13
1
Articolo interessante anche se non di facile comprensione per chi non è avvezzo all' elettromagnetismo
Ritratto di Volpe bianca
27 giugno 2022 - 16:18
Articolo molto interessante, ne sapevo poco in generale anche perché quasi tutta l'attenzione si concentra spesso solo sulle batterie, la loro capacità e le relative valutazioni su prestazioni-autonomia. Non ne sapevo nulla invece sulle due soluzioni con o senza magneti. Ottimo articolo, complimenti.
Ritratto di Trattoretto
27 giugno 2022 - 16:51
Bell'articolo su questo nuovo mondo tutto da esplorare con un enormi prospettive di sviluppo in ogni sua parte
Ritratto di Alvolantino
27 giugno 2022 - 17:19
Questi sì che sono motori! Efficenti e non inquinanti, altro che i motoracci turbo o aspirati.
Ritratto di deutsch
27 giugno 2022 - 18:16
4
l'attenzione all'auto elettrica ha portato a dedicare molta ricerca e sviluppo. il prossimo futuro ci saranno tante novità, d'altronde l'applicazione nell'automotive è recente quindi ancora tutta da sviluppare con le sue specifiche
Ritratto di a4f2
27 giugno 2022 - 19:27
Il problema dei cambiamenti climatici e dell'inquinamento non si risolve solo con l'adozione di automezzi elettrici. Occorre rivedere la creazione dell'energia attraverso fonti rinnovabili, mitigare l'inquinamento generato da ogni attività umana, dall'estrazione dei metalli alla loro trasformazione, dalle attività industriali e manifatturiere e ultimo ma non ultimo l'inquinamento che produciamo nelle nostre abitazioni riscaldandole o raffrescandole. Pensiamo all'utilizzo dei prodotti chimici per l'igiene della casa e della persona. Ma rimaniamo nella piccola percentuale di responsabilità dell'autotrazione. L'adozione dei motori elettrici e di batterie comporta l'utilizzo di elementi di difficile reperibilità rispetto alle esigenze future. Per esempio le terre rare e alcuni metalli come il litio e il rame. Il rame tra l'altro necessità di grandi quantità di energia per la sua estrazione. Non sono così certo che la strada intrapresa dell'elettrico possa risultare così conveniente. Siamo certi sia la soluzione? E dell'idrogeno che ne pensate?
Ritratto di probus78
27 giugno 2022 - 19:36
Ben vengano le nuove tipologie di elettrico sviluppate da Renault-Nissan e Bmw. L'Europa ormai ha deciso di rendersi indipendente sotto il profilo energetico, per ragioni geopolitiche. Stesso discorso per ovvie ragioni deve valere per componenti industriali, batterie, materiali e tutto ciò che ci serve per la nostra economia. Sarà dura ma occorre provarci..
Ritratto di Gratto Da Vinci
27 giugno 2022 - 21:56
"Ma come fare un motore elettrico, che notoriamente funziona grazie a campi magnetici, senza usare i magneti?" I motori asincroni non hanno magneti e sono molto usati, più efficienti, non generano campi resistenti agli alti regimi. L'Europa non è l'ombelico del mondo. Tesla delle origini docet, tra le altre. Volevano usare solo asincroni, ad avvolgimenti. Ma tanto ormai c'è rimasta giusto la Settimana Enigmistica.
Ritratto di TheViking
28 giugno 2022 - 10:57
L'unico problema dei motori sincroni è il non poterli usare come alternatori per la frenata rigenerativa, per il resto me li ricordo anche io come uno degli argomenti principali del corso di elettrotecnica in IV superiore, assieme ai trasformatori, dato l'elevatissimo numero di casi d'uso nell'industria.

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