Dalla ZF il motore elettrico senza terre rare

FACCIAMO A MENO DELLE TERRE RARE - Il motore elettrico è più semplice di quelli a scoppio ma non è banale né nella progettazione né nella costruzione. Riguardo quest'ultima notiamo che la maggior parte dei motori elettrici attualmente usati nelle auto a batteria hanno il rotore a magneti permanenti, una soluzione efficace ma che implica il ricorso alle terre rare, minerali non abbondanti la cui estrazione e raffinazione è concentrata Paesi lontani e a volte non amichevoli. È per questo che si cerca di impiegarne sempre meno usando al loro posto avvolgimenti di rame: ZF ci crede e ha portato al Salone di Monaco un motore di questo tipo.

MAGNETE ROTANTE - La maggior parte dei motori di trazione usa una corrente trifase che, immessa negli avvolgimenti dello statore, genera un campo magnetico rotante. Mettendo una calamita al centro di questo campo essa tenderebbe ad allinearsi con esso, mettendosi a girare a sua volta. Il rotore è quindi essenzialmente un “oggetto” libero di ruotare e dotato di campo magnetico, che può essere ottenuto con i magneti permanenti o, come proposto da ZF, con avvolgimenti percorsi da corrente in uno schema che ricalca quello del rotore (qui un approfondimento). Alcune soluzioni impiegano le spazzole (brush): contatti che portano la corrente al rotore strisciando su anelli di rame montati sull’asse del rotore. ZF usa invece un “sistema di eccitazione induttiva che trasmette l'energia per il campo magnetico rotorico tramite un eccitatore induttivo all'interno dell’albero del rotore”, ottenendo così un sistema brushless.

SPAZZOLE ADDIO - Chiariamo subito che il termine eccitazione si riferisce a quell’iniezione di corrente che trasforma inerti bobine di filo di rame in potenti elettromagneti, che è quel che occorre per porre in rotazione il rotore. Il sistema ZF I2SM (In-Rotor Inductive-Excited Synchronous Motor) genera la corrente di eccitazione rotorica. ZF ne parla come di un’evoluzione dei SESM (Separately Excited Synchronous Motors, motori sincroni a eccitazione separata, nel senso che la corrente che eccita il rotore è disgiunta da quella dello statore. ZF comunica che “grazie alla sua innovazione l'energia viene trasferita induttivamente, cioè senza contatto meccanico, nel rotore, generando un campo magnetico mediante bobine”. Ipotizziamo che il grosso anello grigio scuro, che va nel rotore, e il particolare con la bobina più piccola, all’estrema sinistra, siano magneti in ferrite, economici e privi di terre rare. La parte più a sinistra dovrebbe essere fissa e il suo campo magnetico viene modulato dalla bobina che si affaccia su di essa. La bobina più grande è immersa nel campo magnetico variabile dato dall’interazione fra i due magneti, uno fisso e l’altro rotante, e queste variazioni inducono una corrente che va agli avvolgimenti del rotore. È lo stesso principio del trasformatore e dei caricabatterie wireless dei cellulari: l’avvolgimento primario genera un campo magnetico alternato che attraversa l’avvolgimento secondario inducendo in esso una corrente alternata. 

VANTAGGI UTILI - Oltre ai vantaggi derivanti dall'eliminazione delle terre rare, il motore elettrico ZF I2SM elimina le perdite per trascinamento create nei tradizionali motori elettrici PSM (Permanent-magnet Synchronous Machines). I magneti permanenti non si possono infatti “spegnere” e quindi girando creano un campo magnetico variabile che, ancora una volta, “induce” delle correnti nello statore che creano un campo magnetico che frena la rotazione del rotore all’aumentare della velocità (se aiutassero invece di frenare si creerebbe energia dal nulla, situazione desiderabile ma ovviamente contraria ai principi della fisica). Non avere i magneti permanenti consente quindi una migliore efficienza, per esempio nei percorsi autostradali. Secondo ZF l'eccitatore induttivo può ridurre del 15% le perdite nella trasmissione dell’energia al rotore rispetto ai sistemi con le spazzole; l’assenza di terre rare ridurrebbe poi l'impronta della CO2 nella produzione fino al 50%, un taglio attribuibile proprio all’assenza dei magneti permanenti dei motori PSM.

Le spazzole richiedo inoltre uno spazio di installazione “asciutto” e sigillato per evitare che le particelle prodotte dall’usura possano contaminare l’interno del motore. Questo impedisce il raffreddamento a olio, richiede elementi di tenuta aggiuntivi e aumenta l’ingombro assiale del motore di circa 90 mm, cosa che limita l’interscambiabilità fra motori PSM e SESM. I motori elettrici ZF I2SM promettono invece ingombri simili a quelli delle unità PSM, cosa che permette versioni diverse senza modifiche. ZF dichiara che le densità di potenza e coppia sono al livello dei motori PSM e che questi motori faranno parte della sua offerta di powertrain elettrici anche in versioni a 800 volt con chip al carburo di silicio nell'elettronica di potenza.