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Motori auto elettriche: differenze, pro e contro di varie soluzioni

Le auto elettriche hanno motori di tanti tipi diversi: vediamo i pro e contro delle varie soluzioni e un’interessante novità tutta italiana

19 settembre 2019 - 10:00

I veicoli a batteria hanno ovviamente bisogno di una macchina elettrica che converta in energia meccanica quella elettrica immagazzinata nei loro battery pack. Queste “entità” sono i motori delle auto elettriche, gruppi piuttosto potenti in rapporto alle loro dimensioni ma ancora misteriosi. I ben conosciuti motori a combustione e quelli elettrici in effetti sono diversissimi, con i secondi che funzionano grazie a invisibili forze elettromagnetiche. Questo principio generale ha varie implementazioni e infatti le auto elettriche hanno motori di tanti tipi diversi. Ma perché i motori delle auto elettriche non sono tutti uguali? La costruzione è diversa, con un punto in comune: un rotore ben bilanciato che ruota dicendo addio ai pistoni che vanno su e giù.

ATTRAZIONE E REPULSIONE

Pensate a 2 calamite: se le avviciniamo si attrarranno se i i loro poli sono opposti e si respingeranno se i poli sono uguali. Possiamo creare una calamita “variabile” – un elettromagnete – avvolgendo un filo conduttore attorno ad un nucleo metallico che concentri il campo magnetico. Invertendo il senso della corrente anche la polarità del magnete cambierà, passando da Nord a Sud e viceversa. I motori delle auto elettriche, in grande sintesi, prevedono un rotore magnetizzato circondato da elettromagneti alimentati da un controller che varia la corrente che li alimenta. Possiamo disporre le cose in modo che il polo Nord del rotore venga respinto da un elettromagnete Nord e attirato da uno Sud. Si crea quindi una coppia che fa ruotare il rotore: abbiamo convertito l’energia elettrica in potenza meccanica. Questo schema sintetico è visualizzato nella figura qui sotto, che esemplifica un motore alimentato con corrente trifase.

GIOCHI MAGNETICI

Gli elettromagneti sono alimentati in modo che siano Nord (rosso) e Sud (blu) e quindi attirano gli opposti del rotore e respingono gli omologhi. Quando il rotore gira gli elettromagneti si attivano in successione e la rotazione è continua. In pratica si crea un campo magnetico rotante, la cui velocità dipende dalla frequenza con la quale si attivano gli elettromagneti. Torniamo al rotore, che abbiamo chiamato genericamente “magnetizzato”. Possiamo dotarlo di magneti permanenti o costruirlo in modo che, quando esposto al campo magnetico rotante, produca da sé il magnetismo che lo farà girare. Stiamo parlando del motore a induzione, il cui rotore è sede di correnti che creano un campo magnetico che interagisce con quello rotante dello statore. Questo schema si deve al genio di Nikola Tesla ed è stato usato massicciamente nella Tesla Model S.

TANTI TIPI DIVERSI, LA STESSA FORZA (MAGNETICA)

Questo schema, usato anche nei piccoli elettrodomestici, non richiede costosi magneti permanenti ma è non facile da controllare e il rotore si scalda molto. Un altro tipo di motore per auto elettriche vede magneti permanenti sul rotore: essi “seguono” il magnetismo dello statore come visto più sopra. Vediamo i pro e contro di queste soluzioni: il motore a magneti permanenti ha meno coppia in basso ma viene molto usato. I motivi sono che lo si controlla più facilmente e ha un rendimento complessivo superiore rispetto a quello a induzione. La molto sicura Tesla Model 3 ha cambiato tecnologia, usando un motore a riluttanza commutata, che è una sorta di via di mezzo fra i precedenti. Lo statore è simile agli altri ma il rotore non ha avvolgimenti (come quello a induzione) e soltanto piccoli magneti permanenti, a volte anche nello statore.

ANCORA SOLUZIONI CON PRO E CONTRO

La sua costruzione alterna canali di materiale magnetico a bassa riluttanza (si lasciano cioè attraversare facilmente dal flusso magnetico) ad altri non magnetici. Il campo magnetico dello statore orienta il rotore in modo da attraversarlo in questi “cammini preferenziali’: se il campo ruota il rotore quindi lo seguirà. Fra i pro e i contro segnaliamo l’economicità e la compattezza con l’effetto collaterale di fluttuazioni di coppia durante la rotazione, evidentemente risolti da Tesla. Questi motori sono stati usati anche nelle rinnovate e più performanti Model S/X, forse in tandem con quelli a induzione. Ma i motori riluttanza variabile esauriscono i tanti tipi diversi di motori per auto elettriche? In effetti no, dato che quelli a flusso assiale appaiono promettenti. Si tratta di unità a magneti permanenti nei quali il flusso del campo magnetico è parallelo all’asse di rotazione invece che perpendicolare.

A PROVA DI SUPERCAR

L’aspetto del motore cambia: il diametro aumenta e la larghezza diminuisce. La distanza fra i magneti del rotore e l’asse diminuisce il regime massimo (i magneti sarebbero strappati via) ma aumenta la coppia. I motori axial flux hanno diametri di circa 30 cm, una misura che genera un “braccio” di leva di 10/15cm. Il 3.000 della BMW Z4 ha una corsa di 94,6 mm, che dà un braccio di leva fra la biella e l’albero motore di 4,73 cm. Questo spiega la coppia di 350 Newtonmetri esibita da un prototipo proposto da un noto brand italiano attivo nel settore della diagnosi. La coppia ingente, unita ad una potenza di 166 CV sprigionati da un’unità 12 cm di spessore e 26 kg di peso, rende queste unità adatte alle supercar. In effetti un dirigente dell’azienda ha detto che questa unità sarà montata da un’aggressiva supersportiva ibrida. Quale sarà? In attesa di saperne di più notiamo che la fantastica Ferrari SF90 ha all’anteriore 2 motori a flusso assiale prodotti da Yasa, che dichiara un rapporto potenza peso di 14 kW/kg!

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