Se sei interessato ad approfondire la tecnologia dei motori a combustione interna, devi essere pronto a essere bombardato da molti concetti diversi. Motori aspirati, motori turbocompressi, iniezione diretta, iniezione indiretta o iniezione diretta e indiretta! Benzina, diesel, metano, GPL, ciclo Atkinson, ciclo Miller, ciclo Budack, ciclo Diesel e Otto (vedi motore Mazda Skyactiv-X), turbo a geometria fissa, turbo a geometria variabile, turbo twin-scroll, fasatura variabile dell'albero a camme... l'elenco potrebbe continuare.
La domanda che sorge quasi automaticamente è: perché abbiamo così tanti progetti e concetti di motori a combustione interna? La risposta è semplice: nessuno di essi è abbastanza buono dal punto di vista dell'efficienza. Nella ricerca del miglioramento dell'efficienza, nel corso della storia automobilistica gli ingegneri hanno introdotto numerosi progetti. Questa varietà di forme costruttive è rilevante anche per i motori elettrici? Quanti tipi di motori abbiamo nella mobilità elettrica? La risposta è solo 3 principali. Facciamo la loro conoscenza.
Motore asincrono a induzione - Breve lezione di storia
Il motore asincrono a induzione non è qualcosa di nuovo. È stato inventato da due ricercatori indipendenti: l'unico e solo Nikola Tesla e Galileo Ferraris. Anche se a quanto pare l’inventore italiano sviluppò per primo questo motore nel 1885, Nikola Tesla fu il primo a depositare il brevetto nel 1888.
L'invenzione del motore a induzione è senza dubbio uno dei più grandi successi nello sfruttamento dell'elettricità per alimentare le nostre vite. L'adozione di questo tipo di motore è oggi così diffusa che è molto difficile immaginare la vita di tutti i giorni senza di esso. Molti dispositivi elettrici utilizzano questi motori e la stragrande maggioranza dei motori industriali sono di tipo asincrono a induzione.
Come funziona un motore asincrono a induzione?
Tutti i motori elettrici hanno due parti principali. Una parte statica è chiamata statore mentre una parte rotante è chiamata rotore. Cominciamo con lo statore, solitamente un cilindro d'acciaio con fessure e bobine di rame intrecciate con una geometria specifica. Queste bobine sono alimentate con corrente CA trifase che è stata convertita da CC (fornita dalla batteria) nell'elettronica di potenza. Questa corrente crea un campo magnetico rotante nello statore e la velocità di quel campo magnetico rotante è chiamata velocità sincrona.
In sostanza, ecco come funziona questo tipo di motore: la tensione CA viene applicata alle bobine (o avvolgimenti) di rame e di conseguenza otteniamo un campo magnetico rotante, quel campo induce tensione nel rotore che a sua volta fa fluire la corrente. Quel flusso di corrente produce il proprio campo magnetico rotante nel rotore che resta indietro rispetto al campo magnetico dello statore. La forza tra i due campi magnetici che finiscono per muovere il rotore è chiamata forza di Lorentz. Il movimento del rotore viene poi trasferito alle ruote della vettura attraverso l'apposita riduzione.
Questo motore è chiamato asincrono perché il campo magnetico rotante del rotore e dello statore non è sincronizzato. La parte di induzione proviene dal campo magnetico rotante, dalla tensione e dalla corrente indotte dallo statore. Quando premiamo il pedale dell’acceleratore, il campo magnetico del rotore resta leggermente indietro rispetto a quello dello statore. Quando deceleriamo e il motore funziona come un generatore (frenata rigenerativa), il campo magnetico rotante del rotore si trova davanti allo statore. Questa differenza nei campi magnetici rotanti è chiamata “scorrimento” e generalmente arriva fino al 5% a seconda della progettazione del motore.
L'efficienza tipica di un motore asincrono trifase a induzione utilizzato nell'industria automobilistica è di circa il 90%. Grazie alla sua robustezza, semplicità, longevità e all'assenza di requisiti di materiali esotici, questo motore viene utilizzato quasi esclusivamente nei processi industriali. Inoltre, le sue buone caratteristiche di sovraccarico lo rendono un perfetto motore on-demand ed è per questo che viene spesso utilizzato come motore anteriore nelle auto elettriche AWD.
Alcune delle auto che utilizzano motori asincroni a induzione sono: SUV Audi e-Tron, Mercedes-Benz EQC, Tesla Model S, 3, assali anteriori XandYon e le auto VW Group MEB li utilizzano anche sugli assali anteriori.
Motore sincrono a magneti permanenti
La differenza fondamentale tra i motori asincroni a induzione e i motori sincroni a magneti permanenti è il modo in cui vengono prodotti e interagiscono i campi magnetici rotanti nel rotore e nello statore. Nei motori sincroni a magneti permanenti è presente un campo magnetico rotante nativo, creato da magneti permanenti (da cui il nome del motore) nel rotore. I campi magnetici rotanti del rotore e dello statore in questi motori sono bloccati e non vi è alcuno slittamento.
I magneti permanenti nel rotore sono uno degli elementi chiave che aumentano la densità di potenza e migliorano l'efficienza del motore. La maggiore densità di potenza significa elevata potenza a basso volume, motivo per cui i motori a magneti permanenti vengono utilizzati esclusivamente nei PHEV. Il motore elettrico di questi veicoli è alloggiato nel cambio e ci sono limitazioni di spazio.
I magneti permanenti sono realizzati con materiali di terre rare e la Cina ne controlla la maggior parte. Ci sono dubbi sugli aspetti etici del processo minerario e per questo motivo molti produttori cercano di ridurre l’utilizzo di questi materiali nei loro motori. Tuttavia, il motore sincrono a magneti permanenti è il re dell'efficienza: può raggiungere fino al 94-95% e quando nell'auto c'è un solo motore, questo è il tipo di motore utilizzato.
I motori a magneti permanenti sono utilizzati in Hyundai Ioniq 5, Kia EV6, Tesla Model S, 3, X e Y sugli assi posteriori. Le auto MEB del Gruppo VW li utilizzano anche sugli assi posteriori, Jaguar i-pace, Audi e-tron GT e Porsche Taycan, solo per citarne alcuni.
Motore sincrono eccitato elettricamente
I motori sincroni a magneti permanenti offrono la massima efficienza, ma la loro dipendenza dagli elementi delle terre rare solleva preoccupazioni. Per risolvere questo problema, produttori come BMW, RenaultGroupe e Smart si sono rivolti a un’architettura di motori ibridi: motori sincroni che non si basano su magneti di terre rare.
Come funzionano queste macchine? Invece di utilizzare magneti permanenti nel rotore per generare il flusso, utilizzano spazzole e anelli collettori. Secondo BMW questo tipo di motore garantisce un rendimento fino al 93%, molto vicino al rendimento dei motori a magneti permanenti. Sebbene il concetto sembri promettente, l’inclusione delle spazzole significa che alla fine dovranno essere sostituite. Si spera che i produttori che sviluppano questo tipo di motore scelgano spazzole con una durata sufficientemente lunga.
Questo design del motore è utilizzato nella BMW iX3, iX e i4; la Renault MeganeE‑TECH; e l'equalizzatore intelligente.
