Raffreddamento del motore elettrico: acqua o olio?

Alla domanda di quale sia migliore nel motore dei veicoli elettrici, se il raffreddamento ad acqua/glicole o a olio, non esiste una risposta di una sola frase: l'acqua è un refrigerante più efficiente ma, a causa della sua conducibilità elettrica, non può toccare il motore; l'olio, pur essendo fisicamente un fluido più debole, riesce a penetrare all'interno del punto in cui il calore nasce e quindi, in pratica, produce motori più freddi. Per questo le moderne unità di trazione si spostano sempre più verso l'olio, senza però abbandonare completamente il circuito acqua/glicole. In questo articolo confrontiamo i principi di funzionamento delle due strategie, le loro differenze numeriche e le decisioni di progettazione.

Perché l'Acqua/Glicole è un Migliore Refrigerante ma un Peggior Vicino?

In termini di capacità di trasporto del calore, l'acqua non ha praticamente alcun rivale. La sua capacità termica specifica e la sua conducibilità termica sono nettamente superiori a quelle dell'olio; cioè la stessa quantità di acqua che scorre nello stesso volume asporta il calore più rapidamente dell'olio. L'aggiunta di glicole etilenico alla miscela regola il punto di congelamento e il comportamento alla corrosione, senza modificare il carattere termico fondamentale del fluido.

Il problema risiede nell'incompatibilità fondamentale dell'acqua con il mondo dell'elettronica: la miscela di glicole è conduttrice di elettricità. In ogni punto in cui gli avvolgimenti, i connettori o l'elettronica di potenza toccano la superficie, sorge il rischio di cortocircuito e corrosione elettrolitica. Per questo l'acqua/glicole può essere utilizzata nell'unità di trazione solo nelle zone separate dai componenti elettrici da una parete metallica. In pratica, questo confine è la camicia d'acqua che avvolge l'esterno dello statore.

Come Funziona la Camicia d'Acqua e Dove Inizia il suo Limite?

La camicia d'acqua è concettualmente simile ai canali d'acqua del classico motore a combustione interna: la miscela acqua-glicole circola in uno spazio chiuso che avvolge la superficie esterna del pacchetto dello statore e trasporta il calore verso il radiatore esterno. Così il calore prodotto dagli avvolgimenti in rame viene prima trasmesso lungo le lamine dello statore fino alla superficie esterna, poi passa al fluido. Il sistema è robusto, elettricamente sicuro e a basso costo.

Il suo punto debole è nella geometria. Il rotore, essendo separato dallo statore dall'entreferro, non entra mai in contatto con il fluido; il rotore e i magneti permanenti che porta si raffreddano essenzialmente attraverso l'entreferro e l'albero, cioè per conduzione e in modo inefficiente. Nelle simulazioni termiche, il rotore e i magneti emergono come il punto di temperatura più critico dei sistemi ad acqua/glicole. La temperatura del motore può superare i 200 °C sotto carico elevato; questo provoca una demagnetizzazione parziale dei magneti permanenti, un invecchiamento accelerato dell'isolamento e una riduzione della potenza continua.

Gli ingegneri a volte superano questo limite in modo creativo. Audi ha applicato una soluzione che mira direttamente al rotore aggiungendo, accanto alla camicia d'acqua, un canale d'acqua che attraversa il centro del rotore; tuttavia questo tipo di progetto è un'eccezione e la regola è che l'acqua non può entrare nelle zone elettriche.

Lubrificazione a spruzzo d'olio: raffreddamento dove nasce il calore

Il vantaggio fisico dell'olio può essere riassunto in una sola parola: dielettrico. L'olio, dotato di proprietà isolanti, può entrare in contatto diretto con gli avvolgimenti, il rotore e i magneti; per di più svolge anche la funzione di lubrificazione. Il calore viene trasferito al fluido non alla fine delle catene di conduzione, ma nel punto in cui nasce. Questa sola differenza accorcia l'intera catena di resistenza termica.

La differenza numerica è sorprendente. Nella simulazione comparativa di TotalEnergies e EnginSoft, la configurazione con raffreddamento a olio diretto offre, in termini di temperatura media, 10 °C e almeno 14 °C di vantaggio sulla temperatura degli avvolgimenti - e questo nelle condizioni di confronto con una portata di olio mantenuta bassa. In uno scenario di sorpasso ad alto regime, intorno ai 10.000 rpm, la differenza raggiunge 40 °C. Anche uno studio accademico indipendente indica la stessa direzione: in guida autostradale la temperatura del motore con raffreddamento diretto rimane circa 30 °C inferiore rispetto a quello con camicia d'acqua, e questo si riflette direttamente sulla coppia massima e sulla potenza.

Come si fa ad arrivare l'olio all'interno del motore?

Per il raffreddamento delle teste di avvolgimento esistono diversi metodi maturi:

• Raffreddamento a goccia tramite collettore: Il fluido refrigerante viene fatto gocciolare in modo preciso e omogeneo sulle teste degli avvolgimenti; richiede meno olio rispetto al bagno del rotore.
• Spruzzo pressurizzato: L'olio pressurizzato dalla pompa viene spruzzato direttamente sulle teste degli avvolgimenti, garantendo un raffreddamento a impatto perpendicolare.
• Spruzzo del rotore tramite albero cavo: L'olio entra da un lato dell'albero e si distribuisce grazie alla struttura rotante; è una soluzione diffusa nei PMSM con avvolgimenti hairpin.
• Raffreddamento del rotore con canali assiali: I canali assiali all'interno del rotore trasportano l'olio nelle vicinanze dei punti caldi delle teste degli avvolgimenti.

La forza centrifuga proveniente dal rotore facilita il lavoro: le parti rotanti agiscono come una pompa ausiliaria che distribuisce l'olio agli avvolgimenti e al nucleo. In un'architettura ibrida il contributo dello spruzzo d'olio alla capacità di raffreddamento totale è di circa l'80% - la parte restante è per lo più compito del lato acqua.

Come il tipo di motore modifica il carico termico: PMSM e asincrono

La strategia di raffreddamento inizia con una definizione del problema diversa a seconda del tipo di motore. Nel motore sincrono a magneti permanenti (PMSM) il campo magnetico del rotore non è fornito per induzione, ma dai magneti incorporati nel rotore; le perdite del rotore sono molto basse e questo facilita la gestione termica. La contropartita è la sensibilità termica dei magneti: il rotore è la zona termica più vulnerabile del sistema e il rischio di demagnetizzazione determina i limiti di temperatura del progetto.

Nel motore asincrono, poiché la corrente è indotta nel rotore, le perdite del rotore sono strutturalmente più elevate e l'efficienza rimane al di sotto di quella del PMSM. In compenso, il motore non ha il rischio di smagnetizzazione dei magneti; i limiti termici possono essere gestiti con maggiore flessibilità. È proprio questa la logica ingegneristica alla base della scelta di alcuni produttori di utilizzare un PMSM efficiente sull'asse anteriore e un motore asincrono più tollerante al calore sull'asse posteriore: ogni motore viene raffreddato in base al proprio carattere termico.

Questa differenza termica è determinante anche nella scelta del fluido. In ogni motore in cui rotore e magneti comportano un rischio termico, aumenta il valore dell'olio, capace di raggiungere le zone che la camicia d'acqua non riesce a raggiungere. Il fatto che, nella prima metà del 2022, i motori raffreddati a olio abbiano raggiunto una quota del 50% nel mercato delle automobili elettriche è la prova concreta di questa tendenza; si prevede che la quota di mercato continuerà a crescere, ma si prevede anche che i motori con sola camicia d'acqua rimarranno in una posizione significativa.

Come Funziona la Piastra di Raffreddamento nell'Inverter?

Il componente più sensibile al calore della catena di trasmissione non è il motore, ma l'inverter. Gli interruttori in silicio IGBT o MOSFET SiC al suo interno generano calore a ogni apertura e chiusura di ampere, e il budget di temperatura dei semiconduttori è molto ristretto. Per questo motivo i moduli dell'inverter vengono quasi sempre raffreddati con piastre di raffreddamento piene di acqua/glicole.

Il principio è di conduzione: i semiconduttori di potenza sono collegati direttamente alla piastra di raffreddamento (il grasso termico viene utilizzato per ridurre la resistenza di contatto), il calore passa alla piastra per conduzione e il liquido che scorre nei canali all'interno della piastra assorbe questo calore e lo trasporta con una pompa allo scambiatore di calore a distanza. Poiché il liquido trasporta il calore molto più velocemente dell'aria, è praticamente l'unica opzione nell'elettronica di potenza compatta. La progettazione della piastra di raffreddamento dei moduli IGBT continua a essere un tema chiave nel miglioramento delle prestazioni dell'inverter.

Perché allora l'inverter non viene raffreddato direttamente con l'olio? La risposta riguarda ancora la conduttività e la complessità del circuito: la questione è in fase di studio - i progetti di consorzio che mirano a raffreddare motore e inverter con un unico fluido (come SingleOilCnL, che comprende Dana, Diabatix, Lubrizol, Siemens e Flanders Make) sono considerati promettenti - ma non ci si aspetta che diventi la strategia dominante nel prossimo futuro. Oggi l'architettura tipica è ibrida: l'olio dielettrico raffredda rotore e statore e trasferisce il calore al circuito acqua/glicole nello scambiatore di calore; il glicole alimenta invece la piastra dell'inverter e il radiatore.

Perché la Differenza tra Potenza di Picco e Potenza Continua Dipende dal Sistema di Raffreddamento?

Il valore in kW riportato nel brochure è la potenza di picco: l'uscita massima a breve termine del motore. La potenza continua è invece la potenza che il motore può mantenere per un tempo illimitato senza surriscaldarsi, e l'unica cosa che determina il divario tra le due è la gestione termica. Il sistema di raffreddamento funge da tampone termico: migliore è il raffreddamento, più a lungo si mantiene la potenza di picco e più alto è il livello della potenza continua.

Concretizziamo. I dati di due motori industriali pesanti con dimensioni esterne simili mostrano chiaramente la differenza:

In un motore raffreddato ad acqua, la temperatura degli avvolgimenti in salita ripida può superare il limite in circa un minuto; il sistema riduce la coppia (limitazione termica della coppia) e, se necessario, il veicolo viene costretto a una riduzione di potenza. Il raffreddamento a olio aumenta le prestazioni continue perché elimina le resistenze termiche superflue: su una rampa del 4% di 10 chilometri, un motore raffreddato a olio mantiene circa un 20% in più di potenza continua e un 37,5% in più di coppia continua . Questa differenza è tale da cambiare la decisione d'acquisto non per chi traina un treno interurbano, ma per chi usa camion o veicoli commerciali pesanti - in situazioni in cui lunghe salite e velocità medie elevate sono la realtà.

Un raffreddamento efficiente ha anche un vantaggio indiretto: con lo stesso budget termico si può progettare un motore più piccolo e più potente, il che significa risparmio di peso e di costi.

Quale Preferire in Quale Situazione?

La tabella riassume i punti di forza e di debolezza dei due approcci:

La scelta in realtà non è una questione di competizione, ma di ottimizzazione. Raffreddamento a olio e ad acqua non vanno considerati come alternative l'uno all'altro, ma come risposte diverse per cicli di lavoro differenti: nei profili di carico bassi e medi, dove priorità sono costi e semplicità, la camicia d'acqua è spesso sufficiente. In applicazioni che richiedono lunghe salite, velocità medie elevate e alti regimi, il vantaggio del raffreddamento diretto a olio diventa evidente. Inoltre, in un'unità di trazione raffreddata a olio il circuito acqua/glicole è generalmente comunque presente: è proprio questo circuito a trasferire infine all'atmosfera il calore assorbito dall'olio e ad alimentare anche la piastra dell'inverter.

Inoltre, la tendenza all'integrazione rafforza la posizione dell'olio: man mano che motore e cambio vengono unificati in un unico pacchetto, risolvere lubrificazione e raffreddamento del motore con un solo fluido diventa una necessità pratica. Nella formulazione dei fluidi, la gestione termica è considerata, accanto alla prestazione di lubrificazione, un criterio di progettazione principale.

Conclusione: non un confronto tra fluidi, ma un confronto tra collocazioni

Il modo corretto di leggere questo confronto non è cercare un vincitore, ma collocare correttamente i termini. L'acqua è un refrigerante migliore sulla carta; l'olio occupa una posizione migliore nella pratica, perché è l'unico fluido capace di entrare nel punto in cui il calore nasce. Una differenza di temperatura media di 10 °C, che supera i 14 °C negli avvolgimenti e sale a 40 °C ad alti regimi, è il risultato di una supremazia di contatto, non fisica. Nelle prossime generazioni di unità di trazione il circuito acqua/glicole resterà ancora per un po', ma la quota dell'olio accanto alla fonte di calore continuerà a crescere. Quando scegli un motore, guarda non alla potenza di piccolo della brochure, ma alla potenza continua e all'architettura di raffreddamento che la rende possibile: lì si nasconde la vera prestazione.

Fonti

• Comparison of Commonly Used Cooling Concepts for EV Traction Motors
• The Transition to Oil in EV Thermal Management
• Comparing cooling methods for e-motors
• How to Choose the Right Electric Truck Motor: Oil-Cooled vs. Water-Cooled
• Study on high-speed electric motor cooling with oil spray
• Thermal Management in Electric Vehicles | E-Motor Cooling Technology
• A hybrid oil cooling strategy for thermal management of electric motors
• Optimization of rotational oil-spray-cooling structure
• A review of structural design for direct oil cooling
• Rotor oil injection cooling, hairpin end winding
• Cooling and dynamic performance of electric vehicle motors
• Induction vs. Permanent Magnet Motors | Efficiency & Torque
• Comparative Thermal Performance Analysis of Induction and PMSM
• Cold Plate Cooling Systems: Design, Optimization
• Advanced Cooling for Power Electronics
• Oil Cooling Systems for EV Drive Motors
• Although Electric Cars Don't Need Petroleum, Their Motors Still Require Oil
• EV Motor Heating Issue and Oil Cooling