Scelta del Motore nell'Auto Elettrica: Sincrono, Asincrono e a Magnet Permanent

Nelle auto elettriche si utilizzano tre principali tipi di motore: il motore sincrono a magneti permanenti (PMSM), il motore asincrono (a induzione) e il motore sincrono a eccitazione esterna (EESM). Il PMSM offre il rendimento più elevato e la maggiore densità di potenza, il motore asincrono si distingue per la robustezza e l'assenza di magneti, mentre l'EESM emerge per il controllo preciso della coppia; la scelta è una decisione di ingegneria tra rendimento, costo e dipendenza dalle terre rare.

La fisica del motore: come il campo magnetico rotante genera coppia?

Tutti i motori di trazione si basano sullo stesso principio fisico. Un conduttore attraversato da corrente genera un campo magnetico; la variazione di questo campo induce una nuova corrente in un conduttore nelle vicinanze. La forza di Lorentz che agisce sulla parte rotante lavora in direzione perpendicolare al campo magnetico e alla direzione del movimento, facendo girare il rotore. La differenza tra i tipi di motore risiede nell'origine di questo campo magnetico e nel modo in cui il rotore interagisce con il campo rotante.

Ogni motore ha due componenti fondamentali: lo statore che rimane fermo e viene alimentato con corrente alternata trifase, e il rotoreche gira. Lo statore genera un campo magnetico rotante la cui frequenza è determinata dall'inverter. Se il rotore rimane sincrono con questo campo o leggermente indietro, determina la classe del motore.

Il motore asincrono (a induzione): robusto, economico, senza magneti

Il rotore del motore asincrono ha una struttura a "gabbia di scoiattolo", costituita da barre di alluminio o rame incastonate in lamiere di ferro. Il campo rotante dello statore induce tensione e corrente nelle barre del rotore; il proprio campo magnetico generato da queste correnti, interagendo con il campo dello statore, crea coppia. Il rotore non riesce mai a raggiungere il campo rotante: il suo regime è sempre leggermente inferiore e questa differenza viene chiamata scorrimento (slippage). Senza scorrimento non ci sarebbero né induzione né coppia.

I punti di forza di questa struttura sono concreti: non ci sono magneti permanenti, né contatti striscianti, quindi la necessità di manutenzione è bassa e il costo di produzione è ragionevole. Il motore è robusto. In compenso, il rendimento rimane indietro rispetto ai progetti sincroni, soprattutto a carico parziale e a bassa velocità; l'induzione di corrente sul rotore significa una perdita continua. Anche il controllo della velocità è meno preciso e per il controllo del motore è indispensabile un convertitore di frequenza.

I vecchi Model S e Model X di Tesla sono noti per il motore asincrono; in alcune versioni precedenti è stato utilizzato un motore asincrono sull'assale anteriore e un motore a magneti permanenti su quello posteriore. Nel settore nel complesso, a causa dell'aumento dei prezzi del rame e del divario di rendimento, la quota del motore asincrono viene ceduta lentamente ma stabilmente ai progetti sincroni.

Motori sincroni: il rotore gira insieme al campo

Nel motore sincrono il rotore gira alla stessa velocità del campo rotante dello statore; il regime del motore dipende direttamente dalla frequenza della corrente dello statore. Questo aggancio garantisce elevata efficienza, elevata densità di potenza, un controllo preciso della velocità e un buon comportamento dinamico. La piattaforma MEB di VW, modelli come Audi, Škoda e Porsche Taycan traggono alimentazione dalla famiglia dei motori sincroni. Tuttavia il "sincrono" non è un unico progetto; si divide in due categorie a seconda di dove ricava il campo magnetico.

Motore Sincrono a Magneti Permanent (PMSM): Perché è la Tecnologia Dominante?

Nel PMSM i magneti permanenti incastonati nel rotore generano un campo magnetico costante e potente senza necessità di eccitazione esterna. Poiché non è necessario indurre una corrente nel rotore, il potenziale di efficienza è elevato; l'efficienza di picco corrisponde agli intervalli dichiarati tra il 93-95% e il 95-98%. I valori differenti derivano da differenze di misurazione e definizione: quale punto di velocità e carico venga considerato "picco" varia da produttore a produttore. Il punto davvero importante non è il valore di picco, ma che il PMSM possa restare nella zona ad alta efficienza nella maggior parte delle condizioni tipiche di utilizzo del veicolo - a basse e medie velocità spiccano in modo evidente sia l'efficienza sia la densità di potenza.

Il costo ha un prezzo: i magneti a terre rare sono la principale voce di costo del PMSM. Inoltre presenta un rischio di demagnetizzazione ad alte temperature; per questo la gestione termica è un aspetto critico del progetto. BMW i3, VW ID.3 e ID.4 e i nuovi modelli Nissan Leaf sono esempi noti che utilizzano il PMSM.

Progetto a Poli Interni (IPM): Perché i Magneti sono All'Interno del Rotore?

Nei motori IPM i magneti non sono sulla superficie del rotore, ma incastonati all'interno di esso. Questa disposizione consente un miglior utilizzo del flusso magnetico, aumenta la densità di potenza, amplia l'intervallo di velocità utilizzabile e riduce la sensibilità alla demagnetizzazione. In compenso la produzione del rotore è complessa. L'assale posteriore della Porsche Taycan e l'Audi e-tron GT sono applicazioni stradali di questo progetto.

Motore Sincrono Eccitato Esteramente (EESM): La Soluzione Sincrona Senza Magneti

Nell'EESM il campo magnetico del rotore viene generato non con magneti permanenti ma con un avvolgimento separato, alimentato da una fonte di potenza aggiuntiva. Questo offre all'ingegnere un ampio margine di manovra: l'intensità del campo del rotore può essere regolata in base alle condizioni di funzionamento, il controllo coppia-velocità è ottimo e nella zona di indebolimento di campo (field weakening) si ottiene un ampio intervallo di velocità. L'efficienza è leggermente inferiore a quella del PMSM e il progetto è più complesso; nell'applicazione classica richiede anelli collettori o spazzole. Poiché elimina la dipendenza dalle terre rare, oggi è un'architettura che suscita nuovamente interesse.

Motori a Riluttanza: Rotore Senza Avvolgimenti e Senza Magneti

Nei motori a riluttanza la coppia nasce da una tendenza molto più elementare: il flusso magnetico sceglie sempre il percorso che segue la minima riluttanza (resistenza magnetica). Il rotore cerca di ruotare verso questa posizione a bassa resistenza e ne nasce la coppia. Nel rotore non ci sono né avvolgimenti né magneti - quindi né terre rare né perdite nel rotore. Ne esistono due tipi principali: il motore a riluttanza commutata (SRM) e il motore sincrono a riluttanza (SynRM).

Il costo è a carico del controllo: l'elettronica di controllo è complessa e nell'SRM il rumore e le oscillazioni di coppia sono evidenti. Nonostante ciò, i vantaggi in termini di costo e sostenibilità sono notevoli; con l'evoluzione dell'elettronica di controllo ci si aspetta una diffusione di questi motori. Una revisione accademica sottolinea che l'SRM, grazie al basso peso, all'elevata affidabilità e alla tolleranza ai guasti, è adatto per i veicoli elettrici.

L'applicazione più interessante sul campo è l'approccio ibrido: su Tesla Model 3 e Model Yla coppia del magnete permanente viene combinata con la coppia a riluttanza. Anche la Hyundai Kona Electric si basa sulla tecnologia a riluttanza. Il progetto SRIPM, che unisce la riluttanza a un magnete a poli interni, riduce costi e dipendenza dalle terre rare utilizzando meno magneti rispetto al PMSM; mentre il PMSM è in vantaggio nel rendimento di picco e ad alta velocità, l'SRIPM è equilibrato, robusto ed economico in diverse condizioni di funzionamento.

Rendimento e prestazioni: confronto in numeri

I numeri sul rendimento da soli sono fuorvianti; la vera domanda è quanto sia efficiente il motore nella zona di velocità medio-bassa, che corrisponde al profilo di utilizzo reale del veicolo. La tabella seguente riassume il carattere dei tre tipi principali di motore.

Occorre mettere i numeri nella giusta scala: una differenza di rendimento che sembra del 5-7% cresce quando si riflette sulla dimensione della batteria necessaria per mantenere la stessa autonomia. Un esempio concreto mostra quanto bene il PMSM lo faccia - Model 3, con il suo motore ibrido magnete-riluttanza e la batteria da 75 kWh , 100 kWh di capacità della Model S 100Dha raggiunto un'autonomia equivalente. In compenso, anche il motore asincrono ha un ruolo di rendimento tutto suo: il motore asincrono sull'asse anteriore della Model 3AWD può girare liberamente senza consumare elettricità quando non è necessario, garantendo a un veicolo a trazione integrale un inaspettato vantaggio di autonomia.

Dipendenza dalle terre rare: il problema che sta ridisegnando il settore

L'egemonia di mercato del PMSM è intrecciata con la geografia delle materie prime. L'offerta di elementi delle terre rare è in gran parte nelle mani di un solo paese; questa dipendenza ha spinto i produttori in due direzioni. Il primo approccio, delineato da IEEE Spectrum, è sviluppare magneti permanenti senza terre rare (ad esempio alternative a base di ferro); il secondo è orientarsi verso tipi di motore completamente privi di magneti - asincroni o a riluttanza.

Gli esempi sono notevoli: Tesla era passata a motori basati su terre rare nel 2017, ma ha annunciato che i suoi motori di nuova generazione saranno di nuovo privi di terre rare. Toyota, per la preoccupazione di carenze nella fornitura, fino al 50% sta sviluppando motori che contengono meno terre rare. Di fronte alle restrizioni alle esportazioni della Cina, l'India ha accelerato i test dei motori a riluttanza ad alta densità, che generano forza magnetica mediante bobine metalliche avvolte strettamente invece dei magneti. La cosa interessante è che, in questa tensione tra efficienza e costo dei materiali, il mercato continua a investire nei motori a magneti permanenti: l'elevata densità di potenza e di coppia è, per ora, sufficientemente preziosa da compensare il costo.

Inverter ed Elettronica di Potenza: Cosa Determina Davvero il Carattere del Motore?

La batteria fornisce corrente continua (DC), mentre il motore di trazione è alimentato con corrente alternata (AC). La conversione tra i due è compito dell'inverter; tramite il PWM (modulazione di larghezza di impulso) viene generata un'uscita AC regolare e il funzionamento efficiente del motore dipende dalla qualità di questa uscita. Ogni miglioramento dell'inverter si riflette direttamente su autonomia, prestazioni e costi. Il fischio ad alta frequenza che si sente durante la guida proviene esattamente da questa commutazione ad alta frequenza.

L'inverter rende possibile anche il torque vectoring nei veicoli multimotore: ogni motore è controllato da un inverter separato e la coppia viene distribuita in modo preciso tra gli assi. L'elettronica di potenza basata su SiC (carburo di silicio) e GaN (nitruro di gallio) offre frequenze di commutazione più elevate, perdite minori e maggiore efficienza. D'altra parte, anche le architetture ad alta tensione hanno un costo sul lato motore: i motori che operano a 800 V e oltre sono più soggetti a scariche parziali, con possibili effetti negativi sull'isolamento degli avvolgimenti. La direzione del settore è l'integrazione: avvolgimenti a hairpin, raffreddamento a olio e unità di trazione integrate che combinano motore, cambio ed elettronica di potenza in un'unica unità.

Quale Motore per Quale Veicolo: Come si Prende la Decisione?

La scelta del motore non è la ricerca di un unico "migliore", ma una questione di priorità:

• Veicoli che danno priorità ad autonomia ed efficienza: PMSM o IPM; la superiore efficienza nella fascia di velocità bassa-media compensa il costo della batteria.
• Veicoli con priorità a prestazioni e controllo preciso: La famiglia sincrona; l'elevata densità di potenza e il buon comportamento dinamico sono determinanti.
• Veicoli AWD multimotore: Combinazione di motore magnetico sull'assale posteriore e asincrono sull'assale anteriore; a velocità bassa-media l'efficienza del motore magnetico e una quasi nulla resistenza dal motore asincrono non utilizzato.
• Produttori con rischio nella catena di fornitura: Progetti basati su EESM o reluctance; eliminano la dipendenza dalle terre rare.

Il risultato è un chiaro equilibrio ingegneristico: il PMSM domina oggi perché è al vertice per efficienza e compattezza, il motore asincrono continua a vivere in determinati ruoli grazie alla robustezza e all'assenza di magneti, mentre i progetti EESM e reluctance sono in ascesa sia per le prestazioni sia per motivi di sicurezza nell'approvvigionamento. Quando si guarda al quadrante dell'autonomia di un veicolo elettrico, chiedersi che tipo di motore abbia è significativo quanto chiedersi quale sia la capacità della batteria.

Fonti

• Electric motors in electric vehicles: An overview
• Powerful and Efficient Electric Motor Technology
• Review of Traction Motors for Electric Vehicle Application
• PMSM vs Induction Motor: 3 Decisions That Save Your EV
• PMSM vs Induction Motor Performance for EV
• China's rare-earth dominance keeps EV makers dependent
• India revs up alternate EV motor tests as China curbs rare earths
• Developing electric motors less dependable on rare earth magnets
• How to Build EV Motors Without Rare Earth Elements
• The EV Market Doubles Down on Permanent Magnets
• What Is an Inverter in an Electric Vehicle?
• EV Inverter Technology: Latest Advances and Trends
• Two Types of Tesla Model 3 Motors
• Permanent Magnet Motor in Model 3 Tesla