Motori elettrici, quali sono e come funzionano. L'esempio di Tesla

Quando si acquista un veicolo elettrico, la percorrenza è spesso un fattore determinante e sono in molti che esitano, perché temono una mancanza di autonomia soprattutto nei lunghi viaggi. Scegliere una BEV significa puntare sulla guida ecologica e sulla praticità ma tuttavia, poiché l'autonomia è ancora vista da alcuni come un ostacolo, è importante basarsi su informazioni affidabili.

Esistono molteplici standard per definire la percorrenza dei veicoli elettrici che variano nel tempo e nelle diverse regioni del mondo. In effetti, è difficile stabilire uno standard globale universale che tenga conto delle disparità geografiche e di utilizzo, il traffico stradale e le sue diverse specificità.

• I PIÙ COMUNI TEST DI AUTONOMIA
• COS'È UN MOTORE ELETTRICO?
• ALTRE INNOVAZIONI NEL CAMPO DELLA MOTORISTICA BEV
• CONCLUSIONE

I PIÙ COMUNI TEST DI AUTONOMIA

IL CICLO WLTP

Ovvero l’acronimo di Worldwide Harmonized Light Vehicle Test Procedure. Si tratta di uno standard europeo adottato per veicoli di massa complessiva non superiore a 3,5 tonnellate. Questa procedura di omologazione valuta i consumi di un veicolo, le sue emissioni inquinanti e l'autonomia dei veicoli elettrici. Il ciclo WLTP comprende il traffico urbano, extraurbano e misto.

Il ciclo WLTP viene utilizzato sia per i veicoli elettrici che per quelli termici e tiene conto delle diverse opzioni offerte da determinati modelli di veicoli, che possono influenzare il peso e le prestazioni dei veicoli elettrici.

IL CICLO CLTC MADE IN CHINA

China Light Duty Vehicle Test Cycle, ovvero lo standard di omologazione specificamente progettato per riflettere le reali condizioni di guida nella Repubblica Popolare Cinese.

LO STANDARD AMERICANO

Negli Stati Uniti, lo standard EPA (Environmental Protection Agency) è noto per i suoi test rigorosi che distingue tra guida in città e in autostrada, fornendo spesso stime più accurate.

Eppure, al di fuori dai fattori che possono incidere sull’autonomia del pacco batteria, bisogna prendere anche in considerazione le tecnologie che fanno muovere il veicolo BEV. Le auto elettriche sono il simbolo della mobilità sostenibile e al centro di questa rivoluzione troviamo il gruppo propulsore, una meraviglia ingegneristica che converte l'energia immagazzinata nelle batterie in movimento fluido e silenzioso.

Prendiamo ad esempio la solita Tesla che ha voluto sviluppare una tecnologia per diventare il punto di riferimento nel settore dei veicoli elettrici e il lavoro svolto sui suoi motori dimostra proprio questo impegno. Diamo quindi uno sguardo ad alcuni motori elettrici presenti nella produzione mondiale di BEV con i loro vantaggi e svantaggi.

COS’È UN MOTORE ELETTRICO?

In realtà, per utilizzare il termine esatto, dobbiamo dire: "Che cos’è una macchina elettrica?". Il principio di queste macchine è estremamente semplice: utilizzare le proprietà elettromagnetiche per fornire un lavoro meccanico. Quando un magnete viene posizionato in presenza di un campo magnetico generato da una bobina (cioè un elettromagnete), il polo positivo del magnete viene attratto dal polo negativo della bobina e viceversa. Immaginate che il magnete sia posizionato su un asse che gli consente di ruotare. Cambiando il senso di direzione della corrente nella bobina, il magnete ruota per trovare una posizione di equilibrio. Modificando in modo controllato la direzione della corrente, si ottiene energia meccanica sull’asse del rotore e si ottiene dunque un motore elettrico estremamente semplice.

Per rendere il funzionamento più regolare, si possono posizionare dei magneti e delle bobine a intervalli regolari intorno a tutta la circonferenza. Facendo scorrere la corrente nelle bobine i campi magnetici generati inducono il rotore a girare creando così una macchina elettrica a corrente alternata. Un'intera generazione di auto elettriche (Tesla Model S e X , la Mercedes EQA – EQB – EQC), monta motori basati su questo principio, con alcune varianti.

IL MOTORE ASINCRONO E IL CONTRIBUTO DI NIKOLA TESLA

L'inventore Nikola Tesla sfruttò un fenomeno relativamente sconosciuto all'epoca: l'induzione.

Quando una bobina di metallo conduttore è posta in un campo magnetico, si genera nel materiale una corrente elettrica, ma anche un campo magnetico opposto a quello in cui si trova il materiale stesso. Nel caso di un caricabatterie a induzione, la bobina ricevente diventa quindi un elettromagnete a cui vengono collegati i terminali (positivo e negativo) per recuperare la corrente indotta. Ora immaginate di non recuperare questa corrente e di lasciarla circolare liberamente: il campo magnetico indotto può essere utilizzato per far girare un rotore. Le bobine fanno ruotare il campo magnetico dello statore e il campo indotto nel rotore ruota anch'esso ma con un breve tempo di reazione, quindi i due non sono sincronizzati come nel caso dei magneti permanenti e per questo motivo, il motore è definito: asincrono.

VANTAGGI E SVANTAGGI DEI MOTORI ASINCRONI

Al momento della sua invenzione, il motore a induzione trifase di Tesla aveva diversi vantaggi significativi. In primis, era più piccolo e potente rispetto a quelli proposti sul mercato, dal momento che non esisteva ancora la produzione industriale di terre rare, i voluminosi magneti di quell’epoca rendevano i motori assai grandi. Inoltre, il controllo del motore poteva essere relativamente semplice, senza la necessità di pilotare in modo preciso le correnti dello statore e difatti rendeva il motore economico da produrre. L’efficienza del motore a induzione era buona anche se non la migliore sul mercato e richiedeva poca o nessuna manutenzione.

Inoltre, se lo statore non viene alimentato, il motore rimane in "ruota libera" non opponendo resistenza elettromagnetica (un vantaggio pratico per alcune applicazioni). Tesla utilizza ancora oggi motori asincroni per i motori anteriori delle Model 3 e Model Y e per i motori posteriori del Cybertruck. Possono essere attivati o disattivati a seconda delle necessità, senza frenare il veicolo in modo elettromagnetico quando non sono in uso. Tuttavia, questi motori presentano anche degli svantaggi, infatti tendono a riscaldarsi molto durante le accelerazioni e la rigenerazione, il che rappresenta una perdita di energia e riduce l'efficienza. Per questo motivo, il motore asincrono è leggermente meno efficiente rispetto ad altri tipi di motore.

MOTORE ELETTRICO ASINCRONO CON ROTORE BOBINATO

Bene, passiamo ora a un motore anch’esso presente in una delle pioniere moderne degli anni 2010, la Renault ZOE, lo stesso motore utilizzato anche da BMW e dalle «vecchie» Smart EQ fortwo. A differenza del motore a induzione, il cui rotore non ha alcun magnete, il motore a rotore bobinato ne è dotato ma si tratta di elettromagneti che devono essere alimentati con corrente per essere magnetizzati.

Si potrebbe fornire a questi elettromagneti un’alimentazione separata in corrente continua ma ciò renderebbe il design più complesso e meno efficiente, poiché consumerebbe una corrente supplementare. Invece, si utilizza la corrente in uscita dalle bobine dello statore per alimentare il rotore. Dal punto di vista elettromagnetico, si tratta di un motore sincrono, poiché i campi magnetici del rotore e dello statore ruotano insieme.

Questi motori sono molto efficienti a basse velocità e rispondono bene ai cambi di regime. Come i motori a induzione, se non viene applicata corrente allo statore, rimangono inerti e non presentano alcuna resistenza elettromagnetica. Tuttavia, hanno il difetto di essere piuttosto dispendiosi in termini di consumo energetico ad alte velocità, poiché il loro rotore avvolto funziona come un magnete permanente e il suo campo magnetico riduce l’efficienza alle alte velocità. Sono meno costosi da produrre rispetto ai motori a magneti permanenti ma richiedono una certa manutenzione per sostituire le spazzole in grafite che trasportano la corrente al rotore.

MOTORI SINCRONI A MAGNETI PERMANENTI

Sono simili ai motori a rotore bobinato ma utilizzano i magneti permanenti contenenti terre rare. Sono efficienti e compatti e rispetto ai motori a induzione, la loro progettazione richiede un minor raffreddamento.

Tuttavia, hanno un grosso svantaggio, dal momento che la loro efficienza cala ad alta velocità e cioè quando il regime aumenta, il campo magnetico dei magneti interferisce con il campo rotante dello statore riducendo di fatto il rendimento. Se si considera il consumo energetico, si spiega il perché la maggior parte delle auto elettriche non sono adatte a circolare esclusivamente in autostrada.

Ci si potrebbe dunque chiedere perché le varie case automobilistiche utilizzano questo tipo di motore ma in realtà c’è un vantaggio importante. A basse velocità e durante piccole accelerazioni, il motore sincrono a magneti permanenti è più efficiente rispetto ai motori asincroni. Inoltre, le normative di misurazione, come WLTP, CLTC o EPA, favoriscono una modalità di guida tranquilla condotta a velocità moderata e su un percorso pianeggiante con accelerazioni moderate.

Questo rende il motore sincrono a magneti permanenti una scelta logica per ottenere i migliori dati di marketing, anche se non è affatto il migliore in condizioni di utilizzo reale. Per risolvere il problema principale di questi motori, ovvero la bassa efficienza ad alta velocità, alcuni costruttori hanno adottato l’uso della trasmissione monomarcia a due fasi. Volkswagen, Audi, Porsche, Mercedes o MG, abbracciano questa soluzione che sebbene offre buoni risultati si avvera complessa e soggetta ad eventuali guasti.

LA RILUTTANZA

C’è tuttavia un modo migliore per risolvere questo problematica, l’uso di un’altra proprietà magnetica: la riluttanza. BMW ci ha provato con la i3, ma è stato il gruppo Tesla nel 2017 a riuscire veramente a farla funzionare correttamente nei motori di trazione delle Model 3.

Riluttanza è il termine utilizzato per indicare la resistenza in un campo magnetico ("circuito") e tende a cambiare a seconda del materiale che attraversa: ad esempio gas o ferro. In un circuito elettrico si usa quindi il termine "resistenza" e in un circuito magnetico si usa il termine "riluttanza". Per semplificare, la riluttanza è una resistenza magnetica e come una resistenza elettrica, si oppone alla potenza di un campo magnetico. Il motore a riluttanza a magneti permanenti appartiene quindi alla famiglia dei motori passo-passo, la cui invenzione si deve a un ingegnere e inventore francese: Marius Lavet.

Il funzionamento del motore a riluttanza consiste nel sfruttare la maggiore facilità con cui il campo magnetico attraversa il ferro rispetto all'aria. I fori nel rotore permettono di creare una sorta di maniglia per il campo rotante generato nello statore.

In pratica, gli anelli magnetici rotanti si incastrano all'interno del rotore in modo che la riluttanza sia la più bassa possibile. Tuttavia, questo tipo di motore non è molto potente e non può essere utilizzato così com’è in un’auto elettrica. Esiste però un altro modo per realizzare un motore a riluttanza, detto sincrono, ed è proprio questo che ci interessa. Immaginate un rotore composto da due rotori combinati: un rotore per motore a riluttanza, con spazi progettati per bloccare i flussi magnetici e situato al suo interno l’altro rotore a magneti permanenti.

Variando la posizione del campo magnetico dello statore, è possibile focalizzare l’azione o sulla zona a magneti permanenti oppure su quella a riluttanza o meglio su entrambe in proporzioni completamente variabili ed è esattamente ciò che ha fatto Tesla. A basse velocità, entrano in gioco i magneti permanenti; durante le accelerazioni e la rigenerazione si utilizzano entrambi i motori; mentre a velocità costante (in autostrada), si privilegia la riluttanza, eliminando gran parte delle perdite legate ai magneti permanenti ad alte velocità.

DUAL MOTOR

Tesla utilizza due motori elettrici con tecnologie diverse; il motore a induzione e il motore a riluttanza con magneti permanenti.

Tesla ha scelto di combinare i punti di forza di queste due tecnologie per alimentare le proprie auto e ciò significa che, ad eccezione delle Model 3 e Model Y più accessibili, tutte le loro auto hanno almeno 2 motori:

• Un motore a induzione ottimizzato per l'autonomia posizionato nell’asse anteriore quando si circola a velocità costante.
• Uno o anche due (si parla allora di “Tri-Motor”) motori a riluttanza a magneti permanenti nella parte posteriore ottimizzato per la potenza mentre si accelera.

Grazie a questa scelta tecnologica, i motori a riluttanza a magneti permanenti riescono a sviluppare una notevole potenza:​

• Sulla Model S Performance troviamo un motore a riluttanza sull'asse posteriore con una potenza nominale di picco di 375 kW.
• Sulla Model 3, a seconda della versione, sull'asse posteriore è installato un motore con una potenza nominale di picco di 188 kW o 265 kW (Long Range / Performance)
• Nella Model X, il motore a riluttanza sull'asse posteriore sviluppa 205 kW
• Sulla Model Y, il motore che si trova sull'asse posteriore ha una potenza massima di 270 kW

L'asse anteriore incorpora un differenziale, mentre quello posteriore utilizza il controllo vettoriale della coppia FOC (Field Oriented Control), ovvero ogni motore controlla e aziona la propria ruota in modo indipendente. Il rapporto prestazioni/costo è anche il migliore sul mercato, grazie alla semplicità di produzione e alla buona compattezza del design. L’inverter, motore e trasmissione sono raggruppati in un unico elemento chiamato “DRIVE UNIT”, il che rende l’inserimento dell’unità motrice nel veicolo estremamente facile e rapido.

ALTRE INNOVAZIONI NEL CAMPO DELLA MOTORISTICA BEV

Il gruppo formato da Hyundai – Kia è attualmente il più intuitivo. I collegamenti delle bobine di un motore elettrico possono essere realizzati secondo due schemi: a stella o a triangolo (delta). Lo schema a stella è il più interessante perché, a basso regime, fornisce più coppia rispetto a quello a triangolo, che invece risulta più efficiente ad alta velocità.

Vitesco, produttore di motori e trasmissioni, ha sviluppato un inverter a due stadi per Hyundai. Questo sistema consente di passare da uno schema all’altro senza arrestare il motore, un vero e proprio traguardo, soprattutto considerando che il passaggio può essere graduale.

È una novità assoluta nella produzione mondiale ed è uno dei fattori principali che spiega il miglioramento dell’efficienza delle nuove versioni. Il modello Kia EV9 ha inaugurato il sistema, che ora si trova anche sulle Hyundai Ioniq 5, 6 e 9, oltre che sulle Kia EV3 ed EV6 restilizzate. Si tratta senza dubbio di un miglioramento, anche se non raggiunge il livello del motore Tesla.

IL MOTORE A FLUSSO ASSIALE

Il più grande concorrente del motore Tesla è una tecnologia che utilizza ancora i magneti permanenti. Questa architettura consente di ottenere una coppia maggiore grazie al diametro più ampio del rotore.

La coppia è una forza moltiplicata per un braccio di leva dunque sebbene promettente rimane ancora una tecnologia in fase di sviluppo. Mercedes e Renault ci stanno lavorando, collaborando rispettivamente con la startup YASA (per il produttore tedesco) e Whylot (per il francese). Mentre Mercedes intende utilizzarlo su larga scala, Renault lo prevede principalmente per gli ibridi poiché presenta diversi svantaggi come la presenza di magneti permanenti e purtroppo un costo di produzione piuttosto elevato.

CONCLUSIONE

Se alcuni motori prodotti dai competitor, dell’azienda americana, possono risultare superiori in determinati regimi o in utilizzi specifici, quelli di Tesla sono performanti in tutte le fasi di guida. Alcuni menzionano il motore della Lucid Air come un serio concorrente ma in realtà, a parte l’innovazione nella miniaturizzazione per inserire il maggior numero possibile di componenti in uno spazio ridotto, il motore in sé non rappresenta una novità. Si tratta di un semplice motore sincrono a magneti permanenti. Inoltre, con quello che Tesla sta preparando per i suoi nuovi motori, il divario rischia di aumentare ulteriormente. Infatti si sta parlando si abolire definitivamente le terre rare nei magneti, migliorare i flussi magnetici prendendo ispirazione dai motori della Lucid nell’obiettivo di dare un vantaggio significativo.

Alla luce di tutto ciò e osservando e analizzando il panorama attuale, si può concludere che i motori Tesla continuano ad essere tra i migliori della loro categoria.

[Di Alan Murarotto]