Il settore automobilistico è nel pieno di una trasformazione epocale, guidata da un’impellente necessità di affrontare le sfide legate alla protezione ambientale, alla crisi energetica e all’effetto serra. Al centro di questa rivoluzione, il motore elettrico si afferma non solo come componente chiave dei veicoli elettrici (EV), ma come il cuore pulsante di un’industria in rapida evoluzione. Le sue prestazioni influenzano direttamente l’efficienza e la dinamica dell’intero sistema di propulsione elettrica, spingendo la ricerca e lo sviluppo verso soluzioni sempre più avanzate.
Negli ultimi anni, la crescente domanda di magnetizzazione permanente, alta velocità e integrazione all’interno dei sistemi di propulsione elettrica ha posto i motori di azionamento di fronte a una serie di sfide complesse, in particolare per quanto riguarda la progettazione strutturale e la dissipazione del calore. Un recente studio approfondito, pubblicato sul Journal of Shenyang University of Technology, offre una panoramica esaustiva sullo sviluppo tecnologico dei motori di azionamento centralizzati per veicoli elettrici, analizzando i progressi compiuti e le direzioni future di questa tecnologia cruciale.
Il Cuore Pulsante dell’Automobile Elettrica: Tipologie e Applicazioni dei Motori di Azionamento
Attualmente, la maggior parte dei veicoli elettrici adotta un sistema di propulsione centralizzato, dove un unico motore principale sostituisce il motore a combustione interna tradizionale, trasmettendo la potenza alle ruote attraverso un albero di trasmissione e un differenziale. Questa configurazione, consolidata e affidabile, presenta tuttavia limitazioni in termini di efficienza di trasmissione e spazio interno. Accanto a questa, si sta affermando la propulsione distribuita, che, sebbene considerata la direzione futura per i veicoli a nuova energia grazie alla sua precisione di controllo e all’alta efficienza, deve ancora superare ostacoli significativi come l’elevata massa non sospesa, la tenuta dinamica, la gestione termica e il controllo di coordinamento sincronizzato dei motori.
Lo studio categorizza i motori di azionamento più diffusi nei veicoli elettrici in diverse tipologie: motori a corrente continua (DC), motori a induzione (IM), motori a riluttanza commutata (SRM), motori sincroni a magneti permanenti (PMSM) e motori sincroni a eccitazione elettrica (EESM). Ogni tipologia presenta un proprio set di vantaggi e svantaggi che ne determinano l’applicazione.
I motori DC, pur essendo semplici e facili da controllare, stanno perdendo quota di mercato a causa del rumore eccessivo e della maggiore propensione ai guasti, non riuscendo più a soddisfare le crescenti esigenze prestazionali. I motori a induzione, noti per l’alta affidabilità e i costi contenuti, sono prevalenti in alcuni veicoli statunitensi ed europei come Tesla, Ford e Chevrolet. La loro adozione è spesso legata alle strategie tecnologiche delle case automobilistiche e alla minore dipendenza da risorse strategiche come le terre rare, oltre a offrire un’efficienza superiore sulle autostrade ad alta velocità.
I motori a riluttanza commutata, con la loro struttura semplice e alta affidabilità, sono in grado di soddisfare le richieste di coppia-velocità dei veicoli elettrici. Tuttavia, le significative pulsazioni di coppia e il rumore ne limitano l’applicazione, compromettendo il comfort di guida. I motori sincroni a magneti permanenti (PMSM), invece, dominano il mercato dei veicoli elettrici grazie alla loro alta efficienza e alle elevate velocità. La variante “built-in” (o a rotore interno) è ampiamente utilizzata da marchi di fama mondiale come Toyota, Honda, Hyundai, Volkswagen e BMW, grazie alla capacità di sfruttare la coppia di riluttanza per ridurre l’uso di magneti permanenti e i costi.
I motori sincroni a eccitazione elettrica (EESM) hanno attirato l’attenzione delle case automobilistiche per la loro eccitazione regolabile e l’alta efficienza. Ad esempio, il sistema di propulsione elettrica della BMW iX3 utilizza un EESM. Nonostante i vantaggi, gli EESM presentano sfide come la necessità di alimentazione aggiuntiva per l’avvolgimento del rotore e perdite di eccitazione. Per ridurre l’uso di materiali a base di terre rare, la ricerca si sta concentrando su motori a magneti permanenti con ridotto o nullo contenuto di terre rare, sebbene questi ultimi presentino ancora carenze in termini di efficienza e densità di coppia rispetto ai PMSM tradizionali, richiedendo ulteriori progressi tecnologici.
Diverse case automobilistiche stanno esplorando soluzioni a doppio motore per ampliare l’intervallo di alta efficienza e migliorare l’autonomia complessiva del veicolo, combinando i vantaggi di diverse tipologie di motori.
Oltre i Limiti: L’Evoluzione delle Topologie del Rotore
Il continuo progresso scientifico e tecnologico impone requisiti sempre più stringenti sulle prestazioni dei motori di azionamento dei veicoli elettrici. La ricerca si è concentrata intensamente sulle topologie del rotore e dello statore per ottimizzare le prestazioni. I motori sincroni a magneti permanenti con rotore interno, grazie alla loro elevata resistenza meccanica e all’ampio intervallo di regolazione della velocità, sono diventati la forma dominante per i motori di azionamento.
La topologia del rotore può assumere diverse configurazioni, tra cui a forma di “I” (o a barra singola), a “doppia I”, a “V” singola, a “doppia V”, a “delta” (o a V invertita) e a “U”. Toyota, ad esempio, ha costantemente ottimizzato i motori della serie Prius per aumentare la densità di potenza, portando la velocità da 6000 a 17000 giri/min. Il Prius I utilizzava una struttura a “I”, mentre il Prius II adottava una struttura a “V” per una maggiore coppia di riluttanza. Il Prius III ha introdotto un ponte magnetico centrale per aumentare la resistenza del rotore e fori di alleggerimento per ridurre il peso, migliorando al contempo la densità di flusso magnetico. Il Prius IV, raggiungendo i 17000 giri/min, ha implementato una struttura polare a “delta” per ridurre l’uso di magneti permanenti e aumentare la coppia di riluttanza. L’adozione di avvolgimenti a filo piatto nello statore ha ulteriormente migliorato l’efficienza e ampliato la zona di alta efficienza.
Anche altri produttori hanno fatto progressi significativi. Il motore della Honda Accord 2014, con una configurazione a 48 slot e 8 poli, ha utilizzato slot ausiliari sul rotore a “V” per ridurre le pulsazioni di coppia e migliorare le forze elettromagnetiche. L’apertura di fori ellittici ha contribuito a ridurre le perdite di flusso e le concentrazioni di stress. Il motore della BMW i3 del 2016, con 72 slot e 12 poli e avvolgimenti a filo tondo, ha adottato una struttura a “I” a doppio strato con ponti di isolamento magnetico per aumentare la coppia in uscita e ridurre lo stress, raggiungendo un’efficienza superiore al 94% e una velocità massima di 11400 giri/min.
Tesla, con il suo Model 3, ha adottato un rotore con struttura a “V” e slot ausiliari per ottimizzare le prestazioni e un sistema di raffreddamento a olio per migliorare la dissipazione del calore, raggiungendo una velocità massima di 17900 giri/min e una densità di potenza di 2.4 kW/kg. I motori sincroni a magneti permanenti con avvolgimenti a forcina (hair-pin) della serie Volkswagen ID.4 hanno incorporato una struttura a 8 poli e 48 slot con 6 strati di conduttori e una segmentazione a 4 sezioni del polo magnetico a “delta” per migliorare le caratteristiche di rumore e vibrazione, con un raffreddamento ad acqua.
L’aumento delle velocità dei motori di azionamento ha comportato una maggiore forza centrifuga sui rotori, ponendo sfide alla stabilità e alla sicurezza. Per garantire un funzionamento sicuro e stabile, i rotori devono essere protetti. Le guaine in fibra di carbonio composita, rispetto a quelle metalliche, offrono vantaggi significativi in termini di leggerezza, alta resistenza e bassa conducibilità elettrica, adattandosi meglio ai requisiti di alta velocità e migliorando le prestazioni del motore. Tesla Model S Plaid, con il suo rotore avvolto in fibra di carbonio, supera i 20000 giri/min, permettendo un’accelerazione da 0 a 100 km/h in soli 2.4 secondi e una velocità massima di 322 km/h. Questa innovazione ha spinto altri produttori a sviluppare prodotti simili ad alta velocità. Ad esempio, il motore posteriore della Zeekr 001FR, con un rotore in fibra di carbonio, raggiunge i 20620 giri/min e una densità di potenza di 4.4 kW/kg. Il motore V8s di Xiaomi, con una velocità massima di 27200 giri/min, una potenza di picco di 425 kW e un’efficienza del 98.11%, raggiunge una densità di potenza di 10.14 kW/kg. Nonostante i benefici in termini di resistenza meccanica, la fibra di carbonio può ostacolare la dissipazione del calore, presentando rischi di smagnetizzazione ad alte temperature. La ricerca si concentra quindi sullo sviluppo di rotori a magneti permanenti ad alte prestazioni che soddisfino contemporaneamente i requisiti di resistenza e dissipazione del calore.
Contrariamente alle strategie basate sui magneti permanenti, Tesla Model S e Model X utilizzano motori a induzione con rotori a barre di rame per migliorare l’efficienza. Per ridurre i costi di produzione, Tesla ha sviluppato un metodo innovativo che prevede l’inserimento di cunei di rame placcati in argento tra le estremità delle barre di rame, saldandoli insieme prima di fissarli con anelli di bloccaggio alle estremità per aumentarne la resistenza meccanica. Questo metodo offre connessioni solide, costi contenuti e facilità di produzione. Il motore a induzione con rotore in alluminio pressofuso dell’Audi e-tron, con alette di dissipazione del calore alle due estremità del rotore, è un esempio di design più semplice.
Il sistema di propulsione eDrive di quinta generazione della BMW iX3 impiega un motore sincrono a eccitazione elettrica, raggiungendo una velocità massima di 17000 giri/min e un’efficienza superiore al 97%. La corrente di eccitazione viene fornita all’avvolgimento del rotore tramite un collettore a spazzole. Per affrontare l’usura delle spazzole, BMW ha sviluppato un modulo spazzole ad alta durabilità e prestazioni. Inoltre, la nuova generazione di sistemi di propulsione elettrica di Mahle utilizza la tecnologia di trasmissione wireless, eliminando la necessità di spazzole.
L’Innovazione nello Statore: Avvolgimenti e Materiali del Nucleo
La continua ricerca di efficienza e densità di potenza nei motori di azionamento per veicoli elettrici ha portato a significativi progressi nella progettazione dello statore, in particolare per quanto riguarda le topologie degli avvolgimenti e i materiali del nucleo.
I motori di azionamento dei veicoli elettrici utilizzano tipicamente combinazioni di poli e scanalature come 48 scanalature/8 poli o 54 scanalature/6 poli, con avvolgimenti a scanalatura intera. Storicamente, avvolgimenti a filo tondo sono stati impiegati in motori come quelli della Honda Accord 2014 e della BMW i3, raggiungendo efficienze superiori al 96%. Tuttavia, il filo tondo ha un diametro ridotto, richiedendo l’uso di legature per modellare le estremità degli avvolgimenti e ridurne l’altezza.
Con l’aumento dei requisiti di efficienza e densità di potenza, gli avvolgimenti a filo piatto, o “hair-pin”, hanno trovato ampia applicazione. Originariamente sviluppati negli Stati Uniti, questi avvolgimenti consentono un riempimento molto regolare delle scanalature, aumentando notevolmente il fattore di riempimento. Le estremità degli avvolgimenti a filo piatto sono anche più basse, riducendo la resistenza DC del 30%-40%, diminuendo significativamente le perdite di rame e migliorando la densità di potenza e l’efficienza del motore.
Esistono diverse forme di avvolgimenti a filo piatto, tra cui avvolgimenti impilati, a forcina (Hair-pin), a “I-pin”, a “X-pin” e a onda continua. L’avvolgimento Hair-pin è attualmente uno dei più diffusi e maturi dal punto di vista manifatturiero. Aziende come BMW (ad esempio nella i7) e Tesla (nel Model Y) utilizzano avvolgimenti Hair-pin nei loro motori di azionamento. Per ridurre ulteriormente l’altezza delle estremità degli avvolgimenti, Denso ha sviluppato un design a gradini che riduce il raggio di curvatura dell’avvolgimento. Inoltre, l’aggiunta di isolamento polimerico alle basi degli avvolgimenti a filo piatto garantisce l’isolamento anche a contatto.
Gli avvolgimenti “I-pin” e “X-pin” eliminano la necessità di pre-formare i fili, poiché il filo di rame piatto viene inserito direttamente assialmente nelle scanalature dello statore, consentendo un fattore di riempimento ancora più elevato. La tecnologia “X-pin” rappresenta un’evoluzione della “I-pin”, mirata a ridurre l’altezza del segmento rettilineo terminale della tecnologia “I-pin” mantenendo un alto fattore di riempimento, con l’obiettivo di ridurre la lunghezza complessiva del motore e il consumo di filo di rame, migliorando così l’efficienza del motore e ottenendo una miniaturizzazione. Le aziende come GAC Aion Quark e United Automotive Electronic Systems utilizzano ampiamente la struttura di avvolgimento X-pin. Tuttavia, sia gli avvolgimenti “I-pin” che “X-pin” richiedono saldature su entrambi i lati, aumentando la complessità del processo e riducendo l’affidabilità.
Gli avvolgimenti impilati e a onda continua offrono il vantaggio di basse altezze delle estremità e meno punti di saldatura, rendendoli particolarmente adatti alle strutture di raffreddamento a olio, riducendo la possibilità che frammenti di isolante entrino nell’olio di raffreddamento durante la saldatura. Tuttavia, la loro complessità di fabbricazione ne limita l’applicazione. Honda IMMD impiega avvolgimenti impilati a passo corto a due strati, riducendo la distanza tra le scanalature delle estremità e l’altezza delle stesse. I motori di BorgWarner e Lucid Air utilizzano avvolgimenti a onda continua, particolarmente adatti in spazi assiali ristretti.
Con lo sviluppo di motori ad alta velocità e alta frequenza, le perdite di corrente alternata negli avvolgimenti sono diventate un problema sempre più serio. La ricerca ha proposto diverse topologie di avvolgimento per ridurre queste perdite, come avvolgimenti segmentati, avvolgimenti con sezione trasversale disuguale, avvolgimenti a filo piatto trasposto e avvolgimenti a trasposizione ibrida. Questi approcci mirano a mitigare l’effetto pelle e l’effetto di prossimità che aumentano le perdite di rame.
Per quanto riguarda i materiali del nucleo dello statore, la miniaturizzazione, l’alta densità di potenza e l’alta efficienza dei motori di azionamento richiedono materiali magnetici con alta densità di flusso di saturazione, basse perdite, eccellenti proprietà meccaniche, buona lavorabilità e un elevato rapporto costo-efficacia. Attualmente, i nuclei dello statore e del rotore dei motori automobilistici sono per lo più realizzati in acciaio al silicio non orientato, le cui prestazioni influenzano direttamente la potenza, l’efficienza e la durata del motore. Il Giappone è stato un pioniere nella ricerca di acciaio al silicio non orientato ad alta resistenza per veicoli elettrici, con aziende come JFE e Nippon Steel in posizione di leadership. Sebbene la ricerca cinese in questo campo sia iniziata più tardi, aziende come Baosteel, Wisco, Shougang e Maanshan Steel stanno facendo progressi. Il super motore V8s di Xiaomi, con una velocità massima di 27200 giri/min, utilizza uno speciale acciaio al silicio con una resistenza allo snervamento di 960 MPa e uno spessore ridotto da 0.35-0.50 mm a 0.25-0.27 mm per ridurre le perdite di ferro.
Le perdite nel nucleo dello statore sono un fattore significativo che influisce sull’efficienza operativa del motore. La sostituzione dell’acciaio al silicio con nuove leghe è diventata un’importante direzione di ricerca. I materiali in lega amorfa, con le loro basse perdite e alta permeabilità magnetica, mostrano un promettente futuro. Sebbene la densità di flusso di saturazione delle leghe amorfe sia inferiore a quella dell’acciaio al silicio, le perdite nel nucleo delle leghe amorfe possono essere significativamente inferiori. Il sistema di propulsione elettrica GAC Aion Quark, che utilizza materiali in lega nanocristallina-amorfa per il nucleo del motore, ha ridotto le perdite nel nucleo del 50% e aumentato l’efficienza operativa al 97.5%, raggiungendo una densità di potenza di 12 kW/kg. Tuttavia, le leghe amorfe sono dure, fragili ed estremamente sottili, rendendo la loro lavorazione e applicazione su larga scala difficili.
La Gestione Termica: Raffreddare la Potenza per la Durata
L’elevata densità di potenza dei motori di azionamento dei veicoli elettrici rende la gestione termica una questione critica. Il funzionamento prolungato o il sovraccarico possono portare a un surriscaldamento del motore, con conseguente smagnetizzazione irreversibile dei magneti permanenti, riduzione della vita utile o guasto dei materiali isolanti. Il raffreddamento e la dissipazione del calore del motore limitano direttamente la sua capacità di uscita massima. Pertanto, è essenziale non solo ridurre le perdite in ogni componente durante la progettazione, ma anche progettare strutture di raffreddamento efficaci e analizzare l’aumento di temperatura nelle diverse parti del motore.
I metodi comuni per l’analisi termica includono il metodo della formula semplificata, il metodo della rete termica a parametri concentrati (LPTN) e i metodi di simulazione numerica. Il metodo della formula semplificata è utile per stime approssimative nella fase di progettazione iniziale, ma presenta un’accuratezza limitata. LPTN è un metodo rapido basato sulla teoria della topologia di rete, che modella la distribuzione della temperatura in base a un numero variabile di nodi, bilanciando velocità di calcolo e precisione. Tuttavia, è applicabile solo a motori con strutture definite.
I metodi di simulazione numerica, come il metodo degli elementi finiti (FEM) e la fluidodinamica computazionale (CFD), offrono analisi più dettagliate. FEM discretizza la geometria del motore per risolvere le equazioni di equilibrio termico in ogni nodo, utile per l’ottimizzazione del design. CFD accoppia il campo di temperatura e il campo di flusso, consentendo l’analisi dell’influenza dei fluidi di raffreddamento esterni e l’ottimizzazione delle strutture di raffreddamento, sebbene richieda un maggiore lavoro di modellazione e tempi di calcolo più lunghi. Recentemente, i ricercatori hanno combinato questi metodi per migliorare l’efficienza e la precisione.
Per quanto riguarda le strutture di raffreddamento, le due categorie principali sono il raffreddamento ad aria e il raffreddamento a liquido. Il raffreddamento ad aria, semplice e facile da mantenere, è adatto a motori di piccola e media potenza ma offre un’efficienza di raffreddamento limitata. Il raffreddamento a liquido, più efficiente, utilizza fluidi come acqua o olio. Sebbene più costoso e strutturalmente complesso, e con il rischio di corrosione, è ampiamente adottato nei motori di azionamento dei veicoli elettrici ad alta potenza.
Le strutture di raffreddamento ad acqua spesso prevedono condotti nel carter del motore o all’interno dello stesso, dove il liquido di raffreddamento circola per rimuovere il calore. Questo non influisce sul percorso magnetico del motore, rendendolo una scelta privilegiata. Le forme dei condotti possono essere a spirale, ad anello intero, a mezzo anello o assiali. La ricerca si concentra sull’ottimizzazione di queste strutture e dei parametri dei condotti per migliorare l’efficienza. Nonostante i condotti d’acqua nel carter forniscano un adeguato trasferimento di calore alla parte diritta degli avvolgimenti, la distanza dal calore generato negli avvolgimenti terminali e nel rotore può limitarne l’efficacia. Sono state proposte nuove strutture, come la dissipazione del calore divisa per le estremità degli avvolgimenti e il raffreddamento nelle scanalature, per avvicinare il mezzo di raffreddamento alla fonte di calore.
Con l’aumento della densità di potenza, il raffreddamento a olio è diventato cruciale. L’olio, essendo non conduttivo e non magnetico, può essere utilizzato come mezzo di raffreddamento diretto per le fonti di calore (avvolgimenti), offrendo un’alta efficienza di dissipazione del calore e un significativo miglioramento della densità di potenza. Il raffreddamento a olio può essere indiretto, con l’olio che circola nei canali interni del carter e del rotore, o diretto, che include metodi a immersione e a spruzzo. Spesso, vengono utilizzate combinazioni di queste tecniche per un raffreddamento mirato. L’immersione dell’intero motore in olio offre un eccellente raffreddamento e riduce il rumore, mentre il raffreddamento a spruzzo mira direttamente alle estremità degli avvolgimenti dello statore per una dissipazione efficiente.
Molte case automobilistiche stanno investendo nella tecnologia di raffreddamento a olio. Esempi includono Toyota Prius (raffreddamento a olio delle estremità degli avvolgimenti), Tesla Model 3 (raffreddamento a olio), BYD DMI e Huawei DriveONE. Lucid Air ha incorporato canali di raffreddamento più vicini agli avvolgimenti nelle sezioni dei denti per migliorare il raffreddamento, bilanciando le prestazioni di raffreddamento con quelle elettromagnetiche.
Il Futuro della Propulsione Elettrica: Sfide e Prospettive
Il rapido sviluppo dei veicoli elettrici ha portato a un’accelerazione senza precedenti nell’innovazione dei motori di azionamento. Tuttavia, rimangono diverse sfide tecnologiche da superare per spingere ulteriormente i limiti delle prestazioni.
La necessità di ridurre l’uso di materiali a base di terre rare nei magneti permanenti continua a guidare la ricerca verso motori con ridotto o nullo contenuto di tali elementi. Sebbene promettenti, questi motori devono ancora eguagliare l’efficienza e la densità di coppia dei PMSM tradizionali. La gestione del calore nei rotori avvolti in fibra di carbonio è un altro punto critico: mentre la fibra di carbonio migliora la resistenza meccanica alle alte velocità, la sua bassa conduttività termica può portare a problemi di dissipazione del calore e rischio di smagnetizzazione dei magneti permanenti. La ricerca si concentra sullo sviluppo di rotori che bilancino resistenza e capacità di raffreddamento.
La lavorazione di nuovi materiali per il nucleo, come le leghe amorfe, rappresenta un’altra sfida. Nonostante le loro eccellenti proprietà magnetiche, la durezza, la fragilità e l’estrema sottigliezza di questi materiali rendono la loro produzione e applicazione su larga scala particolarmente difficili.
Infine, le soluzioni di raffreddamento innovative, come i conduttori cavi per gli avvolgimenti, che consentono l’inserimento di heat pipe o la circolazione di fluidi di raffreddamento direttamente all’interno del conduttore, sono ancora in fase di sviluppo. Le sfide includono la garanzia di una sufficiente resistenza alla compressione, la gestione dello spazio interno limitato, l’ottimizzazione del rapporto tra il rame e l’area di raffreddamento, e la complessità dei processi di fabbricazione, in particolare per quanto riguarda la saldatura delle estremità degli avvolgimenti e la prevenzione del blocco nei punti di piegatura.
In sintesi, il percorso verso motori di azionamento per veicoli elettrici sempre più efficienti, potenti e sostenibili è costellato di innovazioni continue. Il futuro vedrà un’ulteriore evoluzione nelle topologie dei rotori e degli statori, con un’enfasi crescente su materiali avanzati e sistemi di gestione termica altamente sofisticati. Questi progressi non solo miglioreranno le prestazioni e l’autonomia dei veicoli elettrici, ma contribuiranno anche a un futuro più verde e a basse emissioni di carbonio.
Autori: JIA Guanglong, JU Xiaowei, ZHAO Ze, ZHANG Fengge
Affiliazione: National Engineering Research Center for Rare-Earth Permanent Magnet Machine, School of Electrical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, Liaoning, China
Pubblicazione: Journal of Shenyang University of Technology, Vol. 46 No. 5, Settembre 2024
DOI: 10.7688/j. issn. 1000-1646. 2024.05.04