Nuovo motore ad alta efficienza per veicoli elettrici
Un’innovazione rivoluzionaria nel campo della tecnologia dei motori per veicoli elettrici (VE) è emersa dalla Nanjing University of Science and Technology, dove un team di ricercatori ha presentato un nuovo design di motore sincrono a magneti permanenti (PMSM) che promette di ridefinire i parametri di prestazione per le future trasmissioni elettriche. Guidato dal Dr. Weiwei Geng, il team ha sviluppato un rotore modulare a concentrazione di flusso con un’elevata salienza che supera significativamente il design tradizionale del rotore a forma di V in aspetti critici come densità di coppia, potenza di uscita ed efficienza operativa su un’ampia gamma di velocità. Questa innovazione, dettagliata nella prestigiosa rivista Proceedings of the CSEE, rappresenta un balzo in avanti significativo nella ricerca di motori elettrici più potenti, efficienti e compatti, affrontando sfide fondamentali che hanno storicamente limitato le prestazioni dei VE.
Il cuore di questa nuova tecnologia risiede nella sua architettura del rotore, una sofisticata fusione di due concetti consolidati ma precedentemente separati: il rotore a raggi e l’array di magneti permanenti (PM) Halbach. I rotori a raggi sono noti per la loro capacità di concentrare il flusso magnetico, generando così una maggiore densità di coppia e potenza. Tuttavia, storicamente hanno sofferto di un difetto critico: una significativa perdita di flusso magnetico nella circonferenza interna del rotore. Questa perdita non solo spreca energia magnetica preziosa, ma riduce anche l’efficienza complessiva del motore e può provocare un riscaldamento indesiderato. D’altra parte, i rotori a forma di V, diventati lo standard di fatto nell’industria dei veicoli elettrici (utilizzati in veicoli di Tesla, Honda e Toyota), offrono un buon equilibrio tra prestazioni e facilità di produzione, con un alto rapporto di salienza che consente una coppia di riluttanza forte e eccellenti capacità di indebolimento del campo per il funzionamento ad alta velocità. Tuttavia, il loro design incorpora nervature strutturali per mantenere l’integrità meccanica, che involontariamente creano percorsi aggiuntivi per la fuga del flusso magnetico, riducendo l’uso efficace dei costosi magneti di terre rare.
Il team di ricerca, guidato da Jing Wang, Dongxu Liu e Caiquan Wu, ha ingegnosamente combinato i migliori attributi di entrambi, eliminando al contempo i loro principali punti deboli. Integrando il principio dell’array Halbach, che naturalmente dirige il flusso magnetico verso l’entreferro e lontano dall’interno del rotore, con la topologia a raggi, hanno creato una struttura che minimizza intrinsecamente la fuga di flusso interna. L’innovazione chiave è stata l’eliminazione completa delle nervature in ferro tradizionali che hanno afflitto i design a forma di V. Senza queste nervature, il percorso per il flusso parassita viene interrotto, consentendo a una maggiore quantità di energia magnetica dai magneti SmCo di essere canalizzata produttivamente attraverso l’entreferro verso lo statore. Ciò si traduce in una densità di flusso nell’entreferro sostanzialmente più alta, un parametro fondamentale che si correla direttamente alla capacità del motore di produrre coppia. L’analisi agli elementi finiti del team ha confermato questo, mostrando un aumento del 12,5% nell’ampiezza dell’onda fondamentale della densità di flusso nell’entreferro rispetto al rotore a forma di V, passando da 1,12 Tesla a un robusto 1,26 Tesla.
Questa concentrazione di flusso migliorata non viene raggiunta a scapito di un altro parametro critico di prestazione: il rapporto di salienza. Il rapporto di salienza, definito come il rapporto tra l’induttanza dell’asse q e l’induttanza dell’asse d (Lq/Ld), è una pietra miliare del design moderno del IPMSM. Un alto rapporto di salienza consente al motore di generare una coppia di riluttanza significativa oltre alla coppia prodotta dai magneti permanenti stessi. Questo meccanismo di coppia doppia è ciò che conferisce ai IPMSM la loro alta efficienza e densità di potenza. Il nuovo design del rotore modulare raggiunge un rapporto di salienza massimo di 2,01, superando il rapporto di 1,95 del rotore a forma di V. Questa apparente piccola differenza numerica si traduce in un vantaggio pratico sostanziale. Significa che il motore può produrre più coppia per una data quantità di corrente, o viceversa, può produrre la stessa coppia con meno corrente, riducendo così le perdite resistive (di rame) negli avvolgimenti e migliorando l’efficienza complessiva del sistema. Ciò è stato validato nell’analisi delle caratteristiche di coppia dello studio, dove il nuovo design ha dimostrato una coppia di riluttanza massima più alta, un contributo chiave alle sue prestazioni superiori.
I guadagni in termini di prestazioni sono più evidenti esaminando le capacità di uscita del motore. Sotto condizioni di corrente di picco, il nuovo design ha raggiunto una potenza massima di uscita di 61,1 kW, un miglioramento notevole rispetto ai 60,5 kW del rotore a forma di V. Tuttavia, il vantaggio più sorprendente emerge nella regione di alta velocità e di indebolimento del campo. Alla velocità massima di prova di 6.000 giri al minuto (giri/min), il nuovo motore ha mantenuto una potenza di uscita di 75,3 kW, il 20% in più rispetto ai 62,7 kW forniti dal rotore a forma di V. Questa capacità superiore di indebolimento del campo è una conseguenza diretta dell’alto rapporto di salienza e del circuito magnetico ottimizzato. L’analisi del diagramma del vettore di corrente ha mostrato che la “corrente caratteristica” del nuovo rotore posiziona la sua ellisse limite di tensione in una posizione più favorevole rispetto al cerchio limite di corrente. Questa area di sovrapposizione più grande consente al motore di mantenere una coppia più alta ad alte velocità prima di raggiungere il suo limite di tensione, consentendo un intervallo di velocità a potenza costante più ampio. Lo studio ha quantificato ciò come un rapporto teorico di regolazione della velocità di 2,8:1, rispetto a 2,5:1 per il rotore a forma di V. Questo intervallo esteso è cruciale per i VE, poiché consente a un singolo motore di coprire in modo efficiente uno spettro più ampio di condizioni di guida, dalla guida urbana a bassa velocità alla guida autostradale ad alta velocità, riducendo potenzialmente la necessità di trasmissioni complesse a più velocità.
L’efficienza è un altro aspetto in cui il nuovo design eccelle. Sebbene la maggiore densità di flusso porti a un leggero aumento delle perdite nel nucleo (di ferro), questo è più che compensato dai guadagni in potenza di uscita e dalle minori perdite di rame derivanti da una produzione di coppia più efficiente. L’analisi della mappa di efficienza dello studio ha mostrato che il nuovo motore raggiunge un’efficienza massima del 97,5%, rispetto al 97,0% del rotore a forma di V. Questa differenza dello 0,5% può sembrare marginale, ma nel contesto del bilancio energetico complessivo di un VE, rappresenta un miglioramento significativo in termini di autonomia e consumo di energia durante la vita utile del veicolo. Il vantaggio di efficienza si mantiene su un’ampia gamma di funzionamento, con il nuovo motore che mostra un’efficienza maggiore in condizioni di funzionamento nominali e di indebolimento del campo. Ad esempio, a un punto di alta velocità e alta potenza di 5.500 giri/min, il nuovo motore ha funzionato con un’efficienza del 96,01%, mentre l’efficienza del rotore a forma di V era del 95,21%. Questo vantaggio di efficienza costante è un testimone dell’ottimizzazione olistica del design.
Un aspetto critico di qualsiasi motore ad alte prestazioni, specialmente uno progettato per l’esigente ambiente di un veicolo elettrico, è la sua integrità meccanica ad alte velocità di rotazione. L’eliminazione delle nervature strutturali, sebbene vantaggiosa per le prestazioni magnetiche, ha sollevato una preoccupazione significativa sulla capacità del rotore di sopportare le immense forze centrifughe a 6.000 giri/min. Per affrontare questo problema, il team di ricerca ha implementato una soluzione strutturale robusta: una guaina in composito di fibra di carbonio spessa 0,5 mm avvolta intorno alla circonferenza esterna del rotore. La fibra di carbonio è rinomata per il suo eccezionale rapporto resistenza-peso, rendendola un materiale ideale per la protezione dei rotori ad alta velocità. L’analisi delle sollecitazioni agli elementi finiti è stata inequivocabile. Senza la guaina in fibra di carbonio, i segmenti di ferro esterni del rotore avrebbero sperimentato uno spostamento massimo di 0,22 mm e una sollecitazione massima di 255 MPa, livelli che potrebbero portare a un guasto catastrofico. Con la guaina in posizione, lo spostamento massimo è stato ridotto a un valore trascurabile di 0,05 mm, e la sollecitazione massima nel ferro è stata contenuta a circa 140 MPa, ben entro i limiti di funzionamento sicuri del materiale. Questa validazione di successo dell’integrità strutturale del rotore è un passo cruciale per trasformare il design da un concetto di laboratorio a una soluzione di ingegneria praticabile e reale.
La fattibilità pratica del design è stata ulteriormente confermata attraverso la costruzione e il rigoroso test di un prototipo di motore da 30 kW con una configurazione a 16 poli/72 cave. I risultati sperimentali erano in eccellente accordo con le simulazioni agli elementi finiti, conferendo una grande credibilità all’analisi teorica. La forza contro-elettromotrice (back-EMF) misurata a vuoto da linea a linea a 3.000 giri/min era di 170,5 V, il 3,7% in meno rispetto al valore simulato, una differenza ben entro i margini accettabili e attribuibile a fattori come la rimanenza del magnete dipendente dalla temperatura. I test di efficienza in vari punti di funzionamento hanno mostrato una corrispondenza stretta tra simulazione ed esperimento, con l’efficienza massima sperimentale che raggiungeva il 96,1% in condizioni nominali. Questi esperimenti di successo non solo convalidano le prestazioni elettromagnetiche del design, ma dimostrano anche la sua fabbricabilità e robustezza in condizioni di funzionamento reali.
Oltre alle prestazioni grezze, la ricerca ha anche approfondito l’area critica di rumore, vibrazione e durezza (NVH), una preoccupazione fondamentale per l’accettazione dei consumatori dei VE. Sebbene il nuovo design abbia mostrato una coppia di riluttanza leggermente più alta, una fonte comune di rumore a basse velocità, le sue prestazioni generali di NVH sono state considerate favorevoli. L’analisi delle forze elettromagnetiche radiali, la fonte primaria di rumore magnetico, ha mostrato che sebbene entrambi i motori avessero componenti di forza significativi a frequenze più basse, il nuovo design del rotore modulare presentava ampiezze di forza significativamente più basse nella gamma di alta frequenza. Questo è un vantaggio cruciale, poiché il rumore ad alta frequenza è spesso più percettibile e fastidioso per l’orecchio umano. I livelli di rumore misurati in condizioni nominali erano comparabili, con il rumore massimo del nuovo motore che rimaneva al di sotto di 60 dB, indicando che le prestazioni acustiche del design sono ben entro i limiti accettabili per le applicazioni automobilistiche.
Le implicazioni di questa ricerca per l’industria dei veicoli elettrici sono profonde. Raggiungendo un aumento dell’11,7% sia nella densità di coppia che di potenza rispetto al rotore a forma di V attualmente in uso, il nuovo design offre una chiara via verso motori più compatti e leggeri. Ciò può portare a benefici significativi, inclusa una maggiore autonomia del veicolo, un migliore comportamento di guida dovuto a una massa non sospesa più bassa e una maggiore flessibilità di design per i produttori di automobili. Il diametro interno più grande del rotore del nuovo design (157 mm rispetto a 140 mm) è un altro vantaggio significativo, poiché fornisce più spazio per integrare componenti come sensori, sistemi di raffreddamento o persino una macchina secondaria, migliorando l’integrazione complessiva e la compattezza del sistema di trasmissione elettrica. Inoltre, l’uso di successo di una guaina in fibra di carbonio per garantire l’integrità strutturale apre la strada a progetti ancora più veloci in futuro, spingendo i limiti delle prestazioni dei veicoli elettrici.
In conclusione, il lavoro di Wang, Geng, Liu, Wu, Lei, Qiang e Jian della Nanjing University of Science and Technology presenta una riprogettazione completa e altamente riuscita del rotore IPMSM. Combinando abilmente i principi dei design a raggi e Halbach ed eliminando le nervature dannose, hanno creato un rotore modulare a concentrazione di flusso con un’elevata salienza che stabilisce un nuovo standard per le prestazioni del motore dei veicoli elettrici. La sua densità di coppia e potenza superiore, la sua gamma di velocità più ampia, la sua maggiore efficienza e la sua integrità strutturale convalidata lo rendono un candidato convincente per la prossima generazione di veicoli elettrici. Questa ricerca non solo avanza lo stato dell’arte nel design dei motori, ma fornisce anche una soluzione pratica, verificata sperimentalmente, che potrebbe presto trovare posto nei sistemi di trasmissione di futuri veicoli elettrici, spingendo l’industria verso una maggiore efficienza e prestazioni. Jing Wang, Weiwei Geng, Dongxu Liu, Caiquan Wu, Lei Li, Qiang Li, Jian Guo, Nanjing University of Science and Technology, Proceedings of the CSEE, DOI: 10.13334/j.0258-8013.pcsee.222707