Nuovo motore ibrido promette prestazioni EV più fluide e potenti
Un team di ricercatori cinesi ha presentato un’innovazione rivoluzionaria nel campo dei motori elettrici per veicoli elettrici (EV), un design che potrebbe finalmente superare i principali ostacoli che hanno limitato l’adozione di una tecnologia promettente ma a lungo trascurata. I ricercatori dell’Università Cinese di Scienze Minerarie e della Nanchang University hanno sviluppato un nuovo motore a riluttanza comutata a flusso ibrido assiale-radiale con rotore segmentato (ARFSRSRM), affrontando direttamente due delle sue debolezze storiche: l’elevato ripple di coppia e la bassa densità di coppia.
Guidati dal Dr. Wenju Yan e dai suoi colleghi Hongwei Yang, Jun Xin, Hao Chen e Fengyuan Yu della Scuola di Ingegneria Elettrica dell’Università Cinese di Scienze Minerarie, insieme a Qing Wang del College of Information Engineering della Nanchang University, il team ha pubblicato i risultati della loro ricerca sulla prestigiosa rivista Power System Protection and Control. Il loro lavoro dimostra un balzo in avanti significativo per i motori a riluttanza comutata (SRM), una tecnologia nota per la sua robustezza, semplicità costruttiva e funzionamento efficiente su un’ampia gamma di velocità, senza l’uso di magneti permanenti a terre rare.
L’importanza di questo sviluppo è notevole. Mentre i motori sincroni a magneti permanenti (PMSM) dominano attualmente il mercato degli EV grazie alla loro elevata densità di potenza e al funzionamento silenzioso, presentano svantaggi significativi, tra cui costi elevati dei materiali, vulnerabilità della catena di approvvigionamento legata alle terre rare e complesse esigenze di gestione termica. Gli SRM, d’altra parte, sono costruiti con semplici pacchi di lamierino d’acciaio e avvolgimenti in rame, rendendoli intrinsecamente più durevoli, più facili da produrre e meno suscettibili alla demagnetizzazione a temperature elevate. Tuttavia, la loro reputazione per un funzionamento rumoroso e vibrante—una conseguenza diretta dell’elevato ripple di coppia—è stata un ostacolo principale all’accettazione da parte dei consumatori nei veicoli passeggeri.
Il nuovo design dell’ARFSRSRM proposto dal team di Yan affronta direttamente questo problema. L’innovazione centrale risiede nella sua topologia unica. Il motore presenta un rotore segmentato centrale condiviso da due sistemi statorici, uno assiale e uno radiale. La componente assiale utilizza una configurazione a doppio statore, con statore posizionati su entrambi i lati dello stack del rotore. La componente radiale presenta uno statore esterno convenzionale che circonda lo stesso rotore centrale. Questa co-localizzazione dei circuiti magnetici assiale e radiale su un unico rotore è ciò che consente le prestazioni elevate del motore.
La chiave del successo del design è la sua capacità di creare un “circuito magnetico corto” con una proprietà unica: nella posizione di rotor non allineato, i flussi magnetici generati dagli statore assiale e radiale sono progettati per opporsi e annullarsi reciprocamente. Questa cancellazione risulta in una induttanza minima significativamente più bassa per gli avvolgimenti del motore. La differenza tra l’induttanza massima (nella posizione allineata) e questa nuova induttanza minima più bassa è un fattore critico per determinare la quantità di coppia che un SRM può produrre. Una differenza maggiore significa una maggiore “energia co-magnetica”, che si traduce direttamente in una coppia di uscita più elevata. Questo principio è alla base dell’aumentata densità di coppia dell’ARFSRSRM.
Per validare il loro design, i ricercatori hanno condotto un’analisi completa. Hanno prima stabilito il quadro teorico, derivando le equazioni di potenza e definendo i parametri geometrici iniziali basati sui principi di progettazione consolidati per entrambe le macchine a flusso assiale e radiale. Il design finale punta a una potenza di 1,5 kW a 1000 giri/min, un requisito comune per applicazioni ausiliarie o veicoli elettrici più piccoli. Con un diametro esterno dello statore di 240 mm e un diametro esterno del rotore di 175 mm, il motore è progettato per essere compatto e adatto all’integrazione nelle moderne piattaforme veicolari.
Per ottimizzare le prestazioni del motore, il team ha impiegato una sofisticata strategia di ottimizzazione multi-obiettivo utilizzando il metodo Taguchi, un approccio statistico robusto per la progettazione degli esperimenti. Hanno identificato quattro parametri strutturali critici che avrebbero avuto il maggiore impatto sulle prestazioni del motore: la lunghezza dello stivale del polo dello statore radiale (Ht), l’angolo dell’arco del polo dello statore radiale con stivale (βs1), la larghezza del traferro tra lo stivale del polo dello statore assiale e del rotore (Wsro) e la larghezza della scanalatura del rotore (Wrslot). Invece di testare tutte le 256 possibili combinazioni di questi quattro parametri a quattro diversi livelli ciascuno, il metodo Taguchi ha permesso loro di selezionare un set attentamente costruito di 16 esperimenti. Questo approccio alla matrice di test ortogonale ha ridotto drasticamente il carico computazionale delle simulazioni a elementi finiti (FEM) tridimensionali, pur fornendo dati statisticamente significativi.
Il processo di ottimizzazione si è concentrato su tre indicatori di prestazione chiave: coppia media (Tav), coefficiente di fluidità della coppia (τ) e densità di coppia (Tp). Il coefficiente di fluidità della coppia, definito come il rapporto tra la coppia media e la differenza tra coppia massima e minima, è una misura diretta del ripple di coppia. Un valore più alto indica un’uscita più fluida e meno pulsante. La densità di coppia, misurata in Newton-metri per metro cubo (N/m³), riflette quanta coppia il motore può produrre rispetto al suo volume, una metrica cruciale per le applicazioni automobilistiche con vincoli di spazio.
Analizzando i risultati delle 16 simulazioni FEM, i ricercatori hanno calcolato una “matrice dei pesi” per ogni obiettivo di prestazione, quantificando l’influenza di ogni livello del parametro sul risultato. Hanno quindi combinato queste matrici utilizzando fattori ponderati (0,4 per la coppia media, 0,3 per la fluidità e 0,3 per la densità) per arrivare a una singola “matrice obiettivo totale” che rappresentava il miglior compromesso complessivo. Questo approccio sistematico ha identificato la combinazione ottimale dei parametri come “1244”, corrispondente a una lunghezza dello stivale del polo dello statore radiale di 1,5 mm, un angolo dell’arco del polo di 16 gradi, un traferro assiale di 10,5 mm e una larghezza della scanalatura del rotore di 17 mm.
I risultati di questa ottimizzazione sono stati impressionanti. Rispetto al design iniziale, l’ARFSRSRM ottimizzato ha mostrato un aumento del 23,4% della coppia media, un miglioramento del 19,54% del coefficiente di fluidità della coppia e un sostanziale aumento del 32,7% della densità di coppia. Questi guadagni non sono puramente teorici; rappresentano un miglioramento tangibile nelle prestazioni reali del motore. Un motore con maggiore densità di coppia può essere reso più piccolo e leggero per la stessa potenza di uscita, migliorando l’efficienza e l’autonomia del veicolo. Un motore con un coefficiente di fluidità più alto produrrà meno vibrazioni e rumore, portando a un’esperienza di guida più raffinata e confortevole.
Per verificare l’accuratezza del loro modello e la validità delle loro affermazioni, il team di ricerca ha condotto un rigoroso processo di validazione. Hanno fatto riferimento a un prototipo precedentemente pubblicato di un simile motore ARFSRSRM 12/10/12, che era stato costruito e testato in un ambiente di laboratorio. Il confronto tra le caratteristiche di accoppiamento magnetico simulate e i dati effettivamente misurati dal prototipo fisico ha mostrato una corrispondenza stretta, confermando la fedeltà del loro modello FEM tridimensionale. Inoltre, simulazioni dinamiche del nuovo design 12/14/12 sotto controllo per chopping della corrente (CCC) e controllo per posizione angolare (APC) hanno prodotto risultati coerenti con il comportamento atteso di un SRM ben funzionante, rafforzando ulteriormente la fiducia nel quadro di simulazione.
La vera prova della superiorità dell’ARFSRSRM è arrivata da un confronto diretto con un motore a riluttanza comutata a rotore segmentato a flusso radiale convenzionale (RFSRSRM) con identiche dimensioni esterne e parametri strutturali chiave. Questo confronto testa a testa ha evidenziato i vantaggi del design ibrido. Simulazioni FEM statiche hanno rivelato che l’ARFSRSRM ha raggiunto un rapporto significativamente più alto tra induttanza massima e minima (2,58 rispetto a 1,94 per il RFSRSRM). Questa maggiore escursione di induttanza è la causa diretta dell’aumento della produzione di coppia.
Le forme d’onda della coppia statica raccontavano una storia ancora più convincente. Quando i ricercatori hanno simulato l’uscita di coppia delle configurazioni assiale, radiale e ibrida assiale-radiale, hanno scoperto che la coppia totale prodotta dal motore ibrido era maggiore della semplice somma delle coppie prodotte dai singoli componenti assiale e radiale. Questo effetto super-additivo dimostra che i due circuiti magnetici non stanno solo funzionando in parallelo, ma interagiscono sinergicamente per produrre un’uscita più potente, una scoperta chiave che sottolinea l’efficacia del design integrato.
Simulazioni dinamiche in condizioni operative realistiche hanno ulteriormente confermato le capacità del motore. Quando è stato simulato sotto un’alimentazione CC di 96 V, l’ARFSRSRM ottimizzato ha fornito una coppia media di 14,39 Nm a 1000 giri/min in modalità CCC, con un coefficiente di fluidità della coppia di 1,13. In modalità APC a 1500 giri/min, ha prodotto 9,54 Nm di coppia media con un coefficiente di fluidità di 0,83. In contrasto, il RFSRSRM convenzionale, simulato in condizioni simili, ha prodotto una coppia media più bassa (10 Nm e 9 Nm rispettivamente) e ha mostrato un ripple di coppia più alto, come evidenziato da una maggiore differenza tra i valori di coppia massima e minima. La densità di coppia dell’ARFSRSRM era anche notevolmente più alta, raggiungendo 5,9 x 10³ N/m³ in modalità CCC rispetto a 3,92 x 10³ N/m³ per il RFSRSRM.
Oltre alla potenza grezza e alla fluidità, i ricercatori hanno anche valutato la risposta dinamica del motore. Simulazioni di uno scenario di “velocità variabile”, in cui la velocità del motore è aumentata da 700 a 900 giri/min sotto un carico costante di 10 Nm, e uno scenario di “carico variabile”, in cui il carico è aumentato da 8 a 12 Nm a una costante di 1000 giri/min, hanno mostrato che l’ARFSRSRM poteva mantenere un funzionamento stabile con la velocità che si stabilizzava entro 0,15 secondi in entrambi i casi. Questo tempo di risposta rapido è essenziale per il controllo preciso richiesto nei moderni treni di trasmissione EV, in particolare per funzionalità come la frenata rigenerativa e il controllo della trazione.
Le implicazioni di questa ricerca sono di vasta portata. Mitigando con successo i due principali punti deboli degli SRM—ripple di coppia e bassa densità di potenza—il team di Yan ha avvicinato significativamente questa tecnologia intrinsecamente robusta ed economica a un’adozione più ampia nel mercato degli EV. L’eliminazione dei magneti a terre rare non solo riduce i costi dei materiali, ma rende anche la catena di approvvigionamento per questi motori più sicura e meno dannosa per l’ambiente. La costruzione semplice e robusta suggerisce anche un potenziale per una maggiore affidabilità e costi di manutenzione più bassi nel corso della vita del veicolo.
Il design incorpora anche diverse caratteristiche pratiche che migliorano la sua fabbricabilità e prestazioni. L’uso di un rotore segmentato tenuto insieme da un disco in resina epossidica riduce le perdite per attrito dell’aria, migliorando l’efficienza ad alte velocità. La struttura a doppio statore assiale fornisce un bilanciamento intrinseco delle forze magnetiche, che minimizza le vibrazioni e prolunga la vita dei cuscinetti. Il concetto di “poli identici”, in cui poli adiacenti dello statore hanno la stessa configurazione dell’avvolgimento, semplifica il processo di produzione e assemblaggio.
Sebbene la ricerca attuale si basi su un prototipo da 1,5 kW, i principi di progettazione sono scalabili. La natura modulare del rotore segmentato e la flessibilità della topologia a flusso ibrido suggeriscono che questa architettura potrebbe essere adattata per una vasta gamma di livelli di potenza, da piccoli veicoli urbani a veicoli passeggeri più grandi e persino veicoli commerciali. Il successo di questo progetto evidenzia anche il potere di combinare modellazione elettromagnetica avanzata con tecniche di ottimizzazione sistematica per spingere i confini di ciò che è possibile nella progettazione delle macchine elettriche.
In conclusione, il lavoro di Wenju Yan, Hongwei Yang, Jun Xin, Hao Chen, Fengyuan Yu e Qing Wang rappresenta un progresso significativo nel campo della propulsione elettrica. Il loro motore a riluttanza comutata a flusso ibrido assiale-radiale non è solo un miglioramento incrementale, ma una ripensamento fondamentale di come l’energia magnetica può essere sfruttata in una macchina elettrica. Offrendo un SRM più fluido, più potente e più compatto, hanno aperto una nuova via promettente per lo sviluppo di veicoli elettrici di prossima generazione che non solo sono più efficienti e sostenibili, ma anche più accessibili per una gamma più ampia di consumatori.
Wenju Yan, Hongwei Yang, Jun Xin, Hao Chen, Fengyuan Yu, Qing Wang, China University of Mining and Technology, Nanchang University, Power System Protection and Control, DOI: 10.19783/j.cnki.pspc.246010