Esiste un motore elettrico ideale?

Nel recente passato, molti nuovi produttori hanno iniziato a costruire motori elettrici, perché sembrano prodotti semplici. Nell'ingegneria automobilistica, tuttavia, i motori devono essere personalizzati con precisione in base alle specifiche della casa automobilistica. I criteri più importanti sono la densità di potenza e di coppia, l'efficienza e la durata.

I motori elettrici convertono l'energia elettrica in energia meccanica. Le forze magnetiche forniscono una coppia disponibile fin dalla prima velocità, a differenza dei motori a combustione interna. Già solo per questo motivo, il motore elettrico è adatto alla guida di un'automobile. Il fatto che sia compatto e che svolga il suo lavoro senza emissioni e con un'efficienza significativamente migliore rispetto al motore a combustione sono ulteriori vantaggi. Poiché i motori elettrici possono funzionare anche come generatori, vengono spesso chiamati collettivamente macchine elettriche. Uno dei motivi dell'elevata efficienza del motore elettrico è il fatto che l'energia non deve essere convertita termodinamicamente, ma viene utilizzata direttamente. Inoltre, l'energia cinetica del veicolo in movimento può essere rimmessa nella batteria attraverso il recupero.

Per l'azionamento delle auto elettriche vengono utilizzati diversi tipi di macchine elettriche. Le principali sono: macchine sincrone ad eccitazione permanente e ibride, macchine sincrone ad eccitazione separata e macchine asincrone.

Le macchine sincrone a eccitazione permanente (PSM) sono spesso utilizzate nelle auto elettriche attuali. Sono compatte, potenti ed efficienti dal punto di vista energetico. Poiché il campo magnetico del rotore è generato da magneti permanenti, le macchine funzionano ad alta efficienza anche a carico parziale. Il loro design è inoltre semplice: non sono necessari contatti striscianti, ad esempio. Il principale svantaggio di questo design è il costo. In termini di materie prime, i PSM dipendono dalle terre rare.

La macchina sincrona a eccitazione esterna (FSM o EESM, externally excited synchronous motor) funziona con un rotore il cui campo magnetico è generato da un elettromagnete, cioè dal flusso di corrente. In termini di efficienza, si avvicina alla PSM. Tuttavia, è più economico da produrre rispetto al PSM. L'FSM è quindi utilizzato nelle categorie di veicoli più sensibili al prezzo e tende a essere utilizzato nelle auto di piccole dimensioni. Un vantaggio dell'FSM è che non sono necessari metalli di terre rare per la produzione.

Nei motori asincroni (ASM), a differenza dei motori sincroni, i campi magnetici del rotore e dello statore non si muovono alla stessa velocità, cioè in modo asincrono. L'ASM è leggermente meno efficiente, oltre che più pesante e leggermente più rumoroso durante il funzionamento. Il vantaggio, tuttavia, è che può essere completamente disattivato in qualsiasi momento e quindi funziona a ruota libera, cioè non consuma energia. Inoltre, può fare a meno dei magneti permanenti e delle unità di controllo, il che lo rende più economico da produrre rispetto al PSM. Per ottenere un potente effetto boost, il motore asincrono può funzionare in sovraccarico per un breve periodo di tempo. Questa proprietà può essere sfruttata nei veicoli sportivi.

Non esiste ancora una soluzione ideale per quanto riguarda la scelta del tipo di motore. Alcuni costruttori oscillano tra PSM e ASM, altri tra PSM e FSM. Altri ancora si concentrano su una combinazione di concetti. Come tendenza, tuttavia, si può affermare che le macchine elettriche senza magneti, cioè FSM e ASM, guadagneranno terreno perché sono più ecologiche e meno dipendenti dai prezzi delle materie prime. Il produttore di automobili beneficia così di una stabilità dei prezzi a lungo termine e di una sicurezza di approvvigionamento globale.

Per questo motivo, ad esempio, l'azienda tedesca di sviluppo Vitesco Technologies è decisamente favorevole a questo design. I motori a eccitazione esterna sono tecnicamente complessi, in quanto richiedono una propria fonte di energia per azionare il rotore. Tuttavia, il loro rotore non richiede magneti permanenti. Un altro vantaggio è che l'FSM può essere ottimizzato per una gamma più ampia di applicazioni. Gli FSM funzionano in modo più efficiente rispetto ai PSM nei lunghi viaggi in cui si percorre molta autostrada.

Renault punta sulla scheda FSM non solo per il modello Zoé, ma anche per il futuro: insieme al partner Valeo, la Casa francese sta sviluppando la macchina sincrona E7A ad eccitazione elettrica, che sarà lanciata sul mercato nel 2027. Un nuovo statore di Valeo aumenta anche le prestazioni e l'efficienza. L'unità genera fino a 200 kW (272 CV) ed è quindi significativamente più potente dei motori elettrici utilizzati finora, secondo il produttore, ma senza consumare più elettricità.

I motori asincroni sono utilizzati da Audi nella nuova Q6 e-tron sull'asse anteriore e posteriore e anche Mercedes e Tesla utilizzano l'ASM in vari modelli. In alcuni modelli vengono utilizzati sia l'ASM che il PSM per azionare l'asse anteriore e quello posteriore.

Se le prestazioni giocano il ruolo principale, come nel caso di Porsche, ad esempio, viene solitamente privilegiato il PSM. Nella nuova Macan completamente elettrica, tali macchine sono utilizzate su entrambi gli assi. La massima densità di potenza è stata ottenuta grazie al nuovo sistema di raffreddamento a camicia d'acqua. L'avvolgimento degli statori con i metodi hairpin (anteriore) e I-pin (posteriore) ha reso possibile un ulteriore aumento delle prestazioni. La potenza viene trasmessa alle ruote dell'asse anteriore e posteriore tramite un cambio compatto a due stadi e a 1 velocità. Anche il recupero porta vantaggi in termini di efficienza. Nella Macan è possibile recuperare fino a 240 kW, a seconda dell'applicazione del pedale del freno da parte del conducente, della temperatura e dello stato di carica della batteria.

Nel Concept One-Eleven, Mercedes ha presentato un e-drive ad alte prestazioni con un motore a flusso assiale della filiale britannica Yasa. In questo motore, il flusso elettromagnetico scorre in modo altamente efficiente parallelamente all'asse di rotazione del motore, mentre nei motori a flusso radiale si muove perpendicolarmente all'asse di rotazione. Rispetto ai motori convenzionali, questo motore offre una potenza di picco e continua significativamente più elevata. Un altro vantaggio è rappresentato dal design estremamente sottile e dal peso ridotto, ma uno svantaggio è rappresentato dai costi di produzione significativamente più elevati. Dove i costi non sono un problema: I motori a flusso assiale con due rotori sono attualmente installati anche nei modelli ibridi Ferrari SF90 e 296 GTB/GTS.