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    HomeAcademyQuali sono i motori delle auto elettriche e come funzionano?

    Quali sono i motori delle auto elettriche e come funzionano?

    Quando si tratta di un’auto termica, basta aprire il cofano e si nota subito la differenza tra un motore 4 cilindri o un V12. All’udito, non appena si mette in moto, anche ad occhi bendati un buon alfista è capace di riconoscere la voce del “Busso” montato nell’Alfa 166, oppure il grintosissimo 1.3 IE boxer posto sotto al cofano di una icona del passato, la mitica Alfa 33 Imola.

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    Motori che suscitano emozioni ma che sono alquanto complessi | elettronauti It

    Se poi vi chiediamo di smontare la testata di un motore endotermico per sostituire l’albero a camme e poi controllare che sia in fase? Beh, non è detto che ne siete capaci ma forse alcuni di voi hanno studiato meccatronica e hanno una minima infarinatura.

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    Il motore diesel sotto al cofano per chi è neofita può sembrare complicato | elettronauti It
    Quelli che s'innamorano di pratica senza scienza son come il nocchiere, che entra in naviglio senza timone o bussola, che mai ha certezza dove si vada.
    Leonardo da Vinci

    Cosa c’è sotto

    Se apriamo il cofano di una Jaguar I-Pace, di una Ford Mustang Mach-E, oppure di una Tesla, ci troviamo faccia a faccia con il cosiddetto “frunk” (vano portabagagli anteriore).

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    Tesla ha coniato una parola per una caratteristica che tutti i suoi modelli hanno in comune un bagagliaio nella parte anteriore | elettronauti It

    Anche se lo smontate e togliete tutte le plastiche laterali non è detto che riuscirete a intravedere il motore.

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    Ford mustang mach e il frunk nasconde lintero sistema di raffreddamento suddiviso in più circuiti | elettronauti It

    Il motore elettrico presenta un volume relativamente piccolo il che consente di posizionarlo vicino all’assale anteriore o posteriore, a seconda delle scelte costruttive e pertanto non è in bella vista. Conoscere la teoria vi permette di fare un confronto tra due mondi che sono diametralmente opposti.

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    Il motore di una sportiva elettrica realizzata ispirandosi alla storica alfa romeo giulia gt | elettronauti It

    Prima di entrare nell’argomento e di parlare di tecnica è necessario chiarire che dal punto di vista semantico quando si parla di motori elettrici faccio un’approssimazione se dovessi usare il gergo professionale dovrei usare il termine “macchine” e non motori perché in effetti un motore serve a spostare qualcosa mentre una macchina elettrica può spingere un’altra macchina, frenare o generare corrente. Per semplificare la comprensione di questo articolo, continuerò a parlare di motori.

    Un “motore elettrico” è una macchina che trasforma l’energia elettrica in energia meccanica e quindi in movimento, mentre un motore termico svolge il medesimo compito ma utilizzando energia termica. È il tipo di energia convertita che quindi determina il tipo di motore tra termico ed elettrico. 

    Quando si parla di trasformazione dell’energia termica in energia meccanica, si parla quindi di combustione, e non di energia elettrica. L’efficienza media di un motore a combustione interna è misurata intorno al 20%, i migliori motori a combustione interna hanno un rendimento del 50% e il resto viene disperso come calore residuo, solo una piccola parte di esso è utile durante il periodo invernale per il riscaldare l’abitacolo.

    Qual è la differenza tra un motore termico e un motore elettrico? 

    Per quanto riguarda i veicoli elettrici, poiché l’energia meccanica è generata dall’elettricità, il termine “motore elettrico” viene utilizzato per descrivere il sistema che fa avanzare il veicolo elettrico e il pacco batteria è il serbatoio di energia la cui funzione è quella di alimentare il motore. I motori elettrici convertono l’energia elettrica in energia cinetica garantiscono un’efficienza del 93,3% su un ciclo di guida misto e sono quindi molto più economici dei motori termici.

    La densità di potenza e la potenza specifica

    La prima qualità che deve avere un motore elettrico è un peso specifico modesto e fornire potenza. In pratica se sviluppa una potenza enorme ma il motore pesa quanto l’auto elettrica che dovrebbe alimentare, questo motore non ha davvero motivo di esistere.

    La densità di potenza in kW/L (unità di potenza per unità di volume).

    Il parametro potenza / peso specifico in kW/kg (unità di potenza per unità di massa).

    Affinché il motore a induzione, che descriviamo poco più avanti, dimostri la sua rilevanza nella mobilità elettrica, esso deve garantire sia una buona densità di potenza che una determinata potenza specifica. Se cerchiamo la letteratura scientifica disponibile sull’argomento, il motore a induzione garantisce una densità di potenza di 8 kW/L e una potenza specifica compresa tra 2 kW/kg, 4,3 kW/kg e 5 kW/kg. Ciò significa che se per esempio si vuole installare un motore da 50 kW (67 CV) nell’auto elettrica, allora sarà sufficiente un motore a induzione da 10-25 kg e 6 litri. Rispetto a un equivalente termico, il motore a induzione risulta infinitamente leggero, un motore termico deve pesare almeno 50 kg per fornire altrettanta potenza. I motori a combustione interna garantiscono solo una potenza specifica di 0,9 kW/kg. Questo è già un ottimo punto per la mobilità elettrica, perché sappiamo che i motori devono essere il più piccoli possibile per fare spazio a batterie di grandi dimensioni.

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    Il motore a combustione è assai pesante se lo confrontiamo con il motore elettrico | elettronauti It

    Le auto elettriche fanno rumore?

    I motori elettrici possono produrre un rumore acuto o un sibilo quando funzionano a piena potenza. Le auto elettriche sono dotate di un convertitore di potenza che trasforma l’elettricità che proviene dal pacco batteria, in energia utilizzabile dal motore elettrico, questo dispositivo può generare rumore di tensione quando funziona a piena capacità. Durante la guida sottostando ad un regolamento del 1 luglio 2019, l’auto elettrica al di sotto della soglia di 20 km/h, deve fare rumore e il livello sonoro si attesta sui 56 decibel e questo sia che si usa la retromarcia o in marcia in avanti. Allo stesso modo, qualsiasi macchina elettrica circolando fa rumore di origine meccanica (cuscinetti, ingranaggi, gruppo riduttore, ecc.) oppure a causa delle vibrazioni del battistrada in contatto con il manto stradale e in tal caso non è l’auto a fare rumore ma sono le gomme già a partire dai 40 km/h in su. La pressione dei pneumatici può anche influire come anche i rumori aerodinamici legati al flusso d’aria sulla carrozzeria (specchietti esterni, ecc.).

    Più libertà nella scelta del posizionamento del motore

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    Posizione del motopropulsore elettrico sullassale anteriore | elettronauti It

    Posizionare il motore sull’asse posteriore presenta enormi vantaggi in termini di sterzata, dinamica e sicurezza di guida. La trazione anteriore è sempre stata solo una concessione fatta con l’ottica dell’utilità, offre un alto grado di libertà di carico. Chiunque abbia familiarità con l’altezza di carico di alcune station wagon con trazione posteriore rispetto ai loro concorrenti a trazione anteriore lo sa per certo. Ma nell’auto elettrica, il pacco batteria ha comunque bisogno di spazio nel sottoscocca, il che riduce i vantaggi della trazione anteriore. Invece di distribuire la coppia di un motore alle quattro ruote, il motore elettrico consente anche di posizionare un motore separato su ciascun asse. Alcune auto particolarmente potenti come l’Audi e-tron GT o la Model S Plaid di Tesla utilizzano addirittura tre motori.

    Il motore elettrico a corrente continua

    I motori a corrente continua (CC) si trovano in molti elettrodomestici di uso quotidiano e offrono una buona coppia all’avviamento e supportano i picchi di carico. Il motore è direttamente collegato ad una fonte di energia e la sua velocità di rotazione dipende quindi direttamente dall’intensità della corrente che riceve. Possono essere con spazzole “Brushed” per fornire corrente agli avvolgimenti del motore attraverso i contatti del commutatore, un esempio classico con il motorino d’avviamento dei motori endotermici.

    Chi dice spazzole dice limitazione dei velocità e diminuzione dell’aspettativa di vita, pertanto esistono anche motori di tipo “Brushless” che eliminano l’usura e la formazione di archi correlati all’uso di spazzole e sono dotati di potenti magneti permanenti. Anche se facili da produrre e dai costi contenuti, tutti questi motori a corrente continua non soddisfano i requisiti di potenza, affidabilità o dimensioni per essere integrati nel powertrain di un veicolo elettrico. Tuttavia, possono essere utilizzati per azionare tergicristalli, finestrini e altri dispositivi alimentati in bassa tensione.

    Gli elementi principali del motore

    Il motore di un’auto elettrica funziona attraverso un processo fisico sviluppato alla fine del XIX secolo ed è composto da due componenti essenziali. La parte fissa “statore” è costituito da bobine (avvolgimenti), una volta attraversato da una corrente elettrica crea un campo magnetico rotante che induce una corrente nel “rotore” (parte mobile che ruota rispetto al veicolo). Il rotore, composto da magneti, crea il proprio campo magnetico rotante e questi due campi magnetici reagiscono l’uno contro l’altro costringendo il rotore a girare. La forza elettromagnetica del rotore aziona le ruote grazie alla trasmissione e la velocità di rotazione dipende dall’intensità della corrente. I motori a induzione in AC non necessitano di spazzole, commutatori e anelli del collettore ed è per questo che in genere sono più robusti, più affidabili, più potenti e hanno un’aspettativa di vita molto più lunga dei motori in DC.

    Flusso di energia variabile e continuo

    Il motore è alimentato dalla corrente alternata AC, pertanto richiede l’utilizzo di un circuito di conversione per trasformare la corrente continua (DC) fornita dal pacco batteria. 

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    La corrente differenza tra ca e cc | elettronauti It

    Prima di andare avanti, facciamo un piccolo ripasso, se alla sola vista di queste lettere: “AC/DC”, le prime note di “Highway to Hell” risuonano in mente e tutto il vostro corpo inizia a muoversi, probabilmente siete fan dell’hard-rock ma per quanto riguarda il significato nel settore della mobilità, prima di tutto bisogna parlare della corrente elettrica.

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    La differenza tra motori alimentati in bassa tensione da quelli in alta tensione | elettronauti It

    Ci sono due modi in cui l’elettricità scorre attraverso un conduttore; in CA o corrente alternata (AC per Alternating Current), gli elettroni cambiano direzione periodicamente ad una frequenza molto elevata, mentre in CC o corrente continua (DC per Direct Current) come suggerisce il nome, scorrono nella stessa e unica direzione.

    Gli alternatori delle centrali elettriche producono corrente alternata, che viene poi immessa nella rete pubblica. Questo tipologia di corrente viene utilizzata perché è più facile da trasportare e trasformare limitando le perdite. Quindi a domicilio, l’energia elettrica che arriva alle nostre prese è alternata.

    Ricarica AC per veicoli elettrici

    Quando si mette in carica l’auto elettrica che sia a casa (Wallbox) o presso le colonnine pubbliche in AC, l’alimentazione AC trifase viene convertita da un componente integrato nel veicolo: il caricatore. Questo dispositivo converte l’energia da AC a DC che può essere immagazzinata sia dal pacco batteria che dalla batteria ausiliaria.

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    Evse è un punto di ricarica dove è possibile il servizio di ricarica per qualsiasi veicolo elettrico | elettronauti It

    Ricarica DC per veicoli elettrici

    La differenza tra la ricarica in AC e la ricarica in DC è il luogo in cui la potenza AC viene convertita. Per la ricarica in corrente continua, il caricabatteria è al di fuori dal veicolo, poiché si trova nella stazione di ricarica. Ciò significa che può alimentare direttamente la batteria dell’auto e non ha bisogno del caricatore di bordo per convertirla. Le stazioni di DC permettono di alimentare in modo veloce il pacco batteria e rappresentano una svolta nella mobilità elettrica. Per quanto riguarda il motore, tale corrente continua (DC) deve essere invece riconvertita in corrente alternata tramite un inverter ma cosa succede una volta che questa energia raggiunge il motore elettrico? Tutto dipende dal tipo di motore utilizzato, infatti esistono due tipi di motori elettrici in AC che elencherò più avanti.

    La rotazione del campo magnetico

    Il principio di funzionamento è abbastanza semplice, basta prendere in considerazione un rotore si tratta di una parte cilindrica che contiene un campo magnetico, vale a dire che ha un polo nord e un polo sud, come su una calamita. Bisogna poi dotarsi di uno statore, che per farla spiccia è come avere un rotore ma più largo con una grande cavità al suo interno ed è dotato di un campo magnetico.

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    I due elementi chiave di un motore elettrico | elettronauti It

    Il passo successivo è installare il rotore nello statore in modo tale sia libero di girare su se stesso (non c’è contatto). A questo punto subentra la rotazione del campo magnetico, in effetti, il nostro obiettivo è far girare il rotore e per questo, niente di più semplice. Ruotando il campo magnetico dello statore, il rotore ruoterà in modo che il suo campo magnetico si allinei con quello dello statore: Il polo sud del rotore si unirà al polo nord dello statore e il suo polo nord raggiungerà il polo sud dello statore.

    Per ruotare un campo magnetico nello statore non ci sono segreti, l’ingrediente è l’elettromagnetismo. Il principio consiste nell’osservare che quando una corrente elettrica attraversa un filo avvolto su se stesso (una bobina quindi), si crea un campo magnetico. La direzione di questo campo magnetico dipende dalla direzione della corrente. Vale a dire che se la corrente passa in una direzione, si creeranno un polo nord e un polo sud ma se procediamo nella direzione opposta, i poli si invertiranno. Basta interrompere tutta la corrente in modo che la bobina del filo non produca alcun campo. In altre parole l’elettromagnete è un magnete capace di spegnersi, accendersi, muoversi in una direzione e muoversi nella direzione opposta restando fermo .

    Conoscendo questa caratteristica degli elettromagneti, è sufficiente rivestire il statore con elettromagneti per raggiungere il nostro obiettivo: far ruotare un campo magnetico.

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    Il senso di avvolgimento degli elettromagneti | elettronauti It

    Nell’esempio dell’immagine vediamo due elettromagneti realizzati con lo stesso filo, appartengono dunque alla stessa “fase” e ricevono la stessa corrente elettrica. Il trucco è invertire le direzioni di avvolgimento, infatti, se il senso di avvolgimento dell’elettromagnete 1 è inverso a quello dell’elettromagnete 2, allora quando nel filo passerà corrente, il loro orientamento magnetico sarà opposto. Avremo quindi l’elettromagnete 1 al polo nord e l’elettromagnete 2 al polo sud. Il passo successivo, se si vuole fare ruotare questo campo magnetico, è sufficiente invertire la direzione della corrente, così facendo l’elettromagnete 1 diventerà blu, mentre l’elettromagnete 2 diventerà rosso e di conseguenza il campo magnetico ruoterà. Pertanto si dice motore elettrico a induzione perché la corrente è indotta in un rotore.

    Il motore è trifase

    La corrente alternata è su tre fasi, ciascuna con ampiezze di tensione sfalsate tra di loro di 120 gradi. Si garantisce una coppia uniforme durante il funzionamento del motore, le fasi sono suddivise tra le bobine in multipli di tre e le proprietà di magnetizzazione del rotore sono regolate di conseguenza.

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    Il statore è composto da avvolgimenti sfasati di 120 gradi | elettronauti It

    L’elevata densità di potenza si ottiene avvolgendo le bobine il più strettamente possibile, senza incrociare i fili. Questo “riempimento slot” determina il comportamento di potenza del motore. Per questo motivo, se prendiamo per esempio alcuni marchi come Porsche, BMW e Hyundai, la loro bobina è composta da fili rettangolari che ne aumentano il grado di riempimento dal 50 al 70% rispetto l’avvolgimento convenzionale e il motore può anche dissipare maggiormente il calore. Lo statore è inutile senza rotore, quest’ultimo ha un funzionamento assai intuitivo, se viene ricoperto da magneti permanenti si metterà a girare su se stesso, spinto dal campo magnetico rotante.

    Come ho già precisato, non parlerò dei motori a corrente continua perché non sono più utilizzati nelle auto alla spina, quindi focalizzo la vostra attenzione sui motori che utilizzano corrente alternata. Nelle auto elettriche, ci sono due tipi principali di motori (o meglio macchine elettriche per usare il vero termine tecnico): macchine sincrone e macchine asincrone.

    Il motore a induzione

    Noto come motore asincrono a induzione, è composto da un statore alimentato elettricamente per generare un campo magnetico rotante e ciò provoca una rotazione del rotore la cui velocità angolare è inferiore rispetto alla velocità del campo magnetico generato dallo statore. 

    Non c’è nessun magnete permanente nel rotore del motore a induzione. Il rotore di un motore a induzione appare nella maggior parte dei casi come una comune gabbia per roditori e si è guadagnato l’appellativo di “gabbia di scoiattolo”.

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    Il rotore a gabbia di scoiattolo costituito da una gabbia di barre in alluminio o rame | elettronauti It

    Il rotore del motore a induzione è semplicemente composto da due piastre circolari con delle barre di alluminio o rame. L’unica particolarità di questo rotore sta nell’orientamento delle barre che formano la gabbia. Come si può vedere nell’immagine le barre non sono parallele all’asse di rotazione del rotore ma leggermente oblique, per garantire la silenziosità del motore ad induzione ed evitare fenomeni di inceppamento.

    Come può girare il rotore a “gabbia di scoiattolo”?

    Inserito il rotore nello statore non appena si da corrente al motore, nelle barre di alluminio o rame che compongono la gabbia di scoiattolo vengono indotte delle correnti parassite. Una caratteristica della corrente elettrica è quella di creare sempre un campo magnetico attorno a sé pertanto le correnti parassite non fanno eccezione e anch’esse creano un campo magnetico. Il rotore inizierà a girare a causa di queste correnti e dei loro campi magnetici.

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    Il rotore a gabbia di scoiattolo è soggetto ad un campo magnetico rotante generato dallo statore | elettronauti It

    Sicuramente avete già notato che i campi magnetici vogliono sempre allinearsi, basta affiancare due calamite per accorgersene. Le calamite fanno coincidere i loro poli sud con i poli nord, in modo che i loro orientamenti siano perfettamente coincidenti. Per i campi magnetici del rotore e dello statore del motore a induzione la tipologia è la medesima e quindi il rotore non ha altra scelta che ruotare, se vuole allinearsi al campo magnetico dello statore. L’interazione tra questi due elementi produce la coppia motrice, pertanto questa forza di rotazione viene trasferita alle ruote dell’auto tramite la trasmissione, facendo avanzare l’auto.

    Il rotore gira alla stessa velocità del campo magnetico dello statore?

    In realtà, il rotore non potrà mai girare alla stessa identica velocità del campo magnetico dello statore. Se ipoteticamente il rotore gira alla medesima velocità, nel rotore non si generano più correnti parassite e in questo modo, il rotore non avrà più un campo magnetico e smetterà di essere guidato in rotazione. Se il rotore ruota alla stessa velocità del campo magnetico dello statore, la differenza di velocità tra i due sarà praticamente nullo. In altre parole, il campo magnetico dello statore non appare più variabile al rotore come quando sorpassiamo un’auto in autostrada e questa inizia a viaggiare alla nostra stessa velocità, se ci guardiamo reciprocamente abbiamo l’impressione che siamo fermi. Pertanto, se il campo magnetico non è più variabile, le correnti parassite non vengono più generate nel rotore e ciò implica che il rotore deve sempre girare un po’ più lentamente dello statore per eseguire una corretta rotazione. Si può dire che il rotore è asincrono, poiché non può mai sincronizzarsi perfettamente con la velocità di rotazione del campo magnetico creato dallo statore. Il rapporto di velocità tra il rotore e il campo magnetico dello statore si chiama “scorrimento” e per dare un ordine di idea, il valore più piccolo è del 2%, in altre parole, la velocità di rotazione del campo magnetico è almeno il 2% maggiore di quella del rotore.

    I pro del motore asincrono a induzione

    • Economico da realizzare
    • Non c’è bisogno di terre rare
    • Ottima affidabilità

    I contro del motore asincrono a induzione

    • Richiede un ottimo raffreddamento
    • Densità di potenza inferiore
    • Efficienza inferiore rispetto ad altri motori

    Il motore sincrono a magneti permanenti è decisamente superiore!

    La Cina è il più grande fornitore di terre rare ma anche il più grande produttore di motori per la mobilità elettrica. Le case automobilistiche cinesi hanno quindi logicamente scelto di non investire nel motore a induzione e di privilegiare tutte le tecnologie a magneti permanenti dal momento che la Cina detiene il 60,63% della produzione mondiale.

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    Il paese asiatico produce da sola 140 mila tonnellate della produzione totale mondiale di terre rare | elettronauti It

    Motore sincrono a magneti permanenti

    Come suggerisce il nome, si tratta di veri e propri magneti incorporati nel rotore. La parte fissa (statore) è dotata di un avvolgimento, una volta attraversato da una corrente elettrica, crea un campo magnetico costante capace di far ruotare i magneti presenti nel rotore. Questo fenomeno mette in moto il rotore, che gira alla stessa velocità della corrente magnetica creata dal statore, da cui il nome sincrono. L’efficienza è ottima a bassi regimi con un valore spesso vicino al 93% ed è relativamente semplice da produrre ma utilizzando magneti naturali o blocchetti di ferro magnetizzato per realizzare il rotore il prodotto finale si avvera essere molto grande, il che per macchine industriali non è affatto un problema ma quando si tratta di auto elettriche si tratta di un’enorme handicap.

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    Enorme rotore del motore industriale sincrono a magneti permanenti | elettronauti It

    Inoltre un blocco di ferro magnetizzato perde le sue proprietà rapidamente a forza di essere sottoposto alla variazione elettromagnetica. Per rendere il rotori più efficienti, più duraturi e compatti i produttori usano metalli o leghe ed è ciò che impropriamente chiamiamo: “terre rare”. La maggior parte di questi materiali sono anche più economici da produrre rispetto a metalli pregiati (platino, palladio, rodio, ecc.), presenti nei catalizzatori delle auto termiche.

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    Sandy munro presenta i motori sincroni a magneti permanenti | elettronauti It

    I motori sincroni a magneti permanenti sono utilizzati per una varietà di scopi industriali: nelle turbine eoliche, negli strumenti audio wireless e nelle cuffie, nelle dinamo delle biciclette e ovviamente sono i più diffusi nelle auto elettriche, sono per esempio presenti su Hyundai Ioniq 5, Nissan Leaf, Peugeot e-208…ecc. Ideale per i cicli urbani che prevedono frequenti arresti e ripartenze, si tratta di un motore che offre la migliore efficienza energetica e quindi il minor consumo garantendo la migliore autonomia. Il motore a magneti permanenti ha dunque un rotore composto di lamiere in acciaio magnetico tagliate al laser in forma di disco che vengono poi pressate insieme per formare un pacco super solido.

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    Sandy munro mostra uno dei lamierini del rotore | elettronauti It

    Come controlliamo la velocità di un motore elettrico?

    Per modificare la velocità di un motore a corrente alternata non è necessario manipolare la tensione come lo si fa con i motori a corrente continua, l’unica cosa che bisogna fare è modificare la frequenza della corrente alternata in ingresso. Si tratta di una delle funzioni chiave dell’inverter, non solo converte la corrente continua in AC ma poi manipola la frequenza della corrente alternata per modificare la velocità del motore. I veicoli elettrici a batteria (BEV) sono pesanti, hanno bisogno di trasmissioni per poter muoversi ma quest’ultime sono drammaticamente meno complesse di quelle montate sui veicoli ICE (Internal Combustion Engine o Motore a Combustione Interna).

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    Le bev necessitano di trasmissioni assai meno complesse che nei veicoli ice | elettronauti It

    Il veicolo elettrico ha solitamente una “singlespeed” letteralmente un singolo rapporto e il suo compito è quello di ridurre (smorzare) i regimi molto elevati provenienti dal motore elettrico e servire anche ad aumentare la coppia erogata dal motore elettrico. Più che parlare di vera e propria trasmissione, meglio dire riduttore ad ingranaggi di tipo epicicloidale o magari chiamarlo moltiplicatore di coppia.

    Tesla a seconda del modello e del motore se piccolo o grande di dimensione, il rapporto di trasmissione è 9,7:1 o 9,3:1 il che significa che per esempio ogni 9,7 giri del motore elettrico le ruote girano una volta e la coppia viene moltiplicata ben 9,7 volte.

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    Trasmissione a singlespeed di una tesla | elettronauti It

    Per esercitare la forza motrice il motore elettrico deve essere dotato di un dispositivo meccanico, in questo caso di un riduttore allo scopo di rimanere entro i migliori parametri tra autonomia e prestazioni. Si ottiene un rendimento più alto se si monta sul riduttore un rapporto lungo in modo da rallentare il numero dei giri di rotazione cosi facendo otterremo un discreto risultato soprattutto a velocità elevate ma le prestazioni crolleranno in modo molto drastico finché non si raggiunge la corretta velocità di esercizio. Gli ingegneri hanno quindi deciso di inserire un rapporto corto nel riduttore, i risultati si sono nettamente migliorati fino ad una velocità compresa tra 80 km e 100 km orari ma tale soluzione farà girare il motore troppo velocemente a velocità elevate e quindi in autostrada l’efficienza diminuirà notevolmente fino al 60%.

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    Audi e tron gt rs esploso powertrain posteriore con motore elettrico cambio monomarcia con riduttore epicicloidale a due stadi con differenziale | elettronauti It

    Per automobili del calibro di Audi RS e-tron GT e Porsche Taycan, gli ingegneri di casa Volkswagen hanno cercato di risolvere il problema creando una specifica trasmissione per il motore posteriore composto dal motore sincrono e da un cambio monomarcia con riduttore epicicloidale a due stadi con differenziale.

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    Audi e tron gt rs e i 3 componenti principali del powertrain il motore elettrico arancione il cambio con il differenziale viola lelettronica di potenza verde | elettronauti It

    La coppia viene trasmessa direttamente al differenziale a ingranaggi epicicloidali tramite il portasatelliti. L’uscita alla ruota, è effettuata da due alberi flangiati ad innesto.

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    Schema e funzionamento powertrain posteriore audi e tron | elettronauti It

    Il calore viene dissipato per convezione del flusso d’aria del veicolo e tramite una piastra portante raffreddata ad acqua sul motore elettrico.

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    Porsche taikan con cambio a due velocità e trasmissione che cambia automaticamente | elettronauti It

    La Porsche Taykan è dotata di un cambio a due velocità e la trasmissione cambia automaticamente marcia superato i 116 km/h per consentire sia un’accelerazione brutale che grandi prestazioni ad alta velocità (una coppia boost di 355 Nm e un picco di potenza di 165 kW sull’assale posteriore). La soluzione è assai complessa se paragonata ad un semplice riduttore ed è costosa a produrre, relativamente pesante e pertanto è molto improbabile che un tale sistema finisca in un’auto di entry level cioè economica.

    I pro del motore sincrono a magneti permanenti

    • Efficienza molto elevata
    • Esigenze di raffreddamento inferiori
    • Alta densità di potenza

    I contro del motore sincrono a magneti permanenti

    • Costo di produzione
    • Necessità di materiali speciali come le “terre rare”
    • Pericolo teorico di smagnetizzazione

    Conclusione sul motore sincrono a magneti permanenti

    Relativamente semplice da produrre, controllare e gode di un’ottima efficienza a bassi regimi ed è quindi ideale per la guida urbana, che generalmente prevede arresti e partenze regolari a bassa velocità ma presenta due principali difetti: l’uso di terre rare e di prestazioni alquanto degradate ad alta velocità.

    Le famose “terre rare”

    In realtà nel mondo minerario si utilizza il termine “terra” per descrivere un minerale ricco di un determinato metallo. I materiali REE (Rare Earth Elements), sono essenzialmente: disprosio (Dy), neodimio (Nd), samario(Sm) e la loro disponibilità non è equamente distribuita sul nostro Pianeta, infatti sono più abbondanti sul territorio cinese, 37% delle risorse mondiali e sono più facilmente accessibili che nel resto del Mondo.

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    Le terre rare 17 metalli presenti nella tavola periodica degli elementi chimici con colori che variano dal grigio allargento | elettronauti It

    La Cina sfrutta il 60% della produzione mondiale di terre rare, 85% della raffinazione, pertanto anche il loro prezzo è assai elevato. La Cina è sia il più grande fornitore di terre rare sia il più grande produttore di motori per la mobilità elettrica e detiene il 92% della produzione di magneti permanenti. Le case automobilistiche cinesi hanno quindi logicamente scelto di non investire nel motore a induzione e di privilegiare tutte le tecnologie a magneti permanenti ecco perché le diverse realtà europee e americane si stanno impegnando molto per trovare soluzioni alternative.

    Che cosa hanno in comune i motori sincroni e asincroni?

    Entrambi funzionano in modo reversibile, il che significa che possono convertire l’energia meccanica in energia elettrica durante le fasi di decelerazione, questo principio è quello della frenata rigenerativa che deriva dall’alternatore. I motori sono indissociabili dalla trasmissione elettrica, una combinazione di elementi che ne garantiscono un funzionamento regolare.

    Gli elementi che compongono il powertrain

    • L’inverter trifase che regola l’energia elettrica del motore per controllare la coppia e la velocità di questo.
    • Il convertitore DC/DC che trasforma la tensione della corrente continua della batteria in 14V per la rete di bordo del veicolo.
    • Il caricatore di bordo in AC per ricaricare il pacco batteria di trazione e la batteria ausiliaria a 12V.
    • Il riduttore che adatta la velocità di rotazione trasmessa dal motore elettrico alle ruote.
    Quali sono i motori delle auto elettriche e come funzionano? | elettronauti. It
    E powertrain nissan leaf inverter motore elettrico ad alta potenza riduttore modulo di erogazione di potenza pdm | elettronauti It

    Il risultato di tutte queste scelte tecnologiche da parte dei produttori è proporvi un’auto elettrica efficiente e divertente da guidare.

    Ma qual è il più grande svantaggio del motore ICE?

    La conversione del moto alternativo in rotazione è da qui che deriva la maggior parte della sua complessità, peso, vibrazioni, attrito e perdite di efficienza. Per azionare le ruote non abbiamo bisogno del moto alternativo ma bensì della rotazione e per convertire questo “violento” movimento su e giù dei pistoni in una rotazione regolare, l’arduo compito aspetta alle bielle, all’albero motore e al volano.

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    Il motore ice deve convertire il moto alternativo in rotazione | elettronauti It

    Il più grande vantaggio del motore elettrico

    Rispetto ai motori tradizionali, il motore elettrico non deve convertire nulla in rotazione, dal momento che per sua natura il nucleo sta già ruotando, ecco perché rispetto al motore a combustione interna, il motore elettrico è sostanzialmente esente da vibrazioni, molto più leggero, più compatto.

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    Il motore elettrico non produce vibrazioni è più leggero e meno voluminoso di un motore ice | elettronauti It

    L’unico motore a combustione interna che può paragonarsi al motore elettrico quando si tratta di assenza di vibrazioni e silenziosità di funzionamento, leggerezza e compattezza è il motore rotativo Wankel anch’esso ha la rotazione nel suo nucleo ma sfortunatamente ha anche alcuni grossi svantaggi in termini di efficienza ed emissioni e durante l’arco della sua evoluzione non ha mai avuto un grande successo.

    Per oggi è tutto e nel prossimo articolo attinente ai motori elettrici scopriremo altre evoluzioni e benché il motore asincrono ha perso il monopolio della mobilità elettrica non ha ancora detto la sua ultima parola, pertanto continuate a seguirci per nuove rivelazioni.


    Se avete delle curiosità o delle proposte interessanti su questo argomento non esitate a condividerle con noi.

     


    Alan Murarotto
    Alan Murarotto
    tecnico meccatronico, formatore automotive, professionista della mobilità. Aiuto i lettori a districarsi nel labirinto delle dinamiche che governano la transizione energetica, dalla burocrazia agli aspetti legati alla guida di veicoli elettrici e non solo, con accenni tecnici per una visione a 360°.

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