Motorsport
Automotive alternativo
Motori elettrici
Forse non tutti sanno che la voce "motori elettrici" in realtà non è corretta, si dovrebbe infatti dire "macchine elettriche" e, nel caso dei sistemi per la trazione, più precisamente "macchine elettriche rotanti". Tuttavia per questione di semplicità verso i lettori che potrebbero fraintendere le "macchine elettriche" con le automobili elettriche, useremo la dicitura errata (sbaglieremo sapendo di sbagliare).
Veicoli elettrici (EV)
Trattasi di una soluzione che fino a poco tempo fa* era estremamente costosa e, nel bilancio, poco vantaggiosa anche se molto interessante. Ora invece le cose iniziano a cambiare grazie ai meccanismi indotti dalle economie di scala. Si possono inoltre vantare interessanti risultati ottenuti grazie all'utilizzo di batterie agli ioni di litio di ultima generazione dotate di energia specifica e potenza specifica considerevoli rispetto al passato. Personalmente ho avuto modo di provare diversi veicoli elettrici già a partire da quando frequentavo l'istituto tecnico industriale che per primo me ne diede la possibilità. Tra questi il veicolo che più mi ha sorpreso l'ho provato solo qualche tempo fa, si tratta della Tesla Roadster di cui ho apprezzato l'autonomia considerevole per un'EV che arriva a quasi 400 km (oltre 480km nel caso della Model S) e le prestazioni degne di una supercar odierna. I motori elettrici sono macchine (elettriche) che trasformano l'energia elettrica assorbita dagli avvolgimenti in energia meccanica resa disponibile attraverso un asse meccanico rotante. In base alle esigenze i motori elettrici vengono realizzati secondo varie forme costruttive e funzionali. Un motore elettrico rappresenta l'ultimo elemento della catena di conversione dell'energia disponibile, ad esempio nel sistema di accumulo a bordo di un veicolo elettrico sotto forma elettrochimica, in energia meccanica. La trasformazione di energia operata da una qualsiasi macchina ovviamente non è mai totale a causa delle perdite che si verificano in forma più o meno incisiva a seconda di numerosi fattori. Le perdite che si manifestano nelle macchine elettriche sono dovute a isteresi magnetica, correnti parassite, effetto Joule, resistenza d'attrito tra parti meccaniche in moto relativo e resistenza dell'aria opposta alla rotazione del rotore. La valutazione quantitativa delle perdite si effettua attraverso il rendimento il quale è definito come il rapporto tra la potenza resa e quella ricevuta dalla macchina. Una qualità di rilievo delle macchine elettriche è quella di avere rendimenti molto elevati (oltre il 98% nei motori a corrente alternata, 99,5% nei trasformatori e nei convertitori statici) al contrario delle macchine termiche (valori inferiori al 40% nei motori a combustione interna fortemente ottimizzati). Le perdite di energia si manifestano sotto forma di riscaldamento di tutti gli elementi costituenti la macchina, questo comporta la progettazione di un sistema di smaltimento del calore (raffreddamento) che implica, a sua volta, ulteriori perdite. Nella figura in alto la Tesla Roadster realizzata da Tesla Motors in collaborazione con Lotus Cars rappresenta un
progetto coraggioso che ho avuto modo di provare con mio immenso piacere.
*I fenomeni legati all'economia di scala di questo prodotto sembrano infatti essersi avviati.
Leggi gli articoli, inerenti le auto elettriche, presenti sul nostro blog.
Macchine elettriche alimentate in corrente continua (DC)
Trattasi di una soluzione che, sebbene sia di gran valore storico nel settore EV, oggi è considerata obsoleta. Si tratta di una tipologia di motore elettrico che, in particolar modo nella versione ad eccitazione serie, offre un ampio campo coppia-velocità ed una facilità di regolazione non indifferente. Oggi che però l'elettronica permette di realizzare sistemi di controllo e regolazione avanzati, tali particolarità sono passate in secondo piano e ciò che più risalta sono le caratteristiche negative per le applicazioni automotive quali ad esempio la presenza del collettore, lo sviluppo del calore principalmente nel rotore, la complessità della struttura, ed il costo. Attualmente questa tecnologia è adottata su veicoli puramente elettrici con prestazioni limitate quali ad esempio: eBike, piccoli veicoli elettrici per bambini, veicoli per aeroporti, golf car, carrelli elevatori, ecc. Il motore in corrente continua (DC) è dotato di commutatore meccanico: collettore e spazzole.
Macchine elettriche a campo avvolto
Ad eccitazione serie
Tali macchine elettriche sono caratterizzate da un'elevata coppia allo spunto e vengono regolate agendo sulla loro tensione di alimentazione per via elettromeccanica, ossia mediante sistemi ad inserzione/disinserzione di resistori, oppure tramite convertitori di potenza DC/DC (Chopper) ad 1, 2 o 4 quadranti. Quando non vi erano i sofisticati controlli elettronici moderni il motore elettrico ad eccitazione serie era la soluzione più diffusa per i veicoli elettrici. Nonostante ciò non era privo di difetti che si traducevano in volume e peso elevati, scarsa efficienza in particolar modo alle basse velocità, inadeguatezza per la frenatura rigenerativa (fattore oltremodo fondamentale per incrementare l'autonomia), costi di esercizio più alti delle altre soluzioni a causa della presenza di spazzole e commutatori (imputati anche di accrescere le perdite del sistema) e ridotta velocità massima che, nel caso degli autoveicoli, costringe all'installazione di un cambio con l'ulteriore complessità di progetto e le perdite che ne derivano. Quest'ultimo punto è diretta conseguenza dell'assenza di indebolimento di campo (deflussaggio) che invece caratterizza i motori elettrici ad eccitazione separata.
Ad eccitazione separata
Si tratta di una tipologia di motore che apporta alcuni miglioramenti prestazionali rispetto alla precedente soluzione ad eccitazione serie pur mantenendone i vantaggi. Grazie al controllo del campo di deflussaggio è infatti possibile raggiungere una velocità doppia (rpm) rispetto alla velocità di base. Vi è infatti la possibilità di una doppia regolazione agendo sulla tensione di armatura (per mantenere l'eccitazione, e di conseguenza il flusso, costanti sino alla velocità nominale del motore) e agendo sull'alimentazione dell'avvolgimento statorico di eccitazione (per superare la velocità nominale operando un indebolimento di campo mentre la tensione di armatura viene mantenuta costante). Nonostante la doppia possibilità di regolazione e la velocità più elevata raggiungibile, anche questi motori elettrici possono essere dotati di cambio meccanico dato che la velocità massima è comunque limitata dalla presenza del sistema di commutazione elettromeccanico. Si può pertanto affermare che gli svantaggi che caratterizzano i motori elettrici in corrente continua ad eccitazione separata sono sostanzialmente i medesimi dei motori elettrici in corrente continua ad eccitazione serie.
Macchine elettriche a magneti permanenti
Queste macchine elettriche differiscono dalle precedenti per il fatto che il flusso principale è ottenuto disponendo opportunamente dei magneti permanenti sullo statore al posto degli avvolgimenti di eccitazione. Ne segue una macchina più compatta, semplice ed efficiente dato che non presenta perdite sullo statore. Inoltre una macchina elettrica a magneti permanenti non richiede l'alimentazione dello statore. D'altra parte però non vi è modo di regolare il flusso se non con un convertitore elettronico di tipo DC/DC, posto tra sorgente e macchina elettrica, in grado di effettuare il deflussaggio. Anche in questo caso si può ricorrere all'adozione di un cambio meccanico per garantire costantemente le prestazioni desiderate. In ultima analisi questa soluzione accusa problemi di basso rendimento quando il carico viene parzializzato alle alte velocità.
Macchine elettriche alimentate in corrente alternata (AC)
Caratterizzate dall'assenza del collettore e dalla necessità di un'alimentazione dello statore con correnti alternate, le macchine alimentate in corrente alternata si contrappongono a quelle in corrente continua. Tali macchine hanno bisogno di un generatore di tensione-corrente alternata a frequenza variabile denominato "inverter" (in passato non disponibile, ragione per cui i motori alimentati in corrente alternata tempo addietro non si sono affermati nel settore dei trasporti come invece accade oggi). Tra i vantaggi della soluzione in corrente alternata troviamo la maggiore affidabilità indotta dall'assenza del collettore e quindi la possibilità di raggiungere velocità di rotazione più elevate con conseguente riduzione, a parità di potenza, della coppia richiesta. E' importante notare come da ciò derivi una macchina elettrica dal volume e peso ridotti rispetto ad una in corrente continua.
Macchine elettriche asincrone (o ad induzione)
Robusto, efficiente, affidabile, compatto, leggero, semplice ed economico il motore asincrono (o ad induzione) si fa apprezzare per la potenza e la coppia specifica più elevate rispetto ai motori in corrente continua. Come già introdotto precedentemente ciò è possibile grazie all'assenza del collettore ed alla possibilità di raggiungere una più elevata velocità di rotazione (nell'ordine dei 15-20.000 giri al minuto contro i 6-7.000 giri/min del motore in corrente continua). Alle alte velocità si presenta però in maniera incisiva il problema delle perdite del rotore che, diventando sempre più consistenti, obbligano l'adozione di un sistema di raffreddamento. Un motore asincrono generalmente è trifase, non necessita di spazzole né di tutti i commutatori elettromeccanici (collettore a lamelle compreso) e non richiede manutenzione. Esso funziona grazie all'interazione tra un campo magnetico rotante (forza elettromotrice pseudosinusoidale) statorico ed un campo di correnti indotte nel rotore.
Macchine elettriche sincrone
A magneti permanenti (macchine isotrope)
Le macchine elettriche a magneti permanenti sono anche dette PMSM ovvero Permanent Magnet Synchronous Motors. Come si vedrà pochi paragrafi più avanti, queste macchine elettriche hanno dei punti in comune con quelle sincrone a rotore avvolto nonostante vengano impiegate per scopi differenti.
Durante il funzionamento l'inverter è chiamato a generare un campo rotante di statore con forme d'onda statoriche di frequenza che possa garantire sincronismo del campo statorico con quello rotorico. Questa soluzione permette di ottenere coppia specifica ed efficienza massima decisamente elevate (quest'ultima anche con valori prossimi al 95%). D'altra parte però in questa soluzione non scompaiono i problemi già noti per i motori a magneti permanenti in corrente continua. Problemi quali la deflussabilità, in quanto si genera a livello statorico un controcampo magnetico di compensazione, e di rendimento limitato durante il funzionamento a carico parzializzato alle alte velocità.
Le macchine elettriche sincrone a magneti permanenti possono essere suddivise in due categorie, le Sourfaced mounted (che si suddividono a loro volta in DC Brushless e Brushless sinusoidale AC o Brushless sincroni) e le Internal mounted.
Sourfaced mounted
I magneti sono montati sulla superficie esterna del rotore. Questa tipologia di motori si suddivide a sua volta in DC Brushless e Brushless sinusoidali AC, tale distinzione è generata da differenti aspetti costruttivi e dal tipo di controllo-alimentazione.
DC Brushless
Macchine elettriche tipicamente trifase.
Sfruttano correnti statoriche rettangolari e fem indotte trapezie.
Ciò permette un controllo per sesti dei 360° elettrici come i motori a MP in corrente continua.
Il controllo è ottenuto mediante semplici sensori di posizione, opportuna realizzazione delle parti attive di macchina e un controllo a 2 o 3 fasi on.
Coppia specifica ai vertici quando i magneti sono in terre rare.
Funzionamento affetto da pulsazione di coppia (ripple) causata da forti variazioni di corrente durante la commutazione dei dispositivi di potenza dell'inverter.
Si tratta di macchine elettriche poco adatte all'uso per trazione.
Brushless sinusoidale AC
Macchine elettriche tipicamente trifase.
Sfruttano correnti statoriche sinusoidali anziché rettangolari.
L'effetto delle correnti statoriche sinusoidali è una coppia più morbida.
Minore ripple rispetto ai DC Brushless.
Minori perdite rispetto ai DC Brushless.
Il controllo è ottenuto mediante un preciso senrore di posizione (es. un resolver a riluttanza).
In alternativa il controllo può essere effettuato tramite un dispositivo sensorless.
Internal mounted (macchine anisotrope)
I magneti sono montati all'interno della struttura del rotore. Si tratta di una costruzione più robusta, rispetto alle precedenti Sourfaced mounted, in quanto la sua peculiarità costruttiva vede logicamente i magneti permanenti protetti, dotati quindi di tenuta alla forza centrifuga e in grado di garantire una deflussabilità più agevolata. A causa dell'arretramento dei magneti, però, soffrono di una minore coppia specifica di tipo isotropo. Tale effetto può essere parzialmente compensato combinando, con un opportuno controllo, la componente di coppia di anisotropia derivante dalla struttura magneticamente dissimmetrica.
A rotore avvolto
Sono molto simili alle macchine elettriche a magneti permanenti, anche il modello matematico che le caratterizza è molto simile tra le due tipologie, tuttavia in questo tipo di macchine elettriche l'eccitazione è fornita da avvolgimenti rotorici di campo anziché da magneti permanenti montati sul rotore. Ciononostante la forza elettromotrice indotta negli avvolgimenti statorici da un rotore con magneti permanenti o con spire d'eccitazione percorse da corrente continua non differisce, ragione per cui i due modelli matematici sono molto simili. Si tratta in definitiva delle più comuni macchine elettriche per la funzione di generazione dell'energia, non sono adatte per le funzioni di trazione e, solitamente, sui veicoli vengono adottate in qualità di alternatori.
A riluttanza
Descrizione in preparazione
A riluttanza variabile senza e con magneti di rifasamento
Descrizione in preparazione
A riluttanza commutata (switched reluctance)
Descrizione in preparazione
Link correlati
Potrebbe interessarti visitare le pagine: Engine Design | Automotive alternativo
 |
|
|
|