| Premessa | A cosa serve il motore | L’idea | Il motore elettrico |
| Motore elettrico come funziona | Quanti tipi di motori ci sono | Motore sincrono |
| Motore asincrono | Vantaggi dei motori elettrici | Conclusione | Approfondimenti |
Premessa
Il 14 Luglio 2021 la Commissione Europea ha posto fine alla vendita di auto a benzina e diesel dal 2035 a favore delle auto elettriche.
Molte cose cambieranno. Sicuramente cambierà il mercato dell’auto, molte aziende di componentistiche chiuderanno o si dovranno convertire. Le officine meccaniche, gli elettrauti subiranno profondi contraccolpi. Le auto invendute. Il mercato delle auto usate. Il trasporto pesante, le macchine agricole. Forse si perderanno posti di lavori. Molti distributori di benzina chiuderanno. Altri dovranno installare colonnine di ricarica per le auto elettriche, anche se è ancora irrisolto dove prenderanno l’energia. Temo che nel breve periodo non si troveranno pezzi di ricambio per le auto a combustione interna. Ma la decisione è presa. Allora tanto vale conoscere meglio questo motore elettrico.
A cosa serve il motore.
Detto molto terra terra, lo scopo dei motori a scoppio (detti anche motori a combustione) come i motori elettrici è quello di imprimere un movimento rotatorio alle ruote.
Nei motori a scoppio questo avviene facendo ruotare l’albero motore al quale sono collegate le ruote dell’automobile attraverso il movimento coordinato di organi (bielle) collegati alle camere di combustione tramite dei pistoni fatti andare su e giù spinti dalla combustioni di prodotti di origine fossile (benzine, metano, petrolio).
I motori elettrici funzionano fruttando l’energia elettrica che generano campi magnetici.
In altre parole, come l’esplosione della miscela aria-carburante all’interno dei cilindri mette in movimento – rettilineo alternato – i pistoni, così i campi magnetici generati tra due componenti, statore e rotore, producono un movimento – rotativo – direttamente sull’albero motore.
Le auto elettriche hanno una struttura decisamente più semplice rispetto ad un motore a combustione interna, benzina o Diesel, ma concettualmente più difficile da capire. Il motore elettrico ha la caratteristica di essere così compatto da poter essere inserito in un borsone sportivo ed è durissimo a morire.
A differenza di un motore a combustione interna, composto da decine di componenti diversi, quello di un’auto elettrica ha essenzialmente tre parti: lo statore, che è fisso; il rotore, che invece è mobile; e l’involucro esterno. Insieme al motore, nelle auto elettriche sono parimenti importanti anche la trasmissione (che è quasi sempre monomarcia), le batterie (contengono l’energia per fare funzionare il motore), l’inverter per trasformare la corrente continua delle batterie in quella alternata necessaria per azionare il motore e il riduttore.
L’idea
L’idea è quella di sfruttare le proprietà del magnetismo.
Ad una calamita, magnete, viene associato un polo nord, un polo sud ed una campo magnetico le cui linee di forza, convenzionalmente, partono dal polo nord per confluire nel polo sud.
Ora se avvicinate un altro magnete la nostra calamita verrà attratta o respinta a seconda il verso con cui vi avvicinate. Quante volte lo avete fatto anche voi?
Cosa è successo? I campi magnetici delle calamite interferisco provocando il “movimento” della nostra calamita.
Si potrebbe così pensare di realizzare una grossa calamita ad un polo magnetico o più poli magnetici (p) che ruotando costantemente attorno a se stessa potremmo poi “attaccarci” in qualche modo un organo che fa ruotare le ruote.
La nostra calamita fissa potremmo chiamarla per esempio “statore” mentre la calamita mobile “rotore”.
Il principio fisico da sfruttare è la induzione elettro magnetica. Un campo magnetico variabile genera una corrente in un solenoide (bobina di forma cilindrica formata da una serie di spire circolari molto vicine fra loro). Una corrente alternata genera un campo magnetico nel solenoide.
Ed ecco l’idea. Se facciamo percorrere una corrente alternata nei fili che avvolgono un conduttore circolare e al suo interno inseriamo un magnete permanente, i due campi magnetici interferiscono tra loro. Ebbene si può fare in modo che il campo magnetico del conduttore esterno agendo sul campo magnetico del magnete interno lo faccia girare. Tutto qui, semplice no?
Il motore elettrico.
Per definizione un motore elettrico è una particolare macchina elettrica rotante che trasforma l’energia elettrica in ingresso, applicata ai morsetti di alimentazione, in energia meccanica in uscita resa disponibile sull’asse del motore.
Il motore elettrico di un’auto sfrutta l’energia elettrica accumulata dalla batteria e la trasforma in energia meccanica in modo da muovere il veicolo.
I motori elettrici sono costruiti per funzionare in corrente continua (DC) o in corrente alternata (AC): in realtà un motore costruito per corrente continua potrebbe funzionare anche con l’alternata, come possono fare i cosiddetti “motori elettrici universali“.
Un motore elettrico è composto essenzialmente da due parti: lo statore ed il rotore che generano due campi magnetici la cui interazione produce la coppia motrice. Per generare i campi magnetici, rotore e statore sono entrambi alimentati dalla corrente.
COS’È LO STATORE?
Lo statore è la parte fissa del motore elettrico di un’auto: composto da un conduttore (avvolto da fili di rame), genera campi magnetici variabili opposti a quelli generati dal rotore.
COS’È IL ROTORE?
Il rotore è la parte mobile del motore elettrico di un’auto. E’ dotato di magneti permanenti o anch’esso di un conduttore avvolto in fili di rame. La coppia, nata dall’interazione tra i due campi magnetici di statore e rotore, viene trasmessa dal rotore alle ruote motrici attraverso magneti.
INVERTER.
I motori (a corrente alternata o continua) per funzionare utilizzano l’inverter necessario per la generazione della corrente trifase. Converte i 12V in corrente continua della batteria in 230V in corrente alternata per far funzionare dispositivi a 230V. In pratica deve trasformare una corrente continua in una onda sinusoidale.
All’inverter arriva, oltre alla corrente DC continua dalla batteria dell’auto, il segnale dal pedale dell’acceleratore e la posizione del rotore rispetto allo statore in base al quale determina l’orientamento da dare al campo magnetico. Con questi parametri l’inverter regola frequenza e intensità della corrente da inviare allo statore.
RIDUTTORE
E’ il gruppo di ingranaggi che collega il motore alle ruote motrici.
Motore elettrico: come funziona
Il funzionamento si basa sul principio di attrazione e repulsione magnetica tra rotore e statore.
Lo statore è costituito da un conduttore avvolto da bobine di filo di rame e il rotore gira al suo interno.
Quando la corrente elettrica “trifase” attraversa le bobine dello statore, in esso si crea un campo magnetico rotante che fa girare il rotore, il quale a sua volta genera un altro campo magnetico. Il movimento di rotazione si basa sul principio fisico dell’induzione elettromagnetica “invertendo” il campo magnetico dello statore quando i magneti si allineano. Infatti quando il rotore inizia a girare il suo campo magnetico tende ad allinearsi a quello dello statore.
Quanti tipi di motori elettrici ci sono.
Le macchine elettriche vengono tradizionalmente divise in due grandi gruppi:
macchine statiche e macchine rotanti .Le prime sono i trasformatori, le seconde sono i motori elettrici.
Esistono tre tipi di motori elettrici: sincrono e asincrono e macchine a corrente continua. Il motore sincrono senza spazzole (brushless) opera in regime sinusoidale e con velocità di rotazione costante. E’ costituito da uno statore a corrente alternata e un rotore a magneti permanenti. Il motore asincrono funziona sempre in regime sinusoidale con una velocità di rotazione dipendente dal campo magnetico interno alla macchina e variabile con il carico. Nei motori asincroni il rotore utilizza la corrente elettrica per generare il proprio campo magnetico e, di conseguenza, il rotore è in ritardo rispetto al campo magnetico dello statore. Il motore a corrente continua, che opera in regime stazionario, poiché l’energia viene fornita o prodotta in corrente continua (non ci occuperemo di questo motore).
Motore sincrono
Il motore sincrono può funzionare a corrente continua o alternata. E’ il motore più utilizzato nelle automobili.
È costituito da un rotore (parte rotante solidale all’albero) su cui sono presenti diversi poli magnetici di polarità alterna creati da magneti permanenti o elettromagneti alimentati in corrente continua, e da uno statore su cui sono presenti gli avvolgimenti del circuito di alimentazione. Le espansioni polari dello statore creano un campo magnetico rotante che trascina le espansioni polari del rotore generando una coppia motore.
La velocità di rotazione dell’asse è rigidamente vincolata alla frequenza della tensione, ovvero la frequenza di rotazione è in relazione con la frequenza di alimentazione in funzione del numero di terne di espansioni polari presenti nel motore.
La velocità di rotazione del motore sincrono è legata alla frequenza della corrente con questa formula:
dove: fr = è la frequenza del motore, fv = è la frequenza della rete (50 Hz), p = numero di espansioni polari-
Motori con più espansioni polari per fase hanno velocità più basse ma sviluppano più coppia meccanica.
Sulla maggior parte delle auto elettriche vengono utilizzati motori elettrici “sincroni” a magnete permanente perché devono lavorare con carichi variabili a diverse velocità e consumano meno corrente.
Ecco sotto un altro spaccato di un motore per auto elettrica sincrono a magneti permanenti
Motore asincrono
Il motore asincrono è un tipo di motore elettrico in corrente alternata in cui la frequenza di rotazione non è uguale o un sottomultiplo della frequenza di rete, ovvero non è “sincrono” con essa; per questo si distingue dai motori sincroni. E’ il motore usato dalla Tesla Motors.
Sono costituiti da uno statore su cui sono avvolti i solenoidi che costituiscono le espansioni polari. In un motore trifase le espansioni sono in numero multiplo di tre. All’interno dello statore si trova un rotore solidale all’albero costituito da un pacco di lamierini magnetici al silicio in cui è incluso (in genere in alluminio pressofuso ) un circuito detto a gabbia di scoiattolo, poiché è costituito da una serie di barre disposte a formare un cilindro tra due anelli. Lo scopo è quello di sopportare l’avvio continuo e ripetitivo di carichi elevati, È anche detto motore con rotore in cortocircuito. Quando lo statore genera un campo magnetico rotante, nella gabbia si inducono forze elettromotrici elettriche (per la legge di Faraday-Neumann-Lenz,) e tali forze elettromotrici generano correnti che contrastano le correnti di spunto generate dalle correnti dello statore. Nei motori asincroni infatti, durante l’avviamento, circolano nel motore correnti notevoli sia perché la resistenza dell’avvolgimento è molto bassa, sia perché in tale istante la tensione indotta nel rotore è massima. La mutua interazione attraverso i relativi campi magnetici tra le correnti di rotore e quelle di statore produce una coppia risultante netta.
Il legame tra velocità di sincronismo ns, frequenza f di alimentazione e il numero p di poli (oppure pc di coppie polari per fase) è espresso dalla relazione:
E’ facile osservare che in un campo con una coppia bipolare (pc = 1) con una frequenza di 50 Hz la ‘velocità’ del campo sarà di 50 giri al secondo o 3000 giri al minuto.
La velocità reale è sempre minore di circa il 3-6%, è il fenomeno dello scorrimento.
dove:
s è detto scorrimento, a significare che il rotore scorre, cioè perde giri rispetto allo statore;
ns è la velocità in numero di giri al minuto del campo magnetico di statore;
nr è la velocità del rotore.
nr = n (1-s)
Vantaggi dei motori elettrici
I vantaggi dei motori elettrici sono una maggiore resistenza meccanica, assenza di scintille e zero manutenzione periodica. Questo è dovuto essenzialmente all’assenza delle spazzole, punto debole di un motore elettrico perché generano scintille, si usurano e producono “rumore magnetico” che può provocare interferenze anche nelle comunicazioni radio.
Uno dei molti vantaggi che le auto elettriche hanno rispetto alle altre è di poter fare a meno del cambio di velocità. Questo accade per ché i motori elettrici offrono la massima coppia già allo spunto e possono raggiungere regimi sufficientemente elevati da garantire con un solo rapporto un arco di velocità sufficiente.
Tuttavia, salendo di giri, l’efficienza del motore diventa un po’ meno regolare e soprattutto, il consumo aumenta in modo esponenziale, rischiando di compromettere la già delicata autonomia e per questo, la velocità viene spesso limitata anche elettronicamente a valori modesti.
Per ottenere entrambi i benefici tornerebbe necessario poter disporre di un cambio con almeno due rapporti differenti, di cui uno surmoltiplicato che consenta di aumentare la velocità sfruttando i regimi medio-bassi del motore.
Conclusione
Alla fine il power train di un veicolo elettrico si può riassumere con uno schema molto semplice.
La batteria alimenta l’inverter trifase, che converte l’energia da corrente continua a corrente alternata trifase che alimenta il motore elettrico che poi, con l’interposizione di un riduttore meccanico, porta la potenza meccanica alle ruote motrici.
A cosa serve il riduttore? A cambiare contemporaneamente la velocità dell’albero e la sua coppia, in modo che la potenza resti costante.
Approfondimenti
Inverter
Il tipo più semplice di inverter consiste in un oscillatore che pilota un transistor, il quale genera un’onda quadra aprendo e chiudendo un circuito. L’onda è quindi applicata a un trasformatore che fornisce all’uscita la tensione richiesta arrotondando in qualche misura l’onda quadra.
La forma d’onda quadra generata da questi dispositivi ha il problema di essere ricca di armoniche superiori, mentre l’onda sinusoidale della rete elettrica ne è priva. Ciò comporta una minore efficienza delle apparecchiature alimentate, maggiore rumorosità sia sonora sia elettrica, e seri problemi di compatibilità elettromagnetica.
Inverter più complessi utilizzano diversi approcci per produrre in uscita una forma d’onda quanto più possibile sinusoidale. Un circuito elettronico produce una tensione a gradini. Il segnale viene livellato da condensatori e induttori posti all’ingresso e all’uscita del trasformatore per sopprimere le armoniche.
Nei motori asincroni, e a maggiore ragione nei motori sincroni, la velocità di rotazione è direttamente legata alla frequenza della tensione di alimentazione. Ovunque sia necessario nell’industria variare la velocità di un motore vengono usati inverter da corrente alternata a corrente alternata (CA-CA). Lo scopo di questa doppia operazione è unicamente quello di variare la frequenza a piacere entro un intervallo prestabilito e non è necessaria la presenza di un trasformatore, poiché non è necessario variare il valore della tensione in uscita che rimane uguale a quella in ingresso.
Riduttore
E’ il gruppo di ingranaggi che collega il motore alle ruote motrici.
La quasi totalità delle auto elettriche in circolazione sono prive di cambio. Il motore elettrico ha un’erogazione della coppia tale per cui non richiede l’uso di un tradizionale cambio di velocità. Tuttavia, per poter rendere questa coppia utilizzabile alle ruote occorre applicare un riduttore di giri.
Fatte le opportune considerazioni, un cambio a due marce è in grado non solo di dare maggiore accelerazione e a parità di giri motore una maggiore velocità di crociera, ma anche una sensibile diminuzione del consumo di energia alla velocità di crociera.
Quello che interessa ai fini dell’accelerazione, quello che interessa è la coppia applicata alle ruote. La coppia può essere cambiata con il riduttore.
Il valore del rapporto di trasmissione deve essere il giusto compromesso tra l’accelerazione che si vuole ottenere e la velocità massima raggiungibile in condizioni di massimo assorbimento di energia.
Siccome la potenza è il prodotto di coppia (T) per velocità angolare (Ω) il riduttore realizza la formula:
P1 = P2
T1Ω1 =T2Ω2
T2/T1 = Ω1/Ω2
Immaginiamo per esempio di avere un rapporto di riduzione pari a 10. Questo vuol dire che la velocità di uscita è un decimo di quella di ingresso, e che la coppia di ingresso è un decimo di quella di uscita.
T2/T1 = Ω1/Ω2 = 10
Se abbiamo all’ingresso T1= 100 Nm e Ω1 = 2000 rpm (revolutions-per-minutes) si avrà in uscita:
T2 = 10 T1 = 10 x 100 = 1000 Nm (coppia in uscita)
Ω2 = Q1 /10 = 200 rpm (velocità di rotazione in uscita)
La coppia alle ruote, quindi, dipende infatti dal rapporto di riduzione, La velocità base delle autovetture è un parametro di progetto, e sarebbe interessante conoscerla, anche se non viene comunicata.
Nella figura è riportato un raffronto con un veicolo convenzionale che ha il cambio a 4 marce. Le curve nere danno la massima forza di trazione (ma, se vogliamo la coppia alle ruote) al variare della velocità del veicolo, per ognuna delle 4 marce.
La curva rossa, che ripercorre l’ “inviluppo” delle curve nere è invece l’unica curva che si ha con un veicolo elettrico privo di cambio.
Cenni sul campo magnetico rotante
È il campo prodotto da una terna simmetrica ed equilibrata di sequenza diretta di correnti alternate, ovvero di ugual ampiezza, uguale pulsazione e sfasate di 120° elettrici l’una rispetto alle altre in senso antiorario, circolanti in tre bobine con asse magnetico sfasato di 120°.
E’ importante notare che le correnti danno luogo a tre campi magnetici alternativi, la cui intensità varia sinusoidalmente nel tempo secondo l’andamento delle correnti che li generano. La somma istante per istante dei tre vettori dà luogo ad un vettore risultante che ruota con velocità angolare costante mantenendo costante anche l’ampiezza. Il campo risultante, nell’istante i cui si ha la corrente massima in una delle fasi è diretto secondo l’asse polare di quella fase. Questo fa sì che il flusso prodotto dal campo risultante possa a sua volta essere rappresentato da un vettore rotante nei diagrammi vettoriali, riferiti ad una sola fase della macchina elettrica. Se le correnti di fase sono uguali, cioè se il sistema è equilibrato, il campo ha modulo costante nel tempo.
Nei motori elettrici è fondamentale che le tre fasi siano sinusoidali per non avere armoniche che livellano l’onda quadra generata dall’inverter.
Se B è il campo magnetico e BM la sua ampiezza abbiamo:
Sommando le tre fasi si ottiene:
che è il campo magnetico rotante di prima armonica.
La velocità di rotazione del campo dipende dalla frequenza f del sistema di correnti trifase. La frequenza di rotazione di un campo bipolare (p=1) è uguale alla frequenza delle correnti che lo generano: se la frequenza delle correnti è di 50 Hz la ‘velocità’ del campo sarà di 50 giri al secondo o 3000 giri al minuto, come si ricava anche dalle formule precedenti.
n = 60f/p =60 x 50/1 = 3000 rpm
Se ‘invertiamo due fasi’ , il che significa ad esempio mandare nella fase 2 la corrente I3 e nella fase 3 la corrente I2 , si inverte il senso di rotazione del campo.
Cenni sull’onda quadra.
La funzione dell’inverter è trasformare una corrente continua in una onda sinusoidale.
Quella che vedete è la equazione per generare un onda quadra composta da armoniche (onde) di ordine dispari con ampiezza inversamente proporzionale alla frequenza e fase nulla.
Le armoniche di ordine 3, 5, 7, ecc… con ampiezze sempre meno significative, sommandosi a quella fondamentale, modellano e aggiustano le armoniche precedenti con il risultato di approssimarsi complessivamente all’onda quadra.
Si può raggiungere tale risultato anche sommando un numero finito e ridotto di armoniche poichè le armoniche di ordine n, all’aumentare di n, contano sempre meno.
La prima armonica è una onda sinusoidale. La somma delle armoniche superiori producono l’effetto di distorcerla fino a renderla quadra.
Dalla figura è evidente che l’inverter deve produrre minori distorsioni sulla corrente alternata eliminando le armoniche superiori alla terza.
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Bruce 
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