Motori elettrici e unità di trazione

Il motore di trazione di un veicolo elettrico fa parte di un sistema strettamente integrato nel quale batteria, inverter, motore, circuito di raffreddamento, riduttore, differenziale, pneumatici e software di controllo determinano insieme l’efficienza con cui l’energia elettrica viene trasformata in movimento.

Questo articolo principale distingue tre questioni spesso confuse: come le diverse famiglie di motori generano coppia, come viene costruita e controllata un’unità di trazione e come il veicolo completo utilizza e misura questo hardware.

Il percorso dell’energia dalla batteria alla strada

La batteria ad alta tensione fornisce corrente continua. Un Traction inverters di trazione commuta questa CC trasformandola in corrente multifase controllata — normalmente CA trifase — la cui ampiezza, frequenza e fase determinano la coppia e la velocità del motore. Il Motor control and efficiency maps traduce la richiesta del conducente e i limiti del veicolo nei comandi di corrente seguiti dall’inverter.

All’interno del motore, la corrente negli avvolgimenti fissi crea un campo magnetico rotante. Il rotore segue o interagisce con questo campo e fa girare l’albero di uscita. Le scelte relative a statore, rotore, avvolgimenti, lamierini, isolamento, traferro, cuscinetti e tolleranze di produzione sono trattate in EV motor construction and windings.

Un rapporto di riduzione fisso scambia normalmente la velocità del motore con la coppia alle ruote. Il differenziale consente alle ruote motrici di girare a velocità diverse in curva. In una moderna Integrated electric drive units, motore, inverter, riduttore, differenziale, lubrificazione e passaggi del refrigerante possono condividere un unico alloggiamento compatto.

Come un motore di trazione in CA genera coppia

La maggior parte dei motori di trazione dei veicoli elettrici ha due parti elettromagnetiche principali: uno statore che rimane fermo e un rotore che gira oltre un traferro molto ridotto. Le tre fasi dello statore vengono alimentate in sequenza e producono un campo magnetico che ruota attorno al traferro.

La famiglia del motore è definita soprattutto dal modo in cui il rotore ottiene il proprio campo magnetico e da come questo campo si muove rispetto al campo dello statore:

Un motore sincrono a magneti permanenti porta magneti all’interno o sulla superficie del rotore.
Un motore sincrono a eccitazione elettrica crea il campo rotorico mediante un avvolgimento alimentato in CC.
Un motore a induzione induce corrente in una gabbia conduttrice del rotore; per generare coppia, il rotore deve girare a una velocità diversa da quella del campo statorico.
Un motore a riluttanza genera coppia perché il suo rotore si magnetizza più facilmente in alcune direzioni che in altre.

Il termine «sincrono» descrive la velocità del rotore rispetto al campo rotante dello statore. Non significa che rotore e statore siano collegati meccanicamente. I cuscinetti sostengono il rotore, mentre il traferro mantiene fisicamente separate le parti elettromagnetiche.

Coppia, velocità e potenza

La coppia è la forza torcente applicata all’albero. La potenza è la rapidità con cui il motore compie lavoro:

potenza = coppia × velocità di rotazione

Questa relazione spiega la caratteristica curva di coppia di un veicolo elettrico. Dalla partenza fino alla velocità di base del motore, l’inverter può normalmente fornire corrente sufficiente per un’ampia regione a coppia costante. Oltre la velocità di base, la tensione e la forza controelettromotrice diventano i principali vincoli. Il sistema di controllo indebolisce il campo magnetico effettivo affinché il motore possa girare più velocemente, mentre la coppia disponibile diminuisce. La potenza può rimanere approssimativamente costante per una parte di questa regione a velocità più elevata.

La curva esatta è limitata dalla potenza della batteria, dalla tensione e dalla corrente dell’inverter, dalla temperatura del motore, dalla velocità del rotore e dai limiti meccanici. Una potenza di picco dichiarata può essere disponibile solo per pochi secondi. La potenza continua è quella che l’intera unità di trazione può mantenere in condizioni definite di raffreddamento e ambiente. EV motor testing and ratings spiega perché il limite di misurazione e la durata della prova devono accompagnare un valore di potenza.

Durante la frenata rigenerativa, la stessa macchina funziona da generatore. La coppia alle ruote aziona il rotore, l’inverter controlla la corrente del generatore e l’energia elettrica ritorna alla batteria quando la temperatura e lo stato di carica della batteria, l’aderenza e i limiti del sistema lo consentono.

Le principali famiglie di motori nei veicoli elettrici

I Permanent-magnet synchronous motors sono diffusi perché possono combinare un’elevata densità di potenza con un alto rendimento in una parte utile della mappa di funzionamento. I progetti con magneti interni possono generare sia coppia da magneti permanenti sia coppia di riluttanza. Il loro flusso rotorico fisso crea anche difficoltà progettuali relative all’indebolimento di campo, alla tensione in caso di guasto, all’approvvigionamento dei materiali e alla gestione termica.

I Induction (asynchronous) motors non hanno magneti nel rotore né contatti elettrici. Il loro campo rotorico esiste soltanto quando l’eccitazione dello statore induce corrente nella gabbia. Sono meccanicamente robusti e possono presentare una bassa resistenza elettromagnetica quando non sono alimentati, caratteristica che li rende utili sia come motori di trazione principali sia su un asse secondario. La corrente rotorica, tuttavia, aggiunge calore e perdite.

I Electrically excited synchronous motors sostituiscono i magneti permanenti con un elettromagnete rotorico controllabile. Aumentando o riducendo la corrente di campo, i progettisti ottengono un’ulteriore variabile di controllo, compreso un efficiente indebolimento di campo ad alta velocità. Il prezzo è un sistema di eccitazione, perdite nel rame del rotore e — quando si utilizzano spazzole e anelli collettori — requisiti meccanici e di durata aggiuntivi.

I Reluctance motors comprendono macchine sincrone a riluttanza prive di magneti e macchine a riluttanza commutata, oltre a progetti assistiti da magneti permanenti. Sfruttano differenze direzionali nella riluttanza magnetica del rotore. Sono possibili rotori semplici senza magneti, ma la densità di coppia, i requisiti dell’inverter, l’ondulazione della coppia, l’acustica e il controllo devono essere valutati per il sistema completo.

I Axial-flux permanent-magnet motors descrivono una geometria magnetica diversa, non una fonte distinta di eccitazione del rotore. La maggior parte dei motori automobilistici a flusso assiale è costituita da macchine sincrone a magneti permanenti il cui flusso principale attraversa il traferro parallelamente all’albero. L’ampio raggio attivo e il ridotto ingombro assiale possono offrire un’elevata densità di coppia, ma il raffreddamento, il controllo del traferro, le forze assiali e la produzione di massa sono impegnativi.

Perché nessun tipo di motore è semplicemente il migliore

Un motore non possiede un unico valore di rendimento. Ha una mappa di rendimento che copre velocità e coppia, e il veicolo percorre zone diverse di questa mappa durante la guida urbana, in autostrada, in salita, durante il traino e nelle forti accelerazioni. L’inverter e il riduttore hanno mappe proprie, perciò gli ingegneri ottimizzano l’intera unità di trazione per il ciclo di utilizzo previsto.

Anche le principali perdite cambiano con il punto di funzionamento:

la resistenza degli avvolgimenti crea perdite nel rame che aumentano fortemente con la corrente;
i campi magnetici variabili creano perdite per isteresi e correnti parassite nell’acciaio elettrico e in altri componenti conduttori;
i rotori a induzione e a eccitazione elettrica aggiungono perdite nel rame del rotore;
l’inverter presenta perdite di conduzione e di commutazione;
cuscinetti, guarnizioni, ingranaggi, pompe dell’olio e agitazione dell’olio creano perdite meccaniche.

La scelta del motore bilancia quindi il rendimento nella zona utile della mappa, la densità di potenza e di coppia, il costo e l’approvvigionamento dei materiali, il dimensionamento dell’inverter, la richiesta di raffreddamento, la velocità massima, l’acustica, la controllabilità, la resa produttiva, la durata e la manutenibilità. Un motore leggermente meno efficiente nel suo punto migliore può produrre un veicolo più efficiente se la sua zona utile ad alto rendimento corrisponde meglio al carico di guida del veicolo.

Un motore o più motori

Un singolo motore può azionare l’asse anteriore o posteriore tramite un differenziale. Due motori forniscono normalmente una coppia controllata in modo indipendente sugli assi anteriore e posteriore, permettendo la trazione integrale senza un albero di trasmissione meccanico. I costruttori possono utilizzare lo stesso tipo di motore su entrambi gli assi oppure combinare tipi diversi per sfruttare differenti caratteristiche di rendimento e scorrimento libero.

I sistemi a tre motori collocano in genere un motore su un asse e due motori controllati indipendentemente sull’altro. I sistemi a quattro motori possono impiegare un motore per ogni ruota oppure due motori per asse collegati attraverso treni di ingranaggi separati. I motori indipendenti creano la possibilità hardware di una rapida ripartizione vettoriale della coppia, ma la capacità effettiva dipende dai sensori, dalla capacità dell’inverter, dall’aderenza degli pneumatici, dai limiti termici, dai rapporti di trasmissione e dal software di controllo.

I motori aggiuntivi non offrono prestazioni gratuite. Aggiungono massa, costo, carichi di raffreddamento, inverter, cavi, cuscinetti e perdite parassite. Le frizioni di disconnessione e i motori a induzione non alimentati possono ridurre la penalizzazione nei consumi di un asse secondario durante la marcia costante. Multi-motor EV architectures esamina nel dettaglio le architetture a uno, due, tre e quattro motori.

Come leggere le specifiche dei motori elettrici

I dati utili di un motore dovrebbero rispondere a più della domanda «quanti kilowatt?». Verificate se un valore è di picco o continuo, se si riferisce a un motore, a un asse o all’intero veicolo e se la coppia dichiarata è misurata sull’albero del motore oppure alle ruote dopo la riduzione.

I dati tecnici più informativi comprendono:

topologia e posizione del motore;
potenza di picco e continua nelle condizioni dichiarate;
coppia massima e velocità massima del motore;
tensione del bus CC, corrente dell’inverter e tipo di semiconduttore;
rapporto di trasmissione ed efficienza della catena cinematica;
mappe di rendimento di motore e inverter in trazione e rigenerazione;
metodo di raffreddamento e limiti termici;
possibilità di disalimentare o disconnettere i motori secondari;
il limite di misurazione, le temperature e la procedura di prova.

Questi dettagli spiegano perché due veicoli con una potenza di picco simile possono differire nei consumi autostradali, nelle accelerazioni ripetute, nella capacità di traino, nel rumore e nella capacità di sostenere velocità elevate.

Leggere la serie in ordine

Iniziate dalle famiglie di motori:

Proseguite quindi lungo la catena dell’hardware e del controllo dell’energia:

Concludete con l’architettura del veicolo e le evidenze ingegneristiche:

Le schede di navigazione seguono lo stesso ordine.