Motori a induzione (asincroni) nei veicoli elettrici
Un motore a induzione — chiamato anche motore asincrono — crea il magnetismo del rotore senza magneti permanenti né un’alimentazione elettrica separata per il rotore. Il semplice rotore a gabbia di scoiattolo, il campo controllabile e l’attitudine agli alti regimi ne fanno una soluzione resistente per la trazione elettrica.
Come l’induzione genera coppia
L’inverter alimenta i tre avvolgimenti di fase dello statore con correnti sfasate nel tempo. Insieme, queste correnti creano un campo magnetico che ruota attorno al traferro. La velocità di rotazione del campo è determinata dalla frequenza elettrica e dal numero di poli magnetici del motore.
Il rotore tipico di un motore di trazione è una gabbia di scoiattolo: barre conduttrici di alluminio o rame percorrono l’acciaio laminato e sono cortocircuitate alle estremità da anelli. Il campo rotante dello statore taglia queste barre e vi induce corrente. La corrente crea un campo magnetico nel rotore e l’interazione tra i due campi produce coppia.
Perché avvenga l’induzione, il rotore deve girare a una velocità diversa da quella del campo statorico. Questa differenza è chiamata scorrimento. Nel funzionamento come motore, il rotore normalmente rimane indietro rispetto al campo rotante; nel funzionamento come generatore, compresa la frenata rigenerativa, il rapporto controllato si inverte affinché la potenza meccanica diventi potenza elettrica.
Lo scorrimento è una caratteristica, non un difetto
Lo scorrimento è spesso espresso come percentuale della velocità sincrona. Cambia con la richiesta di coppia e non equivale allo slittamento delle ruote. A basso carico, lo scorrimento elettromagnetico necessario può essere ridotto. Una coppia più elevata richiede generalmente più corrente nel rotore e una maggiore differenza di velocità controllata.
L’inverter fa molto più che applicare un’alimentazione CA fissa. Il controllo vettoriale stima o misura il flusso rotorico e separa i comandi di corrente che stabiliscono il flusso da quelli che creano coppia. Variando continuamente la corrente di fase e la frequenza, il sistema di controllo può produrre una coppia regolare dalla partenza fino alla regione di indebolimento di campo.
Il funzionamento trifase crea un campo rotante uniforme, ma non elimina la necessità di riduttori. La maggior parte delle unità di trazione elettriche con motore a induzione riduce ancora l’elevata velocità dell’albero motore prima di trasmettere la coppia alle ruote.
Costruzione del rotore e calore
I motori a induzione delle autovetture elettriche utilizzano normalmente un rotore a gabbia di scoiattolo perché non ha spazzole, anelli collettori, magneti né avvolgimenti rotorici isolati. Esistono macchine a induzione con rotore avvolto, ma non costituiscono l’architettura tipica di una moderna unità di trazione per autovetture elettriche e non vanno confuse con un motore sincrono a eccitazione elettrica.
L’assenza di magneti nel rotore semplifica l’approvvigionamento dei materiali, ma induzione non significa magnetizzazione senza perdite. La corrente dello statore deve stabilire il campo nel traferro e trasferire potenza al rotore. La resistenza elettrica della gabbia trasforma in calore una parte della corrente indotta nel rotore. Ad alto carico, rimuovere questo calore da un componente rotante può rappresentare una delle principali sfide termiche dell’unità di trazione.
Punti di forza in un veicolo elettrico
Un rotore a induzione è meccanicamente semplice e può tollerare velocità di rotazione elevate quando gabbia, lamierini, albero e cuscinetti sono progettati per le sollecitazioni risultanti. Non esiste il rischio di smagnetizzazione dei magneti permanenti e il rotore non contiene magneti con terre rare.
L’inverter può ridurre il flusso della macchina quando serve poca coppia. Quando un motore a induzione su un asse secondario viene disalimentato, può girare con una bassa resistenza elettromagnetica perché non ha un campo rotorico permanente. Restano le perdite di cuscinetti, guarnizioni e ingranaggi, quelle dovute all’agitazione dell’olio e le perdite elettromagnetiche residue; l’espressione «nessuna resistenza» non va quindi interpretata alla lettera.
I motori a induzione possono inoltre sopportare brevi sovraccarichi se inverter, batteria e sistema di raffreddamento dispongono di un margine sufficiente. Questa capacità è utile nelle brevi accelerazioni, ma è la temperatura — non la parola «induzione» — a definire il limite ripetibile.
Limiti e compromessi progettuali
Le perdite nel rame del rotore e la corrente magnetizzante fornita dallo statore possono ridurre, in alcuni punti di funzionamento, il rendimento del sistema e il fattore di potenza rispetto a una trazione a magneti permanenti ben ottimizzata. Aumentano inoltre la corrente dell’inverter a parità di potenza all’albero.
Questi confronti dipendono dalla mappa. Un motore a induzione non è intrinsecamente inefficiente ad alta velocità e un motore a magneti permanenti non è automaticamente superiore ovunque. Il progetto del rotore, l’acciaio elettrico, il traferro, il raffreddamento, la strategia di commutazione, il rapporto di trasmissione e il ciclo di utilizzo del veicolo determinano il risultato.
Un controllo preciso dipende anche dalla stima della temperatura e dei parametri del rotore, perché la resistenza della gabbia cambia quando il rotore si riscalda. Il sistema di controllo deve mantenere stabili flusso e coppia senza accesso elettrico diretto al rotore.
Come i costruttori utilizzano i motori a induzione
Un motore a induzione può essere il motore di trazione principale oppure un motore di supporto su un secondo asse. Il sistema di trazione PPE di Audi offre un chiaro esempio di combinazione di motori: un motore sincrono a magneti permanenti fornisce la trazione primaria sull’asse posteriore, mentre un motore a induzione anteriore viene alimentato quando servono prestazioni o aderenza aggiuntive. Quando è inattivo, il motore anteriore può ruotare con bassa resistenza.
Questa disposizione è una scelta di sistema, non una regola universale. Il rendimento reale del veicolo dipende dalla frequenza di funzionamento di ciascun asse, dall’eventuale presenza di una frizione, dalle perdite degli ingranaggi e degli pneumatici e dal modo in cui il software di controllo seleziona i punti di funzionamento.
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