Motori a riluttanza nei veicoli elettrici
I motori a riluttanza generano coppia attirando un rotore magneticamente asimmetrico verso la posizione in cui il flusso magnetico incontra il percorso più agevole. Il principio comprende macchine sincrone e a riluttanza commutata senza magneti, oltre a progetti assistiti da magneti permanenti.
La riluttanza è una proprietà magnetica
La riluttanza magnetica è l'opposizione di un circuito al flusso magnetico. L'acciaio elettrico ad alta permeabilità offre meno riluttanza dell'aria o di una barriera di flusso. Se le proprietà del rotore variano con la direzione, il campo statorico alimentato crea una coppia che allinea al campo l'asse del rotore a bassa riluttanza.
Gli ingegneri descrivono il rotore con due assi magnetici perpendicolari. In un rotore saliente, l'asse diretto d e quello in quadratura q hanno induttanze diverse: questa differenza consente alla corrente statorica di produrre coppia di riluttanza. Non servono magneti permanenti, ma aggiungerli permette di combinare coppia magnetica e di riluttanza.
La riluttanza non è quindi una singola etichetta di prodotto, bensì un meccanismo di coppia che contribuisce in modo rilevante anche in molti permanent-magnet synchronous motors a magneti interni.
Motori sincroni a riluttanza
Un motore sincrono a riluttanza, o SynRM, usa un rotore in acciaio laminato con barriere di flusso o altre geometrie che creano forte salienza magnetica. L'inverter genera un campo statorico rotante e il rotore lo segue alla velocità sincrona.
Il rotore può essere privo di magneti, avvolgimenti, anelli collettori e conduttori a gabbia. Ciò può ridurre costo dei materiali e calore del rotore, consentendo alte velocità. Senza flusso da magneti permanenti, inoltre, il motore disalimentato non produce la stessa forza controelettromotrice di una macchina a magneti permanenti.
La coppia dipende però dalla differenza ottenibile fra le induttanze d e q. Le barriere la aumentano, ma sottraggono acciaio, complicano la resistenza meccanica e possono limitare la densità di coppia. Anche fattore di potenza e corrente richiesta all'inverter possono essere peggiori rispetto a una buona macchina a magneti permanenti.
Riluttanza sincrona assistita da magneti permanenti
Un motore sincrono a riluttanza assistito aggiunge una quantità relativamente piccola di magnete a un rotore saliente. I magneti forniscono coppia, migliorano il fattore di potenza e ampliano la zona efficiente, mentre la geometria mantiene un'importante componente di coppia di riluttanza.
Non esiste un confine fisico netto con un motore sincrono a magneti permanenti interni. Descrizioni diverse possono enfatizzare magneti, riluttanza o minore uso di terre rare. Contano la quota di coppia di ciascun meccanismo, la quantità di magnete e le prestazioni complessive nella mappa velocità-coppia.
Motori a riluttanza commutata
Un motore a riluttanza commutata, o SRM, ha poli salienti su statore e rotore. Il rotore è solitamente un pacco di lamierini senza avvolgimenti né magneti. Bobine statoriche concentrate vengono alimentate in sequenza per attirare ogni polo verso l'allineamento; la corrente di fase deve diminuire prima dell'allineamento se altrimenti produrrebbe coppia frenante.
Il principio differisce dal campo rotante quasi sinusoidale dei comuni motori di trazione trifase. Un SRM usa spesso un convertitore asimmetrico che alimenta e smagnetizza ogni fase separatamente. Posizione del rotore e temporizzazione precisa della corrente sono essenziali per trazione e rigenerazione efficienti.
Il rotore semplice tollera calore e alta velocità, mentre le fasi separate possono offrire tolleranza ai guasti. Le sfide sono ondulazione di coppia, forze radiali variabili, rumore, saturazione non lineare e requisiti di tensione e corrente del convertitore da progettare insieme al motore. Un rotore semplice non rende semplice l'intero azionamento.
Ondulazione di coppia e comportamento acustico
La coppia varia quando i poli entrano ed escono dall'allineamento. Se le coppie di fase non si fondono dolcemente, l'albero pulsa. Le forze magnetiche radiali variabili possono eccitare statore, carcassa e supporti, generando toni anche con coppia media stabile.
Gli ingegneri affrontano insieme questi effetti:
- la forma dei poli modifica le onde di coppia e forza radiale;
- inclinazione, segmentazione e arco polare distribuiscono le armoniche di forza;
- profilo di corrente e sovrapposizione delle fasi uniformano la coppia totale;
- la strategia di commutazione sposta o riduce componenti spettrali sgradite;
- rigidità e isolamento della carcassa impediscono che le forze diventino rumore nell'abitacolo.
Ridurre un sintomo può peggiorarne un altro: più sovrapposizione riduce l'ondulazione ma aumenta le perdite nel rame, e una geometria meno vibrante può incidere su densità di coppia o inverter. Serve una co-ottimizzazione di elettromagnetismo, convertitore, controlli, struttura e raffreddamento.
Impiego delle macchine a riluttanza nei veicoli elettrici
Sono interessanti quando pesano particolarmente fornitura dei magneti, temperatura del rotore, resistenza ad alta velocità o tolleranza ai guasti. I progetti senza magneti evitano trascinamento da magneti permanenti e tensione a circuito aperto, ma restano perdite di cuscinetti, tenute, ingranaggi e olio.
Non sono sempre più sostenibili o economici: più acciaio elettrico, rame, semiconduttori, trattamento acustico o complessità produttiva può annullare il risparmio di magneti. Il confronto deve usare lo stesso inviluppo coppia-velocità, raffreddamento, tensione CC, limiti dell'inverter, ciclo e volume produttivo.
Per chi acquista un veicolo elettrico, l'etichetta del motore dice poco. Contano mappa di efficienza, potenza continua, rumore e massa dell'unità, oltre al consumo energetico del veicolo.
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