Motori sincroni a eccitazione elettrica
Un motore sincrono a eccitazione elettrica (EESM) sostituisce i magneti permanenti del rotore con un elettromagnete il cui campo può essere regolato mentre il veicolo è in movimento. È chiamato anche motore sincrono a campo avvolto (WFSM), motore sincrono a rotore avvolto (WRSM) o motore sincrono eccitato in corrente.
Come funziona
L’inverter di trazione fornisce corrente trifase controllata allo statore, come negli altri motori di trazione in CA. Un circuito di eccitazione separato alimenta in corrente continua gli avvolgimenti del rotore. Questa CC crea poli magnetici che si agganciano al campo rotante dello statore, così il rotore gira in sincronia con esso.
In una progettazione automobilistica convenzionale, spazzole fisse toccano anelli collettori sull’albero rotante per fornire la corrente di eccitazione. Il gruppo spazzole è compatto e chiuso all’interno dell’unità di trazione; non è il commutatore utilizzato da un motore di trazione in CC a spazzole. Gli eccitatori senza spazzole basati su trasferimento di potenza induttivo, capacitivo o simile a un trasformatore rappresentano un’altra strada progettuale, ma aggiungono componenti e requisiti di controllo.
Il campo rotorico viene creato dall’eccitazione in CC, non aggiungendo una resistenza esterna a un rotore a induzione avvolto. Velocità e coppia sono controllate tramite corrente dello statore, frequenza elettrica, angolo della corrente e corrente di campo del rotore.
Un campo magnetico regolabile
I magneti permanenti forniscono un flusso rotorico sostanzialmente fisso. Un EESM offre al sistema di controllo un ulteriore grado di libertà: la corrente di eccitazione.
Ad alta coppia, il sistema di controllo può rafforzare il campo rotorico entro i limiti termici, magnetici e dell’inverter. A basso carico, può ridurre l’eccitazione per evitare di mantenere più flusso di quanto richieda il punto di funzionamento. Ad alta velocità, può indebolire direttamente il campo, riducendo la forza controelettromotrice senza dipendere interamente da una corrente statorica opposta.
Questa flessibilità può ampliare la zona di funzionamento efficiente e semplificare l’indebolimento di campo ad alta velocità. La migliore combinazione di correnti rimane un’ottimizzazione del sistema: Le perdite nel rame dello statore, le perdite di eccitazione del rotore, le perdite dell’inverter, la tensione, la coppia, la velocità e la temperatura devono essere considerate insieme.
Perché i costruttori lo scelgono
Il rotore non richiede magneti permanenti, quindi la progettazione può evitare le terre rare comunemente impiegate nei PMSM ad alta densità di potenza. Ciò modifica l’esposizione ai prezzi dei magneti e alle catene di lavorazione, anche se il motore completo utilizza comunque quantità notevoli di rame e acciaio elettrico.
Il flusso controllabile è utile su un ampio intervallo di velocità. Quando un asse non produce coppia, la corrente di campo può essere ridotta o eliminata, limitando le perdite indotte magneticamente. In caso di guasto, il sistema di controllo può anche rimuovere l’eccitazione del rotore, sebbene l’energia magnetica immagazzinata e la tensione indotta debbano comunque essere gestite in sicurezza.
L’architettura può offrire potenza elevata e funzionamento stabile ad alta velocità. Il suo vantaggio non è un «rendimento gratuito»: l’energia usata per eccitare il rotore entra nel calcolo delle perdite.
I costi tecnici
L’eccitazione del rotore produce perdite nel rame I²R in una parte rotante. Il calore deve attraversare il rotore, l’albero, il traferro o un percorso interno del refrigerante, e l’alimentazione di eccitazione consuma potenza che un magnete permanente non richiede.
Spazzole e anelli collettori introducono superfici di usura, gestione dei detriti, resistenza di contatto e un ulteriore possibile modo di guasto. I sistemi automobilistici sono progettati come gruppi sigillati di lunga durata, non come anelli collettori industriali sottoposti a manutenzione regolare, perciò non si può presumere un piano di manutenzione generico. La durata dipende dal materiale delle spazzole, dalla densità di corrente, dalla velocità dell’albero, dalla tenuta, dal raffreddamento, dalle vibrazioni e dall’obiettivo progettuale del costruttore.
L’eccitazione senza spazzole elimina il contatto elettrico strisciante, ma aggiunge un trasformatore rotante, un accoppiatore capacitivo o altro hardware di alimentazione del campo, oltre a raddrizzamento e controllo. Sposta il compromesso invece di eliminarlo.
La densità di potenza e il costo dipendono inoltre dal gruppo di eccitazione, dallo spazio per l’avvolgimento rotorico, dal raffreddamento e dal dimensionamento dell’inverter. Un EESM ben progettato può competere efficacemente con le trazioni a magneti permanenti e a induzione, ma nessuna topologia prevale in ogni punto di funzionamento.
Esempi di produzione
L’eDrive BMW di quinta generazione utilizza motori sincroni eccitati in corrente in veicoli come i4, i5, i7 e iX. BMW dichiara che il campo rotorico è prodotto elettricamente, consentendo di escludere da questi motori materiali magnetici contenenti terre rare.
Anche Renault identifica la propria tecnologia di rotore EESM come una via priva di magneti e l’ha sviluppata per diversi gruppi propulsori elettrici. Non si deve presumere che le realizzazioni dei due costruttori siano identiche: Avvolgimenti, gruppo spazzole, raffreddamento, controllo, tensione e integrazione restano scelte progettuali proprietarie.
Nel confronto tra veicoli con EESM, i dati utili comprendono potenza di picco e continua, velocità massima, mappa combinata di rendimento di motore e inverter, metodo di eccitazione, raffreddamento e inclusione o meno della potenza del campo rotorico nel rendimento dichiarato.
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