Prova su strada del motore sincrono: cosa significa?

Le auto elettriche sono ancora oscurate dallo sviluppo della batteria

Il rapido sviluppo dei propulsori ibridi e il progresso senza precedenti negli ultimi anni nel campo dei veicoli elettrici sono l'obiettivo principale dello sviluppo della tecnologia delle batterie. Richiedono le massime risorse da parte degli sviluppatori e rappresentano la sfida più grande per i progettisti. Tuttavia, non va sottovalutato il fatto che i progressi nello sviluppo di tecnologie avanzate agli ioni di litio sono accompagnati da progressi significativi nel campo della regolazione della potenza delle correnti elettriche e dei motori elettrici. Si è scoperto che sebbene i motori elettrici abbiano un'elevata efficienza, hanno un serio campo di sviluppo.

I progettisti si aspettano che il settore cresca a un ritmo estremamente elevato, non solo perché i veicoli elettrici stanno diventando sempre più comuni, ma anche perché l'elettrificazione dei veicoli a combustione è un elemento importante dei livelli di emissioni fissati nell'Unione Europea.

Sebbene il motore elettrico abbia una storia antica, oggi i progettisti affrontano nuove sfide. I motori elettrici, a seconda dello scopo, possono avere un design stretto e un diametro grande o un diametro piccolo e un corpo lungo. Il loro comportamento nei veicoli puramente elettrici è diverso da quello degli ibridi, dove si deve tener conto del calore generato dal motore a combustione interna. Per i veicoli elettrici, la gamma di velocità è più ampia e quelli installati in un sistema ibrido parallelo nella trasmissione devono essere ottimizzati per funzionare all'interno della gamma di velocità del motore a combustione. La maggior parte delle macchine funziona ad alta tensione, ma le macchine elettriche a 48 volt diventeranno sempre più popolari.

Perché i motori AC

Nonostante il fatto che la fonte di elettricità nella persona della batteria sia corrente continua, i progettisti di sistemi elettrici attualmente non pensano di utilizzare motori a corrente continua. Anche tenendo conto delle perdite di conversione, le unità CA, in particolare quelle sincrone, superano le prestazioni delle unità CC. Ma cosa significa effettivamente un motore sincrono o asincrono? Ti presenteremo questa parte del mondo automobilistico perché mentre le auto elettriche sono esistite da tempo nelle auto sotto forma di motorini di avviamento e alternatori, di recente sono state introdotte tecnologie completamente nuove in questo settore.

Toyota, GM e BMW sono ora alcuni dei pochi produttori che hanno rilevato lo sviluppo e la produzione di motori elettrici stessi. Anche la sussidiaria di Toyota Lexus fornisce questi dispositivi a un'altra società, la giapponese Aisin. La maggior parte delle aziende si affida a fornitori come ZF Sachs, Siemens, Bosch, Zytec o aziende cinesi. Ovviamente, il rapido sviluppo di questo business consente a tali aziende di beneficiare di partnership con case automobilistiche. Per quanto riguarda il lato tecnologico, oggigiorno, per le esigenze dei veicoli elettrici e ibridi, vengono utilizzati principalmente motori sincroni in corrente alternata con rotore esterno o interno.

La capacità di convertire in modo efficiente le batterie CC in CA trifase e viceversa è in gran parte dovuta ai progressi nella tecnologia di controllo. Tuttavia, i livelli di corrente nell'elettronica di potenza raggiungono livelli molte volte superiori a quelli che si trovano in una rete elettrica domestica e spesso superano i 150 ampere. Questo genera molto calore che l'elettronica di potenza deve affrontare. Al momento, il volume dei dispositivi di controllo elettronico è ancora grande perché i dispositivi di controllo elettronici a semiconduttore non possono essere ridotti con una bacchetta magica.

Sia i motori sincroni che quelli asincroni sono un tipo di macchine elettriche a campo magnetico rotante che hanno una maggiore densità di potenza. In generale, il rotore di un motore a induzione è costituito da un semplice pacco di lamiere piene con avvolgimenti cortocircuitati. La corrente scorre negli avvolgimenti dello statore in coppie opposte, con la corrente proveniente da una delle tre fasi che scorre in ciascuna coppia. Poiché in ciascuno di essi è sfasato di 120 gradi rispetto all'altro, si ottiene il cosiddetto campo magnetico rotante. Questo, a sua volta, induce un campo magnetico nel rotore e l'interazione tra due campi magnetici - rotante nello statore e campo magnetico del rotore, porta al trascinamento di quest'ultimo e alla successiva rotazione. Tuttavia, in questo tipo di motore elettrico, il rotore è sempre in ritardo rispetto al campo perché se non c'è movimento relativo tra il campo e il rotore, non indurrà un campo magnetico nel rotore. Pertanto, il livello della velocità massima è determinato dalla frequenza della corrente di alimentazione e dal carico. Tuttavia, a causa della maggiore efficienza dei motori sincroni, la maggior parte dei produttori li mantiene.

Motori sincroni

Queste unità hanno un'efficienza e una densità di potenza significativamente più elevate. Una differenza significativa rispetto a un motore a induzione è che il campo magnetico nel rotore non viene creato dall'interazione con lo statore, ma è il risultato della corrente che scorre attraverso gli avvolgimenti aggiuntivi installati in esso o dei magneti permanenti. Pertanto, il campo nel rotore e il campo nello statore sono sincroni e la velocità massima del motore dipende anche dalla rotazione del campo, rispettivamente, dalla frequenza della corrente e dal carico. Per evitare la necessità di un'alimentazione aggiuntiva agli avvolgimenti, che aumenta il consumo di energia e complica la regolazione della corrente nei moderni veicoli elettrici e nei modelli ibridi, vengono utilizzati motori elettrici con la cosiddetta eccitazione costante, ad es. con magneti permanenti. Come già accennato, quasi tutti i produttori di tali auto attualmente utilizzano unità di questo tipo, quindi, secondo molti esperti, ci sarà ancora un problema con una carenza di costosi elementi di terre rare neodimio e disprosio. I motori sincroni sono disponibili in diverse varietà e soluzioni tecnologiche miste come BMW o GM, ma ti diremo di più su di loro.

costruzione

I motori dei veicoli puramente elettrici sono solitamente accoppiati direttamente al differenziale dell'asse motore e la potenza viene trasferita alle ruote tramite semiassi, riducendo le perdite di trasmissione meccanica. Con questo layout sotto il pavimento, il baricentro si riduce e il design complessivo del blocco diventa più compatto. La situazione è completamente diversa con il layout dei modelli ibridi. Per i full hybrid come single mode (Toyota e Lexus) e dual mode (Chevrolet Tahoe), i motori elettrici sono collegati in qualche modo agli ingranaggi planetari nella trasmissione ibrida, nel qual caso la compattezza richiede che il loro design sia più lungo e più piccolo in diametro. Nei classici ibridi paralleli, i requisiti compatti significano che il gruppo che si inserisce tra il volano e il cambio ha un diametro maggiore ed è abbastanza piatto, con produttori come Bosch e ZF Sachs che si affidano persino a un design del rotore a forma di disco. Esistono anche varianti del rotore: mentre nella Lexus LS 600h l'elemento rotante si trova all'interno, in alcuni modelli Mercedes il rotore rotante è all'esterno. Quest'ultimo design è anche estremamente conveniente nei casi in cui i motori elettrici sono installati nei mozzi delle ruote.

Testo: Georgy Kolev