Come funziona il motore di un'auto elettrica?

Che cos'è un motore elettrico? 

Il motore di un'auto elettrica funziona grazie a un principio fisico messo a punto alla fine del^XIX secolo. Questo principio consiste nell'utilizzare una corrente per creare un campo magnetico sulla parte fissa del motore, lo «statore», che, muovendosi, mette in rotazione un elemento rotante, il «rotore». Ci soffermeremo più a lungo su questi due componenti più avanti in questo articolo.

Il principio di funzionamento di un motore elettrico

Qual è la differenza tra un motore termico e un motore elettrico? I due termini vengono spesso utilizzati in modo intercambiabile. È quindi importante distinguerli fin dall'inizio. Sebbene attualmente vengano utilizzati quasi come sinonimi, nell'industria automobilistica un «motore elettrico» indica una macchina che converte l'energia in energia meccanica e quindi in movimento, mentre un motore termico svolge lo stesso compito, ma utilizzando specificamente l'energia termica. Quando si parla della trasformazione dell'energia termica in energia meccanica, si parla quindi di combustione, e non di elettricità.

È quindi il tipo di energia convertita a determinare il tipo di motore, termico o elettrico. Per quanto riguarda i veicoli elettrici, poiché l'energia meccanica è generata dall'elettricità, si usa il termine «motore elettrico» per descrivere il sistema che fa avanzare il veicolo elettrico. È ciò che viene chiamato «trazione».

Come funziona un motore elettrico in un veicolo elettrico? 

Ora che abbiamo chiarito che stiamo parlando di motori elettrici e non di motori a combustione, vediamo come funziona il motore in un veicolo elettrico.

Oggi i motori elettrici sono presenti in molti oggetti di uso quotidiano. Quelli dotati di motori a corrente continua (DC o Direct Current) hanno funzionalità piuttosto semplici. Il motore è collegato direttamente a una fonte di energia e la sua velocità di rotazione dipende quindi direttamente dall'intensità della corrente. Sebbene siano facili da produrre, questi motori elettrici non soddisfano i requisiti di potenza, affidabilità o dimensioni di un veicolo elettrico. Possono tuttavia essere utilizzati per azionare i tergicristalli, i finestrini e altri piccoli meccanismi all'interno dell'auto.

Lo statore e il rotore

Per comprendere il funzionamento di un veicolo elettrico, è necessario acquisire familiarità con i componenti fisici del suo motore elettrico. Il primo passo consiste nel comprendere bene i principi delle sue due parti principali: lo statore e il rotore. Un modo semplice per ricordare la differenza tra i due: lo statore è «statico», mentre il rotore è «in rotazione». In un motore elettrico, lo statore utilizza l'energia per creare un campo magnetico che fa ruotare il rotore.

Come funziona quindi un motore elettricoper alimentare un veicolo elettrico?A tal fine è necessario ricorrere a motori a corrente alternata (AC, ovvero Alternative Current), che richiedono l’uso di un circuito di conversione per trasformare la corrente continua (DC) fornita dalla batteria. Esaminiamo i due tipi di corrente.

Ricaricare un veicolo elettrico: corrente alternata (AC) vs corrente continua (DC)

Prima di tutto, per comprendere il funzionamento del motore di un'auto elettrica, è necessario conoscere la differenza tra corrente alternata e corrente continua (correnti elettriche).

Esistono due modi in cui l'elettricità può circolare in un conduttore. La corrente alternata (CA) è una corrente elettrica in cui gli elettroni cambiano periodicamente direzione. La corrente continua (CC), come suggerisce il nome, circola in una sola direzione.

Le batterie delle auto elettriche funzionanoa corrente continua. Per quanto riguarda il motore principale del veicolo elettrico (che ne assicura la trazione), questa corrente continua deve tuttavia essere trasformata in corrente alternata tramite un inverter.

Cosa succede una volta che questa energia raggiunge il motore elettrico? Tutto dipende dal tipo di motore utilizzato: sincrono o asincrono.

I diversi tipi di motori elettrici 

Nel settore automobilistico esistono due tipi di motori elettrici a corrente alternata: i motori sincroni e quelli asincroni. Nel caso di un veicolo elettrico, i motori sincroni e quelli asincroni presentano ciascuno i propri punti di forza; uno non è necessariamente «superiore» all’altro.

I motori sincroni e asincroni 

Il motore asincrono, noto anche come motore a induzione, sfrutta lo statore alimentato con corrente elettrica per generare un campo magnetico rotante. Ciò provoca una rotazione continua del rotore, come se questo cercasse di raggiungere il campo magnetico senza mai riuscirci. Il motore asincrono viene spesso installato nei veicoli elettrici destinati a percorrere lunghe distanze e ad alta velocità.

Nel motore sincrono, il rotore svolge esso stesso la funzione di elettromagnete e contribuisce così attivamente alla generazione del campo magnetico. La sua velocità di rotazione è quindi direttamente proporzionale alla frequenza della corrente che alimenta il motore. Il motore sincrono è quindi ideale per la guida urbana, che comporta generalmente fermate regolari e ripartenze a bassa velocità.

I motori sincroni e asincroni funzionano in modo reversibile, il che significa che possono convertire l'energia meccanica in energia elettrica durante le fasi di decelerazione. Questo principio è alla base della frenata a recupero, che deriva dal funzionamento dell'alternatore.

I componenti dei motori elettrici 

Vediamo ora alcuni dei componenti del motore di un veicolo elettrico, come i magneti, ma anche i motori sincroni a eccitazione indipendente e, più in generale, il gruppo motopropulsore.

I magneti permanenti

Alcuni motori sincroni sono dotati di un motore a magneti permanenti nel rotore. Questi magneti permanenti sono integrati nel rotore in acciaio, creando così un campo magnetico costante. Un motore elettrico a magneti permanenti presenta il vantaggio di funzionare senza alimentazione elettrica. Richiede tuttavia l'uso di metalli o leghe quali il neodimio o il disprosio. Queste "terre rare" sono ferromagnetiche, il che significa che possono diventare magnetiche e trasformarsi così in magneti permanenti. Vengono impiegate per vari scopi industriali: nelle turbine eoliche, negli strumenti e nelle cuffie wireless, nelle dinamo per biciclette o nei motori di trazione che equipaggiano alcuni veicoli elettrici!

Problema: il costo di queste «terre rare» è molto variabile. Contrariamente a quanto suggerisce il loro nome, non sono poi così rare, ma si trovano quasi esclusivamente in Cina. Il Paese detiene quindi un quasi-monopolio sulla loro produzione, vendita e distribuzione. È per questo motivo che i costruttori stanno compiendo grandi sforzi per trovare soluzioni alternative per i motori dei veicoli elettrici.

I motori sincroni ad eccitazione indipendente

Una di queste soluzioni, adottata storicamente da Renault per i suoi modelli elettrici, dalla ZOE alle recenti Renault 5 e Renault 4 E-Tech electric, consiste nel realizzare un magnete per motore elettrico privo di terre rare a partire da una bobina di rame. Questa soluzione richiede un processo industriale più complesso, ma permette di evitare i problemi di approvvigionamento, preservando al contempo l’eccellente rapporto tra il peso del motore e la coppia generata. 

Guillaume Faurie, responsabile del reparto Ingegneria dello stabilimento di Cléon,sottolinea la complessità e l’ingegnosità del motore elettrico a rotore avvolto: «La produzione di un motore sincrono a eccitazione indipendente richiede processi specifici di avvolgimento e impregnazione. I vincoli legati alle aspettative in termini di prestazioni dei prodotti, all’obiettivo di ridurre il rapporto peso/potenza e all’elevata cadenza di produzione implicano il ricorso efficace alle tecnologie più avanzate per l’attuazione di questi processi.»

Il gruppo motopropulsore elettrico

In un veicolo elettrico, il motore elettrico, composto dal rotore e dallo statore, costituisce una parte di un insieme più ampio: il gruppo motopropulsore elettrico, un sistema che consente il funzionamento del motore elettrico.

In quest'ultimo si trovano anche i regolatori elettronici di potenza:

Infine, l'unità comprende il riduttore che adatta la velocità di rotazione trasmessa dal motore elettrico alle ruote.

La combinazione di questi elementi garantisce un funzionamento fluido ed efficiente del motore elettrico. Il risultato? La tua auto elettrica è silenziosa, affidabile, piùeconomica e piacevole da guidare!

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