Gli appassionati di automobili sono sempre stati fanatici dei motori, ma l’elettrificazione è inarrestabile e le riserve di conoscenza di alcune persone potrebbero aver bisogno di essere aggiornate.
Il più familiare oggi è il motore a ciclo quattro tempi, che è anche la fonte di energia per la maggior parte dei veicoli a benzina.Similmente ai motori a quattro tempi, a due tempi e ai motori a rotore Wankel dei motori a combustione interna, i motori dei veicoli elettrici possono essere suddivisi in motori sincroni e motori asincroni in base alla differenza dei rotori.I motori asincroni sono anche chiamati motori a induzione, mentre i motori sincroni contengono magneti permanenti.e corrente per eccitare il motore.
Statore e rotore
Tutti i tipi di motori per veicoli elettrici sono costituiti da due parti principali: uno statore e un rotore.
Statore▼
Lo statore è la parte del motore che rimane ferma ed è l'alloggiamento fisso del motore, montato sul telaio come il blocco motore.Il rotore è l'unica parte mobile del motore, simile all'albero motore, che invia la coppia attraverso la trasmissione e il differenziale.
Lo statore è composto da tre parti: nucleo dello statore, avvolgimento dello statore e telaio.Le numerose scanalature parallele nel corpo dello statore sono riempite con avvolgimenti di rame interconnessi.
Questi avvolgimenti contengono inserti in rame a forcina che aumentano la densità di riempimento degli slot e il contatto diretto filo-filo.Gli avvolgimenti densi aumentano la capacità di coppia, mentre le estremità sono sfalsate in modo più ordinato, riducendo l'ingombro per un pacchetto complessivo più piccolo.
Statore e rotore▼
La funzione principale dello statore è generare un campo magnetico rotante (RMF), mentre la funzione principale del rotore è quella di essere tagliato dalle linee di forza magnetica nel campo magnetico rotante per generare corrente (in uscita).
Il motore utilizza corrente alternata trifase per impostare il campo rotante e la sua frequenza e potenza sono controllate dall'elettronica di potenza che risponde all'acceleratore.Le batterie sono dispositivi a corrente continua (CC), quindi l'elettronica di potenza del veicolo elettrico include un inverter CC-CA che fornisce allo statore la corrente CA necessaria per creare l'importantissimo campo magnetico rotante variabile.
Ma vale la pena sottolineare che questi motori sono anche generatori, il che significa che le ruote faranno retrocedere il rotore all'interno dello statore, inducendo un campo magnetico rotante nella direzione opposta, restituendo energia alla batteria tramite un convertitore CA-CC.
Questo processo, noto come frenata rigenerativa, crea resistenza e rallenta il veicolo.La rigenerazione è fondamentale non solo per ampliare la gamma dei veicoli elettrici, ma anche per quelli ibridi ad alta efficienza, poiché una rigenerazione estesa migliora il risparmio di carburante.Ma nel mondo reale, la rigenerazione non è efficiente quanto “far girare la macchina”, che evita la perdita di energia.
La maggior parte dei veicoli elettrici si affida a una trasmissione a velocità singola per rallentare la rotazione tra il motore e le ruote.Come i motori a combustione interna, i motori elettrici sono più efficienti a bassi regimi e carichi elevati.
Mentre un veicolo elettrico può ottenere un’autonomia decente con una sola marcia, i pickup e i SUV più pesanti utilizzano trasmissioni a più velocità per aumentare l’autonomia alle alte velocità.
I veicoli elettrici a più marce sono rari e oggi solo l’Audi e-tron GT e la Porsche Taycan utilizzano trasmissioni a due velocità.
Tre tipi di motore
Nato nel XIX secolo, il rotore del motore a induzione è costituito da strati longitudinali o strisce di materiale conduttivo, più comunemente rame e talvolta alluminio.Il campo magnetico rotante dello statore induce una corrente in questi fogli, che a sua volta crea un campo elettromagnetico (EMF) che inizia a ruotare all'interno del campo magnetico rotante dello statore.
I motori a induzione sono chiamati motori asincroni perché il campo elettromagnetico indotto e la coppia rotazionale possono essere generati solo quando la velocità del rotore è inferiore al campo magnetico rotante.Questi tipi di motori sono comuni perché non richiedono magneti in terre rare e sono relativamente economici da produrre.Ma sono meno capaci di dissipare il calore in caso di carichi elevati sostenuti e sono intrinsecamente meno efficienti a basse velocità.
Motore a magnete permanente, come suggerisce il nome, il suo rotore ha il proprio magnetismo e non richiede energia per creare il campo magnetico del rotore.Sono più efficienti alle basse velocità.Tale rotore ruota anche in sincronia con il campo magnetico rotante dello statore, quindi è chiamato motore sincrono.
Tuttavia, avvolgere semplicemente il rotore con i magneti presenta i suoi problemi.Innanzitutto, ciò richiede magneti più grandi e, con il peso aggiunto, può essere difficile mantenere la sincronia ad alte velocità.Ma il problema più grande è il cosiddetto “back EMF” ad alta velocità, che aumenta la resistenza, limita la potenza di fascia alta e genera calore in eccesso che può danneggiare i magneti.
Per risolvere questo problema, la maggior parte dei motori a magneti permanenti dei veicoli elettrici sono dotati di magneti permanenti interni (IPM) che scorrono a coppie in scanalature longitudinali a forma di V, disposte in più lobi sotto la superficie del nucleo di ferro del rotore.
La scanalatura a V mantiene i magneti permanenti al sicuro alle alte velocità, ma crea una coppia di riluttanza tra i magneti.I magneti sono attratti o respinti da altri magneti, ma la normale riluttanza attira i lobi del rotore di ferro verso il campo magnetico rotante.
I magneti permanenti entrano in gioco alle basse velocità, mentre alle alte velocità subentra la coppia di riluttanza.Prius è utilizzata in questa struttura.
L’ultimo tipo di motore eccitato da corrente è apparso solo di recente nei veicoli elettrici.Entrambi i motori sopra menzionati sono brushless.La saggezza convenzionale ritiene che i motori brushless siano l’unica opzione praticabile per i veicoli elettrici.E la BMW è recentemente andata contro la norma e ha installato motori sincroni AC con eccitazione a corrente spazzolata sui nuovi modelli i4 e iX.
Il rotore di questo tipo di motore interagisce con il campo magnetico rotante dello statore, esattamente come un rotore a magneti permanenti, ma invece di avere magneti permanenti, utilizza sei ampi lobi di rame che utilizzano l'energia di una batteria CC per creare il campo elettromagnetico necessario .
Ciò richiede l'installazione di anelli collettori e spazzole elastiche sull'albero del rotore, quindi alcune persone temono che le spazzole si usurino e accumulino polvere e abbandonano questo metodo.Sebbene il gruppo spazzole sia racchiuso in un involucro separato con una copertura rimovibile, resta da vedere se l'usura delle spazzole sia un problema.
L’assenza di magneti permanenti evita l’aumento del costo delle terre rare e l’impatto ambientale dell’attività mineraria.Questa soluzione permette inoltre di variare l'intensità del campo magnetico del rotore, consentendo così un'ulteriore ottimizzazione.Tuttavia, alimentare il rotore consuma comunque una certa potenza, il che rende questi motori meno efficienti, soprattutto a basse velocità, dove l’energia richiesta per creare il campo magnetico rappresenta una percentuale maggiore del consumo totale.
Nella breve storia dei veicoli elettrici, i motori sincroni AC eccitati da corrente sono relativamente nuovi, e c'è ancora molto spazio per lo sviluppo di nuove idee, e ci sono stati importanti punti di svolta, come il passaggio di Tesla dai concetti di motore a induzione a quelli permanenti. motore sincrono a magneti.E siamo passati da meno di un decennio all'era dei moderni veicoli elettrici e siamo appena all'inizio.
Orario di pubblicazione: 21 gennaio 2023