Il motore a combustione interna, presente da sempre nelle auto tradizionali come elemento principale di trazione, è destinato a scomparire per lasciare spazio a nuove soluzioni che vedono motore elettrico e batterie al centro della scena. Questo sarà possibile grazie allo sviluppo della tecnologia delle batterie che consente la realizzazione di sistemi in grado di fornire energia per una autonomia ragionevole a costi sempre più bassi.
Motore Elettrico: Cos'è e Come Funziona
Insieme alle batterie, il motore elettrico costituisce il sistema che converte l’energia elettrica in energia meccanica per il movimento. Potremmo sicuramente affermare che rappresenta il cuore del veicolo o dell’auto elettrica. Ci sono però diverse tipologie di motori elettrici che possono essere utilizzati allo scopo.
Sintetizzando, il motore ideale per le applicazioni di trazione deve possedere ottime caratteristiche quali coppia elevata all’avviamento, una elevata densità di potenza e una buona efficienza energetica. Le diverse tipologie di motori offrono, in misura diversa, queste caratteristiche, basandosi su specifiche tecnologie.
Come deve essere quindi il motore?- essere in grado di sviluppare una coppia significativa partendo da velocità nulla;
- assicurare potenze di picco significative per avere prestazioni comparabili alle auto tradizionali;
- avere un sistema di pilotaggio e di controllo motore elettrico il più semplice possibile;
- essere leggero e compatto;
- costare relativamente poco;
- avere un’alta efficienza ai massimi livelli;
- fungere da generatore durante il rallentamento del veicolo.
Motore e Powertrain: Significato
Nelle applicazioni automotive e transportation, un motore, per funzionare, ha bisogno di una serie di componenti che producono e trasferiscono la potenza al mezzo in cui si muove il veicolo stesso (la strada, ad esempio, ma anche l’aria o l’acqua).
Tipologie di Motori Elettrici
Esistono diverse tipologie di motori elettrici, tra cui:
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- Motore a corrente continua (DC motor);
- Motore a corrente continua senza spazzole (DC o BLDC motor);
- Motore sincrono a magneti permanenti (Permanent Magnet Synchronous Motor o PMSM);
- Motore a induzione trifase - motore elettrico trifase;
- Motore a riluttanze commutate (Switched Reluctance Motors o SRM).
Motori in Corrente Continua (DC)
I motori in corrente continua vanno citati in questa sequenza essendo stati i primi motori a essere ampiamente usati in applicazioni di trazione nella prima parte del secolo scorso. Offrivano, e offrono ancora, concreti aspetti positivi: coppia elevata all’avviamento, capacità di supportare aumenti repentini del carico, facile controllo della velocità, semplicità costruttiva e costi contenuti.
Ma ha un grosso inconveniente: la necessità di contatti elettrici, le spazzole, su una parte rotante per rendere possibile la commutazione della polarità sugli avvolgimenti del rotore. Per questo motivo vengono spesso citati come motori a spazzole o “brushed motor”. Questo aspetto li rende bisognosi di manutenzione costante, a causa del consumo delle spazzole normalmente realizzate in carbone, e la cosa li ha messi praticamente fuori mercato per queste tipologie di applicazione.
Motori in Continua Brushless (Senza Spazzole)
Sono chiamati “brushless” perché sono senza spazzole e per questo motivo non soffrono dell’inconveniente necessità di manutenzione di cui soffrono i motori a spazzole. Hanno caratteristiche simili a quelli in DC: un’ottima coppia all’avviamento, una elevata efficienza energetica, fino al 95/98%, e possono essere progettati per raggiungere una densità di potenza particolarmente elevata (kW/dm3) consentendo di avere, a parità di potenza sviluppata, dimensioni particolarmente compatte.
Per queste caratteristiche sono tra i tipi di motore preferiti nelle applicazioni, e-bike e due-ruote di media potenza, dove il fattore compattezza è fondamentale.
Nei motori a spazzole sono queste ultime che portano la corrente agli avvolgimenti posti sul rotore passando attraverso il commutatore che svolge la funzione di dirigerla in modo opportuno. Nei motori BLDC gli avvolgimenti non sono sul rotore ma sullo statore, la parte fissa, mentre è il rotore che contiene i magneti permanenti.
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Poiché gli avvolgimenti sono fissi non è necessaria la combinazione spazzole-commutatore rotante.
Nei motori a spazzole la rotazione è ottenuta controllando il campo magnetico generato dagli avvolgimenti che compongono il rotore mentre il campo magnetico che viene generato dai magneti che compongono lo statore è fisso.
Per cambiare la velocità di rotazione basta cambiare la tensione ovvero la corrente negli avvolgimenti e, di conseguenza l’intensità del campo magnetico generato nel rotore.
Come Funziona un Motore Brushless BLDC
Nei motori BLDC sono i magneti permanenti a muoversi e la rotazione è ottenuta facendo muovere il campo magnetico generato dagli avvolgimenti fissi dello statore.
Nella sequenza riportata il campo magnetico compie una rotazione completa trascinando la struttura a magneti permanenti del rotore a inseguirlo. E’ ovvio che ognuna delle fasi mostrata deve svilupparsi in una posizione ben precisa del rotore al fine di sviluppare il massimo della coppia. A questo scopo serve un segnale che indichi, al circuito di pilotaggio, quale sia la posizione del rotore al fine di attivare la fase corretta. A questa funzione possono essere preposti un sensore di Hall, encoder ottici o unità chiamate “resolver”.
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Tipologie di Motori Brushless BLDC
I motori BLDC, soprattutto nel mondo della trazione, si presentano in due forme: a rotore interno (in-runner) o a rotore esterno (out-runner). Nel primo caso, la realizzazione è esattamente simile alla forma delineata, quindi necessita di un sistema di trasmissione esterno per trasferire la potenza alla ruota e, di conseguenza, occupano più spazio all’interno del veicolo.
A questi si contrappone la versione a rotore esterno (out-runner) dove rotore e statore si scambiano di posizione. Lo statore, con gli avvolgimenti di eccitazione magnetica, sono interni mentre il rotore con i magneti permanenti ruota sulla parte esterna. Questo consente il montaggio della ruota direttamente sul rotore esterno risparmiando la meccanica necessaria per la trasmissione del moto.
Motori Passo-Passo
I motori stepper, o motori passo passo, fanno parte della famiglia dei motori in DC brushless e dominano il segmento della potenza medio piccola, dove è richiesta precisione e replicabilità degli spostamenti, sono inoltre di uso semplice e molto diffusi tra i maker.
Sono disponibili in un ampio ventaglio di risoluzione angolare: dal più grossolano che ruota di 90° per ogni passo fino ai motori a magneti permanenti ad alta risoluzione comunemente in grado di passi di 1,8°, ovvero una risoluzione di 200 passi per giro, e perfino di 0,72° (risoluzione di 500 passi).
Spostando in sequenza l’energizzazione dei diversi avvolgimenti si può creare un campo magnetico rotante che trascina il rotore.
In figura 2 sono invece rappresentati i metodi più comuni di collegare i diversi avvolgimenti verso l’esterno. Il “4 fili” è definito bipolare poiché, per poter cambiare la direzione del campo magnetico, è necessario pilotare gli avvolgimenti invertendone la polarità applicata.
Nella configurazione a “6 fili”, la più diffusa, il punto di connessione tra le due metà dell’avvolgimento che stanno sulla coppia di poli contrapposti, è resa disponibile ed indicata in figura 2 con V+. In questo caso l’inversione del campo magnetico la si ottiene collegando alternativamente a ground l’uno o l’altro degli estremi dell’avvolgimento. In figura 6B si vede come la struttura di pilotaggio sia meno complessa ma solamente nel caso di realizzazione a componenti discreti. La maggior parte dei driver integrati offrono già come stadio di uscita la configurazione a ponte delineata in figura 6A.
Va notato inoltre che il numero di spire che viene percorso dalla corrente è, nel caso di configurazione unipolare, la metà rispetto alla configurazione bipolare. L’intensità della forza di attrazione sul rotore è ovviamente proporzionale al valore del campo magnetico generato. Quest’ultimo è proporzionale oltre che alla corrente anche al numero di spire che compongono l’avvolgimento.
Modalità di Pilotaggio
Esistono diverse modalità di pilotaggio per i motori passo-passo:
- “1 fase ON”: In questo tipo di pilotaggio viene attivata, in sequenza, una sola fase per volta. Quando è energizzata la fase A il rotore è portato ad allinearsi con questa. Spenta la fase A si attiva la fase B ed il rotore esegue, come mostra la figura 4 nel passaggio al passo 2, una rotazione di 90°. Sono quindi necessari 4 passi per compiere un giro completo. Questo equivarrebbe ad una rotazione di 1,8° nel caso di un motore passo passo con una risoluzione di 200 passi/giro (1.8 = (360°/50)/4).
- “2 fasi ON” (o a passo intero, full step): Si hanno sempre due fasi (adiacenti) attive come mostrato in figura 5. In presenza di due fasi attive contemporaneamente si ha che il rotore è soggetto a due forze di attrazione. La somma di questi due vettori genera una risultante a 45° con un valore Ö2 =1.41 volte il campo magnetico generato da una singola fase. Anche con questo pilotaggio l’angolo di passo è di 90°, come nel caso “1 fase ON”, ma con una coppia superiore del 41%. Questo però comporta anche una potenza dissipata doppia, essendo i due avvolgimenti attivati contemporaneamente. Questo può causare un surriscaldamento del motore se non opportunamente utilizzato.
- Mezzo passo (o fasi 1-2 ON, Half Step): In questo caso si combinano i due metodi precedenti attivando in sequenza prima una fase singolarmente e poi due fasi contemporaneamente.
Micropasso (Microstepping)
Il micropasso è una tecnica che consente di suddividere ogni passo in micro-passi più piccoli, permettendo di posizionare il rotore ad un particolare angolo. Quando la fase A è al Massimo della potenza e la fase B è a zero il rotore si allinea con la fase A. Al diminuire della corrente nella fase A ed al contemporaneo aumento di quella nella fase B il rotore sposterà il suo posizionamento muovendosi vero la fase B fino ad allinearvisi quando raggiunge il massimo della corrente mentre la fase A ha raggiunto lo zero.
Un numero infinito di µpassi trasforma il motore stepper in un motore sincrono a magneti permanenti alimentato in AC con la velocità di rotazione dipendente dalla frequenza dell’alimentatore AC.
Motori Can-Stack
La struttura meccanica più utilizzata per questo tipo di motori, denominata ‘can stack’, vede la realizzazione dello statore nella forma delineata in figura 9. Il motore in questa figura ha solamente due avvolgimenti e presenta 20 poli in ognuna delle due fasi. Un polo ogni 360°/20 = 18° che rappresenta l’angolo di passo. Ogni avvolgimento di fase è contornato da una armatura in acciaio dolce a forma di ciambella - la porzione azzurra di figura 9 - che, sull’anello interno, presenta 20 poli di statore (vedi figura) con la stessa direzione dell’asse del motore.
Principio di Funzionamento Generale
Le forze elettromagnetiche che lo statore esercita sul rotore creano una coppia motrice che agisce in un piano normale all’asse di rotazione. Il principio di funzionamento del motore si basa sul fenomeno dell’induzione elettromagnetica. Nei motori la spira è vincolata al centro, e quindi ai suoi estremi si originano due forze. Queste forze costituiscono una coppia (detta coppia motrice Cm) che mette in rotazione la spira.
Classificazione dei Motori
Una prima distinzione in base alla frequenza della tensione di alimentazione separa i motori in corrente continua (CC) da quelli a corrente alternata (CA). Tuttavia, una classificazione più specifica terrebbe conto anche della relazione tra la velocità di rotazione dell'asse del motore e la frequenza della tensione di alimentazione, nonché del numero di fasi dell’alimentazione, aggiungendo all’elenco diverse altre voci.
Corrente Alternata (CA): Asincroni e Sincroni
I motori a corrente alternata sono alimentati da rete c.a. e si distinguono principalmente in asincroni (a induzione) e sincroni. Sono composti da statore e rotore; nei motori asincroni il rotore può essere del tipo a gabbia. Come per i motori a corrente continua, sono composti da una parte fissa detta statore e un’armatura metallica rotante, il rotore, e due avvolgimenti elettrici.
La linea a corrente alternata alimenta l’avvolgimento presente sullo statore con una tensione che può arrivare a diverse migliaia di volt. Il funzionamento di questo tipo di motore si basa sulle correnti indotte per azione di un campo magnetico variabile: la corrente alternata nell’avvolgimento di statore genera un campo magnetico alternato che induce una corrente nel rotore.
La coppia di rotazione dovuta all'interazione tra il campo magnetico dello statore e le correnti indotte del rotore determina l’avviamento e quindi la rotazione del rotore. I motori in corrente alternata sono utilizzati maggiormente nei macchinari industriali (motori elettrici per lavatrici industriali e per macchine da cucire industriali, ad esempio) e negli elettrodomestici.
Corrente Continua (CC): Brushed e Brushless (BLDC/PMSM)
Nei brushed c.c. il campo magnetico generato è costante, per cui affinché si generi una coppia di rotazione è necessario che il rotore sia costruito in modo da avere un determinato angolo rispetto alle linee di forza del campo magnetico costante.
Per questo tipo di motore elettrico la distinzione principale è tra motore a spazzole (o brushed) e motore senza spazzole (o brushless). Nel motore a spazzole gli avvolgimenti sono sul rotore collegato a un collettore a lamelle in rame; spazzole in grafite realizzano la commutazione.
I campi di applicazione dei motori CC a spazzole o brushed spaziano dal settore automobilistico, ai dispositivi medicali, ai negozi di vendita automatica e ai sistemi di videosorveglianza. Nei BLDC il principio di funzionamento è lo stesso dei motori brushed, ma gli avvolgimenti alimentati si trovano sullo statore, mentre sul rotore sono fissati i magneti permanenti.
Nei brushless l’assenza di contatti striscianti riduce usura e interventi di manutenzione; robustezza, affidabilità e durata dipendono dal progetto e dall’applicazione. I motori elettrici in corrente continua brushless vengono usati in tutte quelle applicazioni che necessitano di movimenti precisi e veloci.
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