Sommario
Un veicolo elettrico è in grado di mantenere una coppia elevata a basse velocità grazie alla disposizione dei magneti all'interno del rotore. La tecnologia chiave alla base dei moderni veicoli elettrici e dei sistemi di azionamento industriali ad alte prestazioni è il motore a magneti permanenti interni (IPM).
Nell’era dei veicoli a energia alternativa, la tecnologia IPM sta suscitando sempre maggiore interesse tra i progettisti di motori e gli addetti agli acquisti dei sistemi di trazione per veicoli elettrici. Di seguito verranno illustrati il principio di funzionamento dell’IPM e la differenza fondamentale rispetto al motore a magneti permanenti a montaggio superficiale (SPM).
La scelta tra IPM e SPM è una delle decisioni più importanti nella progettazione dei veicoli elettrici, poiché la differenza nella posizione dei magneti determina la coppia erogata dal motore, la curva di efficienza e l'affidabilità alle alte velocità.
I fondamenti dei motori a magneti permanenti: il ruolo dei magneti in terre rare
Il motore a magneti permanenti (PM), in quanto tipo di motore a corrente alternata, genera un campo magnetico grazie ai magneti incorporati o montati sulla superficie del rotore. Nel settore dei veicoli elettrici, il motore sincrono a magneti permanenti (PMSM) è ampiamente utilizzato grazie alla sua elevata densità di coppia e al suo alto rendimento, il che lo rende uno dei tipi più diffusi di motori di azionamento.
I motori sono generalmente dotati di un magnete al neodimio (Nd-Fe-B), definito nel settore “magnete superpotente”. Un magnete al neodimio è in grado di fornire una potenza magnetica significativa anche se di piccole dimensioni, poiché il campo magnetico è concentrato con un’elevata intensità per unità di superficie.
Grazie all’elevata efficienza e all’alta densità di flusso magnetico, l’uso di magneti permanenti consente di ridurre le dimensioni del motore a appena un terzo rispetto ai modelli tradizionali, mantenendo lo stesso livello di prestazioni. Ciò permette di progettare veicoli elettrici più leggeri e riduce il consumo energetico complessivo del veicolo grazie all’elevata efficienza. Inoltre, la durata magnetica dei magneti in terre rare può arrivare a circa 400 anni, garantendo che il motore funzioni con prestazioni stabili per l’intera vita utile.
Oltre ai magneti al neodimio, in alcune applicazioni ad alta temperatura vengono utilizzati anche magneti al samario-cobalto (SmCo). La forza magnetica è leggermente inferiore a quella del neodimio, ma grazie alla resistenza alle alte temperature, questi magneti sono adatti ad applicazioni in cui le temperature di esercizio superano frequentemente i 150 °C. Poiché nell’ambiente operativo dei motori di trazione dei veicoli elettrici la temperatura è soggetta a fluttuazioni, nella scelta dei magneti è necessario tenere conto sia della forza magnetica che delle prestazioni termiche.
IPM e SPM: determinati dalla posizione del magnete
Esistono due tipi di motori a magneti permanenti: IPM e SPM. Entrambi generano un flusso magnetico tramite magneti permanenti, ma la posizione dei magneti è diversa. Nei motori IPM i magneti sono integrati all’interno del rotore, mentre nei motori SPM i magneti sono montati direttamente sulla superficie del rotore. Questa differenza strutturale modifica le caratteristiche prestazionali, le strategie di controllo e il campo di applicazione dei due tipi di motore, rappresentando uno dei criteri di classificazione più significativi nella progettazione dei motori elettrici.
Dal punto di vista della produzione, la struttura del rotore negli SPM è relativamente semplice. Il magnete è incorporato direttamente sulla superficie esterna del rotore; in alcuni modelli sono presenti manicotti di protezione in fibra di carbonio o acciaio inossidabile, che impediscono il distacco del magnete dovuto alla forza centrifuga durante la rotazione ad alta velocità. Il processo di produzione del rotore negli IPM è più complesso. È necessaria la lavorazione meccanica delle scanalature per i magneti all’interno del nucleo, poiché le prestazioni del motore possono essere influenzate dal posizionamento e dalla precisione angolare dei magneti incorporati; questo è uno dei motivi dell’elevato costo di produzione.
Anche le forme dei due modelli di magneti sono diverse. L'SPM utilizza prevalentemente magneti ad anello o ad arco, mentre nell'IPM vengono impiegati magneti rettangolari o parallelepipedi con asole lavorate. Inoltre, alcuni studi dimostrano che l'IPM richiede solo il 66,71% del materiale magnetico utilizzato nell'SPM, il che garantisce un vantaggio in termini di costi a fronte dell'aumento del prezzo delle terre rare.
La trasformazione determinata dai veicoli ibridi ed elettrici
Le prestazioni ad alta velocità rappresentano il principale vantaggio dell’IPM, aspetto fondamentale nel settore delle applicazioni automobilistiche. D’altra parte, la curva potenza-velocità dell’SPM ha andamento iperbolico, il che significa che la potenza aumenta progressivamente fino a raggiungere un plateau costante in un ristretto intervallo di velocità, per poi diminuire. In passato l’SPM era dominante nel mercato dei motori a magneti permanenti, ma la situazione è cambiata di recente. La domanda di IPM è in aumento a causa della diffusione dei veicoli ibridi ed elettrici. Il motore IPM è in grado di mantenere una potenza in uscita costante su un ampio intervallo di velocità ed è quindi adatto ad applicazioni quali motori di trazione e motori ausiliari.
Il vantaggio di un motore IPM risulta più evidente nelle applicazioni automobilistiche, poiché garantisce un migliore controllo dello stato di magnetizzazione del circuito magnetico, con conseguente gamma più ampia e coppia in uscita costante. Pertanto, variando la corrente, è possibile controllare le prestazioni operative dei motori elettrici: si tratta di una tecnologia essenziale nei moderni sistemi di trazione dei veicoli elettrici.
Si prevede che la domanda di mercato degli IPM aumenti nel prossimo decennio, di pari passo con la crescente diffusione dei veicoli elettrici a livello globale. Quasi tutte le piattaforme di veicoli elettrici di nuova generazione dei principali marchi automobilistici utilizzano gli IPM come motore di trazione principale, e si prevede che questa tendenza rafforzi la posizione dominante degli IPM nel settore dei motori di trazione.
Proprietà strutturali dell'SPM
I magneti sono montati sulla superficie del rotore, dove la resistenza meccanica è relativamente bassa. Questa struttura limita la velocità meccanica massima di funzionamento in sicurezza del motore. Inoltre, il valore di induttanza misurato all’estremità del rotore è costante indipendentemente dalla posizione del rotore stesso, il che fa sì che la generazione di coppia da parte degli SPM si basi principalmente sul singolo meccanismo della coppia magnetica.
Nonostante queste limitazioni in termini di prestazioni, l’SPM è stato ampiamente utilizzato in applicazioni che non richiedono un’elevata resistenza meccanica, come gli elettrodomestici e le pompe idrauliche a bassa velocità, poiché la sua produzione è semplice e i costi sono inferiori.
Vantaggi strutturali dell’IPM
La struttura IPM, che prevede l'integrazione dei magneti all'interno del rotore, garantisce prestazioni meccaniche migliori e, di conseguenza, è adatta ad applicazioni ad alta velocità. Questi motori presentano un rapporto di induttanza Lq/Ld relativamente elevato, che costituisce un indicatore chiave per misurare la differenza di riluttanza magnetica lungo i diversi assi del rotore.
Grazie alla sua struttura, l'IPM è in grado di generare coppia sia tramite meccanismi di coppia magnetica che di coppia di riluttanza, il che gli consente di adattarsi alle diverse esigenze dei veicoli elettrici. È quindi possibile mantenere una coppia di uscita ottimale sia durante la guida a basse velocità in città che a velocità elevate in autostrada.
La strategia di controllo della coppia massima per ampere (MTPA) viene solitamente adottata per sfruttare appieno i vantaggi della doppia coppia offerta dall’IPM. Sia la coppia magnetica che quella di riluttanza devono essere mantenute in equilibrio tramite una regolazione dinamica del vettore di corrente, al fine di ottenere un’efficienza ottimale. Pertanto, gli algoritmi di controllo per gli IPM, che richiedono sensori più precisi e una maggiore potenza di calcolo, sono più complessi rispetto a quelli per gli SPM.
Prospettive future dell'IPM e dell'SPM
L'IPM rappresenta la soluzione preferita per applicazioni ad alta velocità, come i motori di trazione, poiché è in grado di fornire una coppia in uscita comparabile utilizzando una minore quantità di materiale magnetico. Oltre alla coppia magnetica, nell’IPM viene utilizzata anche la coppia di riluttanza per generare un’elevata coppia in uscita. La tecnologia di controllo vettoriale viene inoltre applicata nell’IPM per adattarsi alle diverse variazioni della richiesta durante il funzionamento dei motori ad alta velocità.
Nel confronto delle curve di efficienza, l’SPM è in grado di raggiungere un’elevata efficienza a velocità basse e stabili grazie al semplice design del circuito magnetico, mentre l’IPM è in grado di mantenere un’elevata efficienza su un intervallo di velocità più ampio. Pertanto, l’efficienza dell’IPM è maggiore alle alte velocità. Nell’IPM è possibile mantenere un’elevata efficienza su un ampio intervallo di velocità regolando lo stato di magnetizzazione del circuito magnetico. I magneti sono incapsulati all’interno del rotore e non si staccano a causa della forza centrifuga. Pertanto, l’affidabilità meccanica risulta migliorata grazie all’elevata durata della struttura complessiva del rotore. L’IPM consente un risparmio energetico pari a circa 30% rispetto ai modelli tradizionali a parità di potenza erogata, il che rappresenta un vantaggio interessante per l’industria dei veicoli elettrici, che punta sull’autonomia e sull’efficienza energetica.
L'uso della tecnologia di indebolimento del campo dell'IPM alle alte velocità consente di ridurre il campo magnetico effettivo del rotore una volta superata la velocità di base, permettendo al motore di mantenere una potenza di uscita costante su un ampio intervallo di velocità. Di conseguenza, è possibile mantenere un'elevata efficienza dei veicoli elettrici, sia in salita a bassa velocità che in marcia a velocità elevata, ed è per questo che l'IPM è molto diffuso nel settore dei veicoli a nuova energia.
Come scegliere?
Per le applicazioni che non richiedono un ampio intervallo di velocità, o per cui il budget è un fattore determinante, è consigliabile optare per l'SPM, grazie alla sua struttura semplice e al costo inferiore.
Se è richiesta un'elevata efficienza su un ampio intervallo di velocità, in particolare per applicazioni che comportano un funzionamento ad alta velocità e elevate esigenze di coppia, come i motori di trazione per veicoli elettrici o le applicazioni nel settore delle nuove energie, è opportuno prendere in considerazione l'IPM grazie alle sue prestazioni ad alta velocità, alla maggiore densità di coppia e alla migliore affidabilità meccanica.
L'IPM garantisce un certo grado di dissipazione del calore grazie alla struttura di incapsulamento del nucleo, che mantiene il magnete a temperature più basse e impedisce il deterioramento delle prestazioni magnetiche causato dalle alte temperature. Al contrario, negli SPM la dissipazione del calore è insufficiente a causa dell’esposizione diretta dei magneti. Questo è anche il motivo per cui gli IPM sono preferiti per le applicazioni ad alta densità di potenza.
In conclusione, per le applicazioni con requisiti modesti in termini di intervallo di velocità e uniformità della coppia, come gli elettrodomestici e le pompe idrauliche a bassa velocità, la tecnologia SPM è preferibile grazie al vantaggio in termini di costi. Per i motori di trazione o i sistemi di azionamento industriali che operano su un ampio intervallo di velocità, sebbene il costo iniziale dell’utilizzo dell’IPM sia elevato, esso può essere compensato dai guadagni di efficienza a lungo termine e dal ridotto impiego di materiali magnetici.
Prima di prendere una decisione, si consiglia di discutere con il fornitore del materiale magnetico delle esigenze operative, quali la velocità desiderata e i limiti di budget. Ciò consentirà di scegliere l’opzione più adatta, evitando in futuro la necessità di riprogettare il sistema a causa di discrepanze nelle specifiche.
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