Auto elettriche, coppia massima a zero giri al minuto!
Già. Non ci siamo abituati, i motori a combustione interna, siano essi Diesel o benzina, siano alimentati a GPL o Metano, siano essi turbocompressi o aspirati, hanno bisogno prima di tutto di un regime minimo di rotazione per poter funzionare, inoltre, nella totalità dei casi, il regime di coppia massima è sempre superiore al regime di minimo. I motori più sportivi possono avere la coppia massima anche a regimi elevati, anche a 5000 giri al minuto per intenderci, i motori più “elastici” possono avere coppia a regimi anche inferiori ai 1500 giri al minuto, ad esempio molti turbodiesel o motori turbo benzina con turbocompressore twin-scroll.
Il motore elettrico, per via della sua architettura e del suo funzionamento, non ha bisogno di disporre di un regime minimo di rotazione, inoltre, può erogare la massima coppia anche a zero giri, praticamente da fermo! Sembra strano vero? Eppure è cosi, per capirlo dobbiamo sapere come funziona un motore elettrico per autotrazione, che per certi versi non è molto diverso da un motore per modellini RC elettrici.
L'elettromagnete
Il motore elettrico è costruito in maniera tale da poter creare infinite rivoluzioni di quanto avviene in un normale elettromagnete. Un elettromagnete è un avvolgimento realizzato con un conduttore (generalmente rame quasi puro) che quando viene fatto attraversare da corrente elettrica genera un campo magnetico. Questo campo magnetico può essere utilizzato per attirare o respingere un magnete o un secondo avvolgimento eccitato da corrente elettrica. La forza che il sistema genera, in un motore elettrico a rotazione, è rappresentata dalla coppia motrice (o momento torcente).
Il motore elettrico come abbiamo detto, è costruito in modo tale da poter ricreare (ruotando) infinite volte lo stesso fenomeno che è in grado di generare un elettromagnete lineare, il quale però ha un inizio di corsa ed una fine di corsa. Il motore elettrico ruota cambiando continuamente le fasi con le quali sono alimentati i vari avvolgimenti conduttori generando appunto coppia motrice. I motori più semplici, ad esempio quelli impiegati in giocattoli o in modellini RC elettrici, funzionano in corrente continua e necessitano al loro interno di un collettore con almeno 3 settori e relative spazzole che forniscono corrente elettrica agli avvolgimenti. Di solito questi motori utilizzano magneti permanenti sullo statore, mentre i collettore ha la funzione di selezionare quali avvolgimenti devono essere alimentati durante la rotazione del motore. Questi motori possono essere molto potenti ma hanno alcune controindicazioni, ad esempio (ma non solo) la scarsa durata delle spazzole che strisciano sul collettore, e la generazione di forti disturbi elettromagnetici durante la commutazione delle spazzole stesse sul collettore.
Motori elettrici brushless
Sulle auto elettriche si preferisce utilizzare dei più raffinati motori brushless, che però richiedono complesse elettroniche di comando chiamate inverter. Il motore brushless non ha spazzole e di solito utilizza un rotore composto da magnete permanente che reagisce (ruotando) ai campi magnetici indotti dai 3 gruppi di avvolgimenti posti sullo statore. Per generare il movimento, i 3 gruppi devono essere alimentati con una tensione sinusoidale trifase, compito affidato all'inverter.
L'inverter per motori elettrici impiegati nelle auto
L'inverter è un complesso circuito elettronico composto da una parte logica, ovvero da un microprocessore che sovrintente al funzionamento di tutto l'apparato e che genera i segnali in PWM che creano delle alimentazioni sinusoidali (dove in realtà la forma sinusoidale non è data dall'andamento della tensione – che è sempre la stessa – ma dal tempo attraverso una continua variazione del duty-cycle), da uno stadio driver e da finali di potenza. I driver sono dei circuiti elettrici che fungono da interfaccia tra i segnali digitali provenienti dalla parte logica (la quale è collegata ovviamente anche al pedale acceleratore) e lo stadio di potenza realizzato con semiconduttori a stato solido, ad esempio Mosfet, Hexfet o IGBT. La logica di controllo genera una tensione di alimentazione trifase con andamento sinusoidale (frequenza legata direttamente ai giri del motore elettrico) dosando la coppia motrice attraverso la variazione del già citato duty-cycle. Il duty-cycle rappresenta la percentuale di ON e di OFF in ogni unità di tempo. Quando la richiesta di coppia/potenza è pari a zero, il valore del duty-cycle è dello 0%, viceversa, il suo valore medio durante la generazione (simulazione) di onda sinusoidale di alimentazione motore, toccherà i suoi valori massimi.
L'inverter è alimentato dalla linea di alimentazione fornita dalle batterie (linea denominata BUS) ed ha in uscita 3 grossi cavi elettrici diretti verso il motore. Le tre linee, che possono essere paragonate alle 3 fasi R S T di una normale linea industriale a 400V, sono connesse a vari gruppi di avvolgimenti interni al motore (minimo 3 avvolgimenti) che generano la forza motrice con andamento rotatorio. Il motore brushless è di tipo sincrono, quindi la sua velocità di rotazione è strettamente legata alla velocità di rotazione delle 3 fasi di alimentazione. Questo tipo di motore, come recita il titolo di questo articolo, può generare la coppia massima anche a regime pari a zero, ovvero da fermo. Significa che premendo a fondo il pedale acceleratore dell'auto (salvo limitazioni imposte da software di gestione del veicolo) il motore può fornire la massima spinta già nei primi centimetri di avanzamento. Ovviamente, questo si traduce in scatti con partenza da fermo molto (molto) efficaci, in quanto non è necessario attendere che il motore raggiunga il regime di coppia massima, e, tantomeno, non esiste alcun turbo-lag nella erogazione. A qualunque regime ed anche da fermo, il motore elettrico può erogare istantaneamente la coppia massima.
In questo articolo abbiamo introdotto il funzionamento di un normale motore elettrico in corrente continua e fatto distinzione tra un motore a spazzole ed uno di tipo brushless come quelli impiegati in campo automotive. Abbiamo anche accennato molto velocemente al funzionamento di un inverter (chi scrive ha lavorato anche alla progettazione “da zero” di sistemi inverter per motori elettrici) parlando della parte logica, della parte di interfacciamento e dei finali di potenza. Se vuoi approfondire la conoscenza dei motori elettrici con particolare riferimento a quelli per trazione, continua a seguirci, parleremo ancora di questi argomenti toccando altri punti legati alle prestazioni, alla autonomia e tanto altro ancora...
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