IDTechEx discute 4 modi per eliminare le terre rare nei motori EV e uno che non hai mai sentito

BOSTON, 14 agosto 2023 /PRNewswire/ -- L'uso delle terre rare in varie tecnologie moderne ha attirato l'attenzione nel corso degli anni. Ma con la crescente domanda di veicoli elettrici (EV), la questione è tornata alla ribalta. Nel 2022, l’82% del mercato delle auto elettriche utilizzava motori elettrici basati su magneti permanenti di terre rare. La Cina controlla in gran parte la fornitura di terre rare e ciò ha portato a una significativa volatilità dei prezzi negli anni precedenti, con un forte picco nel 2011/2012 e un forte aumento tra il 2021 e il 2022. Fondamentalmente, rispetto ad altre tecnologie, è possibile utilizzare diversi metodi per eliminare l’uso delle terre rare nei motori elettrici, che verranno descritti in questo articolo insieme ai pro, ai contro e all’adozione.

Questo articolo si basa sull'ultimo rapporto "Electric Motors for Electric Vehicles 2024-2034" di IDTechEx che analizza diverse tecnologie motoristiche per prestazioni, materiali, adozione sul mercato e potenziale futuro.

Per descrivere brevemente la costruzione di un motore elettrico, una parte stazionaria (statore) è dotata di bobine di metallo (tipicamente rame) alimentate da una corrente elettrica per generare un campo magnetico. Questo campo farà quindi girare la parte rotante del motore (rotore). In un motore a magneti permanenti (PM) di terre rare, i magneti si trovano sul rotore.

1. Il motore a induzione

In un motore a induzione (o motore asincrono), il campo magnetico rotante prodotto dallo statore induce correnti sul rotore, che a sua volta produce un campo magnetico che viene attratto/respinto dal campo radiale degli avvolgimenti dello statore. Il motore a induzione utilizza barre o avvolgimenti in rame o alluminio sul rotore. Questi motori in genere presentano una buona potenza di picco e una buona densità di coppia per brevi periodi, ma possono rivelarsi difficili da gestire termicamente e in genere hanno un'efficienza inferiore rispetto alle opzioni PM.

I motori a induzione sono stati comuni nel mercato dei veicoli elettrici, essendo la scelta principale di Tesla fino al rilascio del Modello 3 (che ha adottato un design PM). Nel mercato automobilistico rimangono alcuni sostenitori, come Audi e Mercedes, ma i motori a induzione sono ora ampiamente utilizzati come motore secondario, utilizzati per aumentare l'accelerazione poiché non creano resistenza quando non sono in uso, eliminando la necessità di un disaccoppiatore.

2. Il motore a rotore avvolto

Conosciuto anche come motore sincrono ad eccitazione esterna (EESM), il motore sincrono a rotore avvolto (WRSM) sostituisce i magneti sul rotore con avvolgimenti della bobina che possono essere alimentati con una corrente continua per generare un campo magnetico. Ciò ha il vantaggio di poter controllare sia il campo dello statore che quello del rotore. Gli svantaggi sono le fasi di produzione aggiuntive necessarie per aggiungere avvolgimenti al rotore e le spazzole sono necessarie per trasmettere potenza al rotore. Storicamente questi motori hanno anche avuto una potenza e una densità di coppia inferiori, ma le versioni moderne sono paragonabili ai motori PM.

Renault è stata una delle prime a proporre questa tecnologia nella Zoe, ma ora BMW e Nissan hanno adottato questo design e MAHLE di livello 1 ha presentato una versione con trasferimento di potenza wireless al rotore, eliminando le spazzole.

3. Il motore a riluttanza commutata

I motori a riluttanza commutata (SRM) sono potenzialmente i più semplici da costruire, poiché il rotore è in gran parte costruito in acciaio. L'acciaio del rotore ha una bassa riluttanza rispetto all'aria circostante, quindi il flusso magnetico viaggia preferenzialmente attraverso l'acciaio mentre tenta di accorciare il suo percorso di flusso, ruotando il rotore. Nonostante la loro semplicità e affidabilità, gli SRM sono stati generalmente afflitti da una potenza e una densità di coppia inferiori e da altri problemi, tra cui l'ondulazione della coppia e il rumore acustico.

Sebbene gli SRM siano stati in gran parte confinati ad applicazioni più industriali o pesanti, si stanno compiendo sforzi significativi per svilupparli per i veicoli elettrici. Aziende come Turntide Technologies hanno aggiunto più poli del rotore e dello statore e hanno ideato sistemi di controllo più sofisticati per superare i problemi tradizionali. Advanced Electric Machines, con sede nel Regno Unito, ha sviluppato un nuovo tipo di motore con un rotore segmentato che rimane semplice nella costruzione ma si dice che elimini il rumore acustico e l'ondulazione di coppia migliorando al contempo la potenza e la densità di coppia; questo disegno è il centro di un progetto insieme a Bentley.