I motori elettrici: una dettagliata analisi dei dispositivi alla base del movimento dei veicoli elettrici

A causa dello sviluppo delle auto elettriche a batteria, anche il volume della loro produzione è aumentato notevolmente. Tuttavia, non si può dire lo stesso per il design del motore stesso, il quale è rimasto sostanzialmente invariato per molti anni. Benché occasionalmente si possano incontrare alcune innovazioni, l’essenza della struttura non subisce cambiamenti radicali.

Nell’articolo di oggi, presenteremo in dettaglio i dispositivi responsabili del movimento dei veicoli elettrici.

Storia

Gli antenati del motore elettrico possono essere fatti risalire ai semplici dispositivi elettrostatici utilizzati negli esperimenti condotti da Benjamin Franklin e Andrew Gordon negli anni Quaranta del Seicento.

Dato che questi inventori avevano solo una conoscenza rudimentale di come funzionasse l’elettricità, non potevano fare molto con queste macchine. Il primo studio completo sull’argomento dell’elettricità fu fatto solo nel 1771 dal chimico e fisico inglese Henry Cavendish, famoso inventore, membro della Royal Society, che scoprì anche l’idrogeno e determinò la costante di gravità. Fu lui a scoprire le regole, che in seguito furono chiamate leggi di Coulomb, poiché Cavendish non pubblicò il suo lavoro in tempo e fu superato da un collega francese.

Nella rivista Philosophical Transactions, tuttavia, pubblicò il suo modello precedente, secondo il quale l’elettricità doveva essere una specie di liquido. Questo lavoro è stato completamente ignorato dal mondo scientifico moderno, quindi, nonostante ulteriori ricerche, lo scienziato ha interrotto ulteriori pubblicazioni in quest’area.

I principi dell’elettricità furono pubblicati per la prima volta 14 anni dopo, nel 1785, e Charles-Augustin de Coulomb ricevette il dovuto merito.

Tuttavia, ciò non era sufficiente per la creazione dei motori elettrici. La pila elettrochimica di Alessandro Volta nel 1799 permise di generare una corrente costante, e nel 1820 apparve la scoperta di Hans Christian Ørsted, il quale sosteneva che una corrente elettrica crea un campo magnetico agendo su un magnete. Poche settimane dopo, André-Marie Ampère sviluppò una definizione di interazione elettromagnetica e introdusse la legge della forza di Ampère.

Con tutto questo in mente, nel 1821 Michael Faraday ha illustrato il meccanismo d’ azione con un movimento rotatorio. Oltre alla pubblicazione, Faraday ha anche inviato ai suoi colleghi dei modelli in scala ridotta del dispositivo, affinchè in modo che la novità potesse diffondersi il più velocemente possibile.

Dobbiamo un vero motore elettrico perfettamente funzionante al fisico e inventore ungherese Ányos Jedlik. Nel 1827 iniziò a sperimentare con le bobine elettromagnetiche, e inventando il commutatore, eliminò i problemi tecnici iniziali associati alla rotazione continua. Jedlik chiamò questi primi dispositivi ‘rotori semoventi elettromagnetici.

Nel 1828 presentò il primo dispositivo che conteneva già i tre componenti principali del motore elettrico a corrente continua come lo conosciamo oggi: lo statore, il rotore e il collettore. Questo dispositivo non ha un magnete permanente perché il campo magnetico delle parti fisse e rotanti è generato dalla corrente che scorre attraverso le loro bobine.

Classificazione e struttura generale

La classificazione dei motori elettrici può essere molto varia. Uno dei modi più semplici per distinguerli è il tipo di movimento che generano quando sono in funzione. In base a questo principio, ci sono motori che producono un movimento lineare e rotatorio. È possibile affermare che, in linea di massima, tutti i tipi di motori possono essere progettati per produrre sia moto lineare che un movimento rotatorio, solitamente è solo una questione di progettazione.

La classificazione può essere effettuata anche in base al mezzo di trasporto dell’energia dei motori elettrici. Questo mezzo può essere una superficie di attrito, un campo elettrico o un campo elettromagnetico. Pertanto, distinguiamo motori piezoelettrici e ultrasonici, motori elettrici elettrostatici e classici.

Nel XX secolo il motore elettrico era ancora identico al motore elettromagnetico, perché il principio di funzionamento elettrostatico non poteva essere efficacemente applicato al livello tecnologico dell’epoca: il dispositivo era utilizzato più come strumento che come convertitore di energia.

Negli ultimi anni, però, anche quest’area è entrata in una fase di sviluppo; attualmente esiste un motore elettrostatico sperimentale con una potenza di 100 kW, il cui peso è approssimativamente molto inferiore a quello delle sue controparti elettromagnetiche della stessa potenza.

I motori piezoelettrici o ultrasonici conquistano alcune nicchie, come lo spostamento degli elementi ottici delle telecamere.

I motori dei veicoli stradali sono spesso motori rotativi elettromagnetici. Questi includono percorsi del getto assiale e radiale, quest’ultimo essendo più comune.

L’industria automobilistica preferisce i motori CA monofase e trifase di tipo radiale, sia in versione sincrona che asincrona. Inoltre, ci sono motori DC con eccitazione serie, parallela e mista, motori brushless DC e AC e motori passo-passo, ma queste sono ancora solo una manciata di versioni base.

È difficile dare una descrizione generale delle parti del motore elettrico, perché sono molto diverse dal punto di vista costruttivo, quindi ci limitiamo a un riepilogo delle soluzioni utilizzate nell’industria automobilistica.

I motori di presa elettromagnetici sono caratterizzati dal fatto di essere costituiti da una parte fissa e una rotante. Quest’ultimo è responsabile della trasmissione dell’energia prodotta dal motore, che viene esercitata dal campo magnetico dello statore.

La rotazione stessa può essere realizzata grazie al traferro tra lo statore e il rotore. La dimensione del traferro ha un’influenza decisiva sui parametri elettrici del motore. All’aumentare della sua dimensione, l’efficienza del motore diminuisce, quindi durante la progettazione è consigliabile scegliere la dimensione più piccola possibile. Tuttavia, questo compito non è facile, perché un traferro troppo piccolo può generare molto rumore e un contatto meccanico indesiderato all’interno del motore, che può portare alla rapida distruzione del motore.

Lo statore circonda il rotore. Contiene elettromagneti o magneti permanenti costituiti da fili attorno a un nucleo di ferro ferromagnetico che creano un campo magnetico attorno al rotore: questo crea la rotazione.

Il commutatore è responsabile dell’eliminazione dei problemi elettrici derivanti dal movimento rotatorio. È essenzialmente un interruttore elettrico che fornisce corrente al rotore e inverte la direzione della corrente nelle bobine del rotore mentre ruotano.

La rotazione è naturalmente assistita poiché la rotazione può essere molto veloce a seconda dell’applicazione. Ciò consente al rotore di ruotare attorno al proprio asse. Il cuscinetto in genere assorbe forze sia assiali che radiali.