Perché i motori sincroni a magneti permanenti sono diventati i principali motori di azionamento?
Il motore elettrico converte l'energia elettrica in energia meccanica e trasferisce quest'ultima alle ruote attraverso il sistema di trasmissione per azionare il veicolo. Rappresenta uno dei sistemi di propulsione fondamentali dei veicoli a energia alternativa. Attualmente, i motori più comunemente utilizzati nei veicoli a energia alternativa sono principalmente i motori sincroni a magneti permanenti e i motori asincroni a corrente alternata. La maggior parte dei veicoli a energia alternativa utilizza motori sincroni a magneti permanenti. Tra le case automobilistiche più rappresentative si annoverano BYD, Li Auto, ecc. Alcuni veicoli utilizzano motori asincroni a corrente alternata. I motori elettrici sono impiegati da case automobilistiche come Tesla e Mercedes-Benz.
Un motore asincrono è composto principalmente da uno statore fisso e un rotore rotante. Quando l'avvolgimento dello statore è collegato all'alimentazione CA, il rotore ruota e genera energia. Il principio di funzionamento si basa sul fatto che, quando l'avvolgimento dello statore viene alimentato (con corrente alternata), si forma un campo elettromagnetico rotante. L'avvolgimento del rotore, essendo un conduttore chiuso, attraversa continuamente le linee di induzione magnetica dello statore, generate dal campo magnetico rotante. Secondo la legge di Faraday, quando un conduttore chiuso attraversa una linea di induzione magnetica, si genera una corrente, che a sua volta genera un campo elettromagnetico. In questo caso, si formano due campi elettromagnetici: uno è il campo elettromagnetico dello statore, alimentato dalla corrente alternata esterna, e l'altro è il campo elettromagnetico del rotore, generato dall'attraversamento delle linee di induzione magnetica dello statore. Secondo la legge di Lenz, la corrente indotta si opporrà sempre alla sua causa, ovvero cercherà di impedire ai conduttori del rotore di attraversare le linee di induzione magnetica del campo magnetico rotante dello statore. Il risultato è che i conduttori sul rotore "raggiungeranno" quelli dello statore. Il campo elettromagnetico rotante fa sì che il rotore insegua il campo magnetico rotante dello statore e, infine, il motore inizi a ruotare. Durante questo processo, la velocità di rotazione del rotore (n2) e la velocità di rotazione dello statore (n1) non sono sincronizzate (la differenza di velocità è di circa il 2-6%). Pertanto, si parla di motore a corrente alternata asincrono. Al contrario, se la velocità di rotazione è la stessa, si parla di motore sincrono.
Il motore sincrono a magneti permanenti è un tipo di motore a corrente alternata. Il suo rotore è realizzato in acciaio con magneti permanenti. Quando il motore è in funzione, lo statore viene alimentato per generare un campo magnetico rotante che spinge il rotore a ruotare. La "sincronizzazione" significa che la velocità di rotazione del rotore durante il funzionamento a regime è sincronizzata con la velocità di rotazione del campo magnetico. I motori sincroni a magneti permanenti hanno un rapporto potenza/peso più elevato, sono più piccoli, più leggeri, hanno una coppia di uscita maggiore e offrono eccellenti prestazioni di velocità limite e frenata. Pertanto, i motori sincroni a magneti permanenti sono diventati i motori elettrici più diffusi nei veicoli elettrici odierni. Tuttavia, quando il materiale dei magneti permanenti è sottoposto a vibrazioni, alte temperature e sovracorrente, la sua permeabilità magnetica può diminuire o può verificarsi smagnetizzazione, il che può ridurre le prestazioni del motore a magneti permanenti. Inoltre, i motori sincroni a magneti permanenti a terre rare utilizzano materiali a base di terre rare e il costo di produzione non è stabile.
Rispetto ai motori sincroni a magneti permanenti, i motori asincroni necessitano di assorbire energia elettrica per l'eccitazione durante il funzionamento, il che comporta un consumo di energia elettrica e una riduzione dell'efficienza del motore. I motori a magneti permanenti sono più costosi a causa dell'aggiunta di magneti permanenti.
I modelli che scelgono motori asincroni a corrente alternata tendono a dare priorità alle prestazioni e a sfruttare i vantaggi in termini di potenza ed efficienza dei motori asincroni a corrente alternata alle alte velocità. Un modello rappresentativo è la prima Model S. Caratteristiche principali: quando l'auto viaggia ad alta velocità, è in grado di mantenere un funzionamento ad alta velocità e un utilizzo efficiente dell'energia elettrica, riducendo il consumo energetico pur mantenendo la massima potenza erogata;
I modelli che scelgono motori sincroni a magneti permanenti tendono a privilegiare il consumo energetico e a sfruttare le prestazioni e l'efficienza operativa di questi motori a basse velocità, risultando adatti ad auto di piccole e medie dimensioni. Le loro caratteristiche principali sono le dimensioni ridotte, il peso contenuto e la lunga durata della batteria. Allo stesso tempo, offrono una buona regolazione della velocità e mantengono un'elevata efficienza anche in presenza di ripetuti avviamenti, arresti, accelerazioni e decelerazioni.
I motori sincroni a magneti permanenti sono predominanti. Secondo le statistiche del "Database mensile della filiera dei veicoli a nuova energia" pubblicato dall'Istituto di ricerca industriale avanzata (GGII), la capacità installata a livello nazionale di motori per veicoli a nuova energia da gennaio ad agosto 2022 è stata di circa 3,478 milioni di unità, con un incremento del 101% rispetto all'anno precedente. Di queste, la capacità installata di motori sincroni a magneti permanenti è stata di 3,329 milioni di unità, con un incremento del 106% rispetto all'anno precedente; la capacità installata di motori asincroni a corrente alternata è stata di 1,295 milioni di unità, con un incremento del 22% rispetto all'anno precedente.
I motori sincroni a magneti permanenti sono diventati i principali motori di trazione nel mercato delle auto elettriche per il trasporto passeggeri.
A giudicare dalla scelta dei motori per i modelli di punta sia in Cina che all'estero, i veicoli a energia alternativa lanciati da case automobilistiche cinesi come SAIC Motor, Geely Automobile, Guangzhou Automobile, BAIC Motor, Denza Motors, ecc., utilizzano tutti motori sincroni a magneti permanenti. I motori sincroni a magneti permanenti sono utilizzati principalmente in Cina. In primo luogo, perché offrono buone prestazioni a bassa velocità e un'elevata efficienza di conversione, caratteristiche che li rendono particolarmente adatti alle complesse condizioni di lavoro con frequenti avviamenti e arresti nel traffico urbano. In secondo luogo, perché i magneti permanenti al neodimio-ferro-boro (NdFeB) utilizzati nei motori sincroni a magneti permanenti richiedono l'impiego di terre rare. La Cina possiede il 70% delle risorse mondiali di terre rare e la sua produzione totale di materiali magnetici NdFeB rappresenta l'80% della produzione mondiale; per questo motivo, la Cina è particolarmente interessata all'utilizzo di motori sincroni a magneti permanenti.
Le case automobilistiche straniere Tesla e BMW utilizzano motori sincroni a magneti permanenti e motori asincroni a corrente alternata per lo sviluppo congiunto. Dal punto di vista della struttura applicativa, il motore sincrono a magneti permanenti rappresenta la scelta principale per i veicoli a energia alternativa.
Il costo dei materiali per magneti permanenti rappresenta circa il 30% del costo dei motori sincroni a magneti permanenti. Le materie prime utilizzate per la produzione di motori sincroni a magneti permanenti includono principalmente neodimio-ferro-boro, lamierini di acciaio al silicio, rame e alluminio. Tra questi, il neodimio-ferro-boro, materiale per magneti permanenti, è utilizzato principalmente per la realizzazione dei magneti permanenti del rotore, rappresentando circa il 30% del costo; i lamierini di acciaio al silicio sono utilizzati principalmente per la realizzazione di componenti personalizzati; il nucleo del rotore rappresenta circa il 20% del costo; l'avvolgimento dello statore circa il 15%; l'albero motore circa il 5%; e l'involucro del motore circa il 15%.
Perché sonoCompressore d'aria a vite con motori a magneti permanenti OSGpiù efficiente?
Il motore sincrono a magneti permanenti è composto principalmente da statore, rotore e involucro. Come nei normali motori a corrente alternata, il nucleo dello statore ha una struttura laminata per ridurre le perdite nel ferro dovute alle correnti parassite e all'isteresi durante il funzionamento del motore; anche gli avvolgimenti sono generalmente trifase simmetrici, ma la selezione dei parametri è piuttosto diversa. La parte del rotore può avere diverse forme, tra cui un rotore a magneti permanenti con gabbia di scoiattolo di avviamento e un rotore a magneti permanenti puro, incorporato o montato in superficie. Il nucleo del rotore può essere realizzato in una struttura solida o laminata. Il rotore è dotato di materiale magnetico permanente, comunemente chiamato magnete.
Durante il normale funzionamento del motore a magneti permanenti, i campi magnetici del rotore e dello statore sono sincroni. Non vi è corrente indotta nella parte del rotore e non si verificano perdite per effetto Joule, isteresi o correnti parassite. Non è quindi necessario considerare i problemi di perdite e riscaldamento del rotore. Generalmente, il motore a magneti permanenti è alimentato da un apposito convertitore di frequenza e possiede naturalmente una funzione di avviamento graduale. Inoltre, essendo un motore sincrono, il motore a magneti permanenti ha la caratteristica di poter regolare il fattore di potenza attraverso l'intensità dell'eccitazione, consentendo quindi di impostare il fattore di potenza a un valore specifico.
Dal punto di vista dell'avviamento, poiché il motore a magneti permanenti viene avviato da un alimentatore a frequenza variabile o da un inverter di supporto, il processo di avviamento del motore a magneti permanenti è molto semplice; è simile all'avviamento di un motore a frequenza variabile e evita i difetti di avviamento dei normali motori asincroni a gabbia.
In sintesi, l'efficienza e il fattore di potenza dei motori a magneti permanenti possono raggiungere livelli molto elevati, la struttura è molto semplice e il mercato è stato in forte espansione negli ultimi dieci anni.
Tuttavia, la perdita di eccitazione è un problema inevitabile nei motori a magneti permanenti. Quando la corrente è troppo elevata o la temperatura è troppo alta, la temperatura degli avvolgimenti del motore aumenta istantaneamente, la corrente cresce bruscamente e i magneti permanenti perdono rapidamente l'eccitazione. Nel sistema di controllo dei motori a magneti permanenti, viene installato un dispositivo di protezione da sovracorrente per evitare il surriscaldamento dell'avvolgimento dello statore, ma la conseguente perdita di eccitazione e l'arresto dell'apparecchiatura sono inevitabili.
Data di pubblicazione: 12 dicembre 2023
