Il motore elettrico a flusso assiale? Leggero e super efficiente

Compatto, leggero, ricco di coppia e più efficiente rispetto alle altre soluzioni a batteria. Il motore elettrico a flusso assiale sta prendendo sempre più piede all’interno del fantastico mondo delle super e hypercar.

Sempre più spesso stiamo assistendo alla presentazione di vetture alto prestazionali non alimentate da un motore a benzina,  ma spinte da un moderno propulsore elettrico. Come però c’è differenza tecnica e progettuale tra un motore termico benzina e uno diesel, ci sono non poche differenze tra le diverse tipologie di motori elettrici. Possono essere a induzione, a magneti permanenti, sincrone, asincrone, a flusso radiale e a flusso assiale (leggi anche).

Sono tutte macchine elettriche in grado di convertire in energia meccanica, quindi in movimento, l’energia elettrica immagazzinata nei loro pacchi batteria normalmente agli ioni di litio. Per farlo si avvalgono tutte di invisibili forze elettromagnetiche, ma sfruttano diversi schemi progettali e costruttivi al proprio interno. L’ultima arrivata, la tecnologia del motore elettrico a flusso assiale promette non pochi miglioramenti tanto dal punto di vista della performance quanto dell’efficienza generale.

— Leggi anche/ La trazione anteriore scomparirà con il powertrain elettrico?

Radiale o assiale? Ecco il rafforonto

Le macchine elettriche a flusso assiale, o macchine a disco, sono particolari macchine sincrone di tipo brushless a magneti permanenti. Come suggerisce il nome, presentano delle linee di flusso che si richiudono assialmente anziché radialmente, come invece accade nelle più famose macchine a flusso radiale.

Diversamente dal motore a flusso radiale, utilizzato per esempio dalle Tesla, in cui il flusso al traferro o del campo magnetico è diretto in direzione radiale, nel nuovo motore il flusso del campo magnetico è parallelo all’asse di rotazione invece che perpendicolare. O meglio, il campo magnetico circuita in direzione assiale tra rotori e statori.

Grazie a questa configurazione le superfici utili per la produzione di coppia, cioè le superfici dove sono disposti i conduttori e i magneti permanenti, sono perpendicolari all’asse. Se nella macchina a flusso radiale la relazione coppia-diametro va con la seconda potenza e linearmente con la lunghezza, nella macchina a flusso assiale tale relazione va con la terza potenza. Tutto questo comporta che i motori elettrici a flusso assiale abbiano un aspetto esteriore diverso. Maggiore diametro a fronte di minore larghezza, con un ingombro assiale ridotto rispetto al flusso radiale a parità di coppia sviluppata.

Aumenta la coppia massima

In questo modo la distanza dei magneti dall’asse cresce e di conseguenza aumenta pure la coppia massima che il motore è in grado di erogare.

Questa maggiore distanza tra i magneti del rotore e l’asse innesca però come altra faccia della medaglia un minore regime di rotazione massimo raggiungibile. Cioè  circa 9.000 rpm contro i 20.000 dei motori a flusso radiale.

Ma deve girare più lentamente

Il diametro elevato del rotore, in fatti, va a generare una grande forza centrifuga che a regimi di rotazione elevati potrebbe persino strappare via i magneti.  Il suo minore spessore a fronte del maggiore diametro lo rende però particolarmente adatto per essere installato per esempio all’uscita del cambio e soprattutto per essere utilizzato tanto sulle supercar quanto sulle moto.  La possibilità di produrre il campo utilizzando dei magneti permanenti permette di costruire una macchina sincrona con numero di coppie di poli elevato, riuscendo a contenere il costo di produzione e l’ingombro. Quindi permette di costruire veicoli sempre più leggeri o, a parità di peso, più performanti.

Prendendo come esempio un motore a flusso assiale con due rotori e un solo statore al centro, si evince come lo statore sia costituito da un nucleo a corona circolare realizzato avvolgendo a spirale una sottile striscia di materiale ferromagnetico. Attorno al nucleo vengono avvolti i conduttori. Ciascuna bobina è sottoposta a due flussi ognuno dei quali è generato dai magneti di un rotore. I rotori, invece, sono disposti sui due lati esterni dello statore. I magneti dei due rotori si presentano con i poli magnetici uguali affacciati. Il flusso che entra nello statore lo attraversa quindi in direzione azimutale per poi uscire in direzione assiale sul passo polare adiacente.

Va poi aggiunto che se nelle macchine a flusso radiale, gran parte degli avvolgimenti (fino al 50%) non è attiva (precisamente la parte situata all’esterno dello statore che viene utilizzata solo per realizzare le spire). Nei motori elettrici a flusso assiale, invece,  il 100% dell’avvolgimento è completamente attivo con notevoli benefici dal punto di vista delle resistenze elettriche (dissipazione del calore) e del rapporto potenza/peso.

Migliora anche il raffreddamento

Diverso, infine, è anche il sistema di raffreddamento.  In caso di macchine a flusso radiale il calore deve essere trasportato attraverso lo statore verso l’esterno della macchina. E non solo l’acciaio non è un ottimo conduttore, ma la bobina è difficile da raffreddare perché non è direttamente a contatto con il carter motore. In caso, invece, di macchine a flusso assiale gli avvolgimenti sono direttamente a contatto con l’involucro esterno che in questo caso è di alluminio, un ottimo conduttore. Così il raffreddamento risulta più facile ed efficiente. Trova una naturale applicazione nell’ambito automotive, dove l’alta densità di coppia è una delle caratteristiche privilegiate. Infatti è possibile sviluppare delle strutture chiamate multistadio, cioè delle macchine aventi una molteplicità di statori e rotori.

E’ il motore che piace alla Ferrari

Un esempio di applicazione è la Ferrari SF90 Stradale. Al fianco del 4,0 litri V8 biturbo benzina da ben 780 CV ha applicato 3 motori elettrici a flusso assiale.  Li produce Yasa Motor e sono capaci di erogare in toto ben 162 kW (222 CV). Installati due all’asse anteriore e uno all’uscita del motore, sono della serie P400 R all’anteriore e EMRAX 188 al posteriore. I primi sono capaci di 85 kW ciascuno e 6,7 kW/kg, pesano circa 25 kg e sono grandi 30 cm di diametro e 8 cm di spessore. Il secondo eroga 60 kW di picco (32 kW continui), è capace di 10 kW/kg, sviluppa una coppia di 90 Nm di picco (50 Nm continui). Pesa solo 7 kg ed ha misure di 188 mm di diametro e 77 mm di spessore. Il tutto viene naturalmente alimentato da una batteria della SK Innovation da 7,9 kWh, capace di garantire fino a 25 km a emissioni zero.

LEGGI ANCHE: Benevelli: I motori elettrici miglioreranno del 30%