Accanto alla tecnologia degli inverter, le capacità dei motori di trazione sono aumentate enormemente nell'ultimo decennio, con i fornitori che si sforzano di produrre progetti con una densità di potenza sempre maggiore;cifre fino a 14kW/kg possono essere raggiunte con apparecchiature quasi pronte all'uso.Tutti i motori di trazione condividono due componenti comuni, un rotore e uno statore.Normalmente, il rotore si trova all'interno dello statore, ma in alcune applicazioni, come alcuni modelli di motori a ruota, viene utilizzato un rotore esterno.Per le applicazioni automobilistiche, i motori sincroni a magneti permanenti (PMSM) piuttosto che i motori a induzione sono la norma, sebbene alcune aziende stiano sviluppando macchine a induzione ad alte prestazioni.I PMSM utilizzano un rotore costruito con magneti permanenti montati sulla superficie del rotore o internamente.Il primo approccio offre prestazioni migliori (a causa della vicinanza del materiale magnetico allo statore) ma è più difficile da progettare per applicazioni a regimi più elevati a causa delle difficoltà di fissaggio dei magneti.L'interazione tra il campo magnetico rotante dello statore (costituito da più bobine, solitamente di rame, che sono energizzate) e il campo magnetico costante del rotore crea una reazione di coppia, che provoca la rotazione del motore.La velocità del motore è controllata modificando il campo magnetico dello statore tramite un convertitore di frequenza (l'inverter).Due principali architetture di motori dominano il mercato, flusso radiale e assiale, che si distinguono per i campi magnetici all'interno dei motori.Come suggeriscono i nomi, in una macchina a flusso radiale il flusso magnetico scorre radialmente rispetto all'asse di rotazione, mentre in una macchina a flusso assiale corre parallelo a questo asse.Entrambe le topografie del motore hanno i loro vantaggi e svantaggi in determinate applicazioni, anche se è solo nell'ultimo decennio che le macchine assiali sono diventate più ampiamente disponibili.Le macchine a flusso assiale sono anche conosciute come motori pancake, in quanto tendono ad avere un diametro maggiore della loro lunghezza;per le unità di flusso radiale, è vero il contrario.Il vantaggio meccanico offerto dal design del flusso assiale (dove i magneti sono montati più lontano dall'asse di rotazione) significa che, fino a un certo punto, tendono ad avere un potenziale di densità di potenza maggiore rispetto al flusso radiale.Il fattore di forma li rende inoltre ideali per l'imballaggio in layout ibridi P1 in cui un motore deve essere montato in linea con un motore e una trasmissione.Le macchine a flusso assiale hanno alcune limitazioni fondamentali;ad esempio, garantire l'integrità strutturale in applicazioni a regimi molto elevati/alta potenza può essere difficile a causa della necessità di aumentare il diametro del rotore.Tuttavia, la loro capacità di ottenere un'eccellente densità di potenza in un pacchetto compatto ne ha visto l'adozione in numerose serie.Ciò include ETCR, che utilizza motori a flusso assiale del fornitore Magelec in grado di erogare una potenza contigua di 300 kW e un picco di 500 kW, che viene utilizzato come funzione push-to-pass.Al loro attuale stato di sviluppo, le macchine a flusso radiale sfruttano la tecnologia a flusso assiale quando si tratta di massima potenza ed efficienza.Ad esempio, la Formula E inizialmente ha visto una gamma di entrambi i tipi di motore schierati dai team, poiché gli ingegneri hanno elaborato i mezzi più efficienti per massimizzare il consumo di energia.Alcuni hanno utilizzato l'elevata coppia erogata dal flusso assiale per ridurre il numero di rapporti di trasmissione necessari e quindi le perdite per attrito, mentre altri hanno utilizzato un numero maggiore di ingranaggi con design del flusso radiale a più alto numero di giri.Tuttavia, i progressi nella progettazione di quest'ultimo hanno visto la loro densità di coppia crescere insieme alla velocità operativa, consentendone l'uso con trasmissioni a velocità singola, per un pacchetto di trasmissione complessivo più efficiente.Ora l'intero settore utilizza soluzioni di flusso radiale, considerato l'approccio più efficiente ai sensi delle normative vigenti.Oltre alla topografia del motore, una miriade di altri fattori determinano la densità di potenza ottenibile di un motore e, cosa ancora più importante, per quanto tempo può sostenere uscite di potenza elevate.Questi includono la progettazione elettromagnetica, il materiale magnetico utilizzato, gli elementi di progettazione meccanica come i cuscinetti e l'integrità strutturale del rotore e, cosa della massima importanza, il raffreddamento del motore.Il neodimio (NdFeB), un magnete di terre rare e uno dei materiali magnetici più resistenti disponibili in commercio, rimane una scelta privilegiata per le applicazioni di motori ad alta densità di potenza.Tuttavia, è limitato nel suo utilizzo da una resistenza alla temperatura relativamente bassa: sopra gli 80°C circa inizia a perdere prestazioni, sebbene siano disponibili diversi gradi in grado di resistere a temperature più elevate.I motori che utilizzano questo materiale tendono ad avere anche sistemi di raffreddamento molto efficienti.Un'altra soluzione è utilizzare magneti realizzati con materiali meno potenti che hanno una maggiore resistenza alla temperatura.Ad esempio, entrambe le MGU montate sulla Porsche 919 LMP1 utilizzavano magneti in samario, nel caso della MGU montata sullo scarico a causa delle temperature estreme del motore, e sull'unità anteriore per garantire l'affidabilità.Anche se il motore anteriore avrebbe normalmente funzionato all'interno della gamma di materiali al neodimio, se ci fosse stato un problema con il sistema di raffreddamento e dato il ruolo dell'auto come un corridore di resistenza, Porsche voleva la capacità di funzionare a temperature elevate.Anche il materiale dello statore gioca un ruolo importante nelle prestazioni, con il tipo di materiale e lo spessore dei laminati che entrano in gioco (questo vale sia per i motori a flusso assiale che radiale).È da notare che la maggior parte delle normative specifica uno spessore minimo del laminato (0,1 mm per F1, 0,05 mm in Formula E).I laminati più sottili sono migliori in quanto riducono le perdite di corrente parassita, ma sono anche diabolicamente costosi da produrre.In termini di materiali, l'acciaio al cobalto viene spesso utilizzato per le massime prestazioni, con il ruolo del materiale di facilitare il flusso del flusso magnetico.L'acciaio al cobalto ha un punto di saturazione magnetica più elevato rispetto agli acciai elettrici standard, quindi il suo utilizzo riduce le perdite e aumenta la densità di coppia.Tra le altre caratteristiche che determinano le prestazioni c'è il fattore di riempimento degli avvolgimenti dello statore (la quantità di filo che può essere stipata nelle fessure: maggiore è, meglio è).Qui è in corso un lavoro interessante per la produzione di avvolgimenti di motori in rame fabbricati con additivi, che possono aggirare alcuni dei problemi che limitano l'approccio tradizionale basato sui cavi, non ultimo il processo di produzione che richiede tempo.Nel caso del team Racetech Racing Team Formula Student Electric della TU Bergakademie Freiburg, gli avvolgimenti realizzati con additivi hanno consentito la realizzazione di una geometria ideale che ha massimizzato il fattore di riempimento garantendo al tempo stesso un raffreddamento uniforme attraverso lo statore, riducendo i punti caldi.Questo porta al tema del raffreddamento del motore, un problema perenne poiché le maggiori concentrazioni di calore all'interno di un motore tendono ad essere nelle zone più inaccessibili.Il raffreddamento a liquido è un must per la maggior parte delle applicazioni da corsa e i produttori di motori ad alte prestazioni hanno ideato una varietà di soluzioni proprietarie per portare il refrigerante dove è necessario.La dissipazione del calore da un motore elettrico è molto inferiore a quella di un motore IC di potenza simile.Un'unità da 200kW potrebbe rifiutare solo circa 4kW, ma se questa è concentrata nell'area sbagliata, può comunque essere un problema.Un motore da corsa dedicato, ad esempio, può avere un traferro tra statore e rotore di 0,5 mm (più piccolo è il migliore per le prestazioni) e qualsiasi concentrazione di calore all'interno di tale spazio quando il motore è sotto carico può essere decisamente problematico.Approcci tradizionali come l'applicazione di una camicia di raffreddamento indiretta attorno allo statore e l'affidamento al raffreddamento ad aria per il rotore non sono sufficienti nelle applicazioni ad alta densità di potenza.Invece, sono necessari metodi più avanzati per raffreddare queste parti.Ad esempio, i canali di raffreddamento possono essere incorporati all'interno dello statore stesso o, nel caso del rotore, canalizzando il refrigerante attraverso l'asse del rotore e nella struttura del rotore.Nessuno di questi approcci è semplice e vari altri elementi del motore, come l'isolamento attorno agli avvolgimenti, cospirano contro il trasferimento di calore in quanto i migliori isolanti elettrici formano barriere termiche.È anche possibile raffreddare direttamente alcune aree di un motore, come lo statore, utilizzando fluido dielettrico, un approccio che Porsche ha sviluppato per il suo concept Mission E recentemente rivelato.Ciò richiede una soluzione di tenuta affidabile tra lo statore e il rotore, ma rende anche molto efficiente il raffreddamento degli avvolgimenti e, inoltre, facilita anche l'uso di cave dello statore più piccole, il risultato finale è potenziale per un notevole aumento della densità di potenza.La tecnologia dei motori elettrici e degli inverter continuerà senza dubbio ad evolversi a un ritmo considerevole, con una densità di potenza sempre maggiore ottenibile e soluzioni attualmente proibitive che diventeranno più convenienti.Ciò a sua volta vedrà l'elettrificazione diventare più praticabile a tutti i livelli delle corse nel prossimo decennio, con l'avvertenza che le batterie rimangono componenti ad alto costo e le normative tecniche sono ancora relativamente immature.Lawrence si occupa di materie ingegneristiche, con particolare attenzione alla tecnologia degli sport motoristici, dal 2007 e ha curato e contribuito a una varietà di titoli internazionali.Attualmente, è responsabile dei contenuti del portafoglio di siti Web di UKI Media & Events, mentre scrive anche per i titoli cartacei dell'azienda.© 2021 UKi Media & Events una divisione di UKIP Media & Events Ltd