BMW sta predisponendo i suoi nuovi motori elettrici. Ma di cosa si tratta? E perché potrebbero costituire una pietra miliare nello sviluppo del powertrain elettrici?
Iniziamo con il ricordare che tutti i motori elettrici si basano sulle proprietà dell’elettromagnetismo per convertire l’elettricità in coppia per spingere il veicolo. Un polo di un magnete che viene attratto dal polo opposto di un altro, e poli simili che si respingono a vicenda, è ciò che permette di alimentare un motore elettrico. Un approccio semplice è quello di usare forti magneti permanenti nella parte rotante del motore chiamata rotore, e un elettromagnete (fili conduttivi avvolti intorno a un materiale ferromagnetico) nella “lattina” stazionaria in cui gira, che si chiama statore.
Invertendo la polarità elettrica nell’elettromagnete si inverte la polarità magnetica, ed è questa commutazione che fa girare i magneti permanenti. Ma i magneti permanenti stanno diventando difficili da trovare, e così la BMW se ne sta liberando usando elettromagneti sia nello statore fermo che nel rotore che gira. Si basa su una vecchia tecnologia, i motori spazzolati, che rende tutto questo possibile.
I motori spazzolati
Chi ha familiarità con le macchine radiocomandate o con i trapani elettrici, probabilmente avrà anche familiarità con i motori spazzolati, che esistono fin dall’invenzione del motore elettrico e che… sono chiamati “spazzolati” perché una serie di spazzole trasmettono l’elettricità al rotore che gira attraverso quello che viene chiamato un commutatore sul rotore.
Gli avvolgimenti elettromagnetici del rotore sono a loro volta eccitati dal commutatore. E quando viene applicata la corrente, le forze elettromagnetiche vengono create sia nello statore che nel rotore, commutandoli entrambi in modo tale da far girare il rotore. Aumentando la velocità di commutazione all’interno degli elettromagneti e aumentando la corrente, la velocità aumenta.
Ora, il rotore può includere due o molti più campi elettromagnetici, ciascuno stimolato da una coppia di contatti (e spazzole) sul commutatore. Allo stesso modo, il motore usa solo due spazzole, ma può usare tante spazzole quante sono necessarie per raggiungere gli obiettivi del progetto. Le spazzole possono essere fatte di quasi tutti i materiali, basta che ci si possa far passare la corrente. In molti casi, queste spazzole sono sinterizzate da metalli in polvere e altri materiali, proprio come le vostre pastiglie dei freni. Anche il modo in cui le facce delle spazzole sono scanalate può influenzare le prestazioni, proprio come per le pastiglie dei freni. E come le pastiglie dei freni, le spazzole e il commutatore generano polvere e si consumano, richiedendo una sostituzione periodica, che sono alcune delle ragioni per cui questi motori non sono attualmente utilizzati in nessun EV moderno o ibrido.
Gli attuali motori elettrici
Quanto sopra ci porta alla maggior parte dei motori che si vedono sulla strada oggi. I motori senza spazzole utilizzano magneti permanenti nel componente che gira, o “inducono” un campo magnetico in un avvolgimento avvolto intorno a un materiale ferromagnetico nel componente che gira. Quest’ultimo tipo è conosciuto come un motore a induzione AC asincrono, ed è quello che la maggior parte dei veicoli Tesla ha iniziato ad usare.
La cosa più importante è che i motori senza spazzole sono preferiti a quelli con spazzole perché eliminano la manutenzione e la polvere che si formano con le spazzole che sfregano una superficie di usura (il commutatore), aumentando la durata di vita del motore. Gli svantaggi sono il costo iniziale più elevato e i controllori di velocità del motore più complicati, che in genere richiedono tre sensori a effetto Hall per misurare correttamente il posizionamento dello statore e del rotore (anche se alcuni controllori moderni hanno trovato modi intelligenti per fare a meno di questi sensori).
Il motore elettrico BMW di quinta generazione
Si arriva così al motore BMW di quinta generazione, che non ha magneti. Funziona come un motore sincrono AC trifase che utilizza spazzole e un commutatore per fornire energia agli avvolgimenti del rotore, significando che i motori spazzolati AC non sono più solo per le locomotive elettriche del terzo mondo.
Le macchine a magneti permanenti sono in genere i motori elettrici più potenti, ma non è possibile spegnere i magneti permanenti. I loro campi magnetici non cambiano mai, quindi quando non sono alimentati da energia nell’avvolgimento dello statore, stanno generando energia in quegli avvolgimenti, il che crea resistenza. Questo è il motivo per cui alcuni veicoli elettrici alimentati da più motori usano una frizione per disaccoppiare e mettere al minimo un motore a magneti permanenti quando non è necessario, o montano un motore a induzione AC asincrono (che non subisce tali perdite) e un motore a magneti permanenti. I metalli rari che comprendono i magneti permanenti sono anche sempre più difficili da procurarsi eticamente, con la Cina che controlla la maggior parte delle riserve di terre rare, tutto ciò sta spingendo BMW e altri produttori di motori a cercare altri modi per fare motori elettrici di grande potenza.
Ebbene, secondo BMW questo sistema motore di quinta generazione permette una maggiore densità di energia, una frequenza di commutazione più veloce e una migliore gestione del calore. “Tutto questo“, dice BMW, “si traduce in un più alto numero di giri, più coppia e ancora più potenza“. E BMW scommette che i materiali moderni e la tecnologia di tenuta permetteranno alle spazzole e ai commutatori moderni di durare per un intervallo di servizio ragionevole nella vita di un EV moderno.
A quanto pare, BMW non esagera con la potenza. Infatti, la potenza combinata standard di entrambi i motori anteriore e posteriore della iX M60 è di 532 CV di coppia. Individualmente, il motore anteriore fornisce 255 CV mentre il motore posteriore fornisce 483 CV in funzionamento normale. In modalità Sport Boost, che salta a un combinato 610 CV. Il tutto senza un cambiamento nella potenza della batteria e in un pacchetto che ti dà una sintonizzazione molto più profonda del motore.
