Come funziona un motore elettrico?

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Un motore elettrico converte l'energia elettrica in movimento rotatorio meccanico [1]. Per farlo, sfrutta la forza del magnetismo, che si genera quando la corrente elettrica fluisce attraverso bobine, creando così campi magnetici [2].

Struttura e principio di base

Nel nucleo, un motore elettrico è composto da due parti principali: uno statore fisso e un rotore rotante [1]. Nello statore o nel rotore si trovano magneti permanenti oppure bobine attraversate da corrente che agiscono come elettromagneti [1].

Quando la corrente fluisce attraverso le bobine, queste generano campi magnetici. Questi campi interagiscono tra loro: i poli dello stesso nome si respingono, quelli di nome opposto si attraggono [3]. Queste forze di attrazione e repulsione mettono in movimento il rotore. Affinché la rotazione non si fermi dopo mezzo giro, la direzione della corrente nelle bobine viene regolarmente invertita [3].

Campi magnetici e forza di Lorentz

La base fisica del movimento è la forza di Lorentz: essa agisce sulle cariche elettriche in movimento, ovvero sulla corrente nei conduttori, quando quest'ultima si trova in un campo magnetico [2]. Dall'interazione tra corrente e campo magnetico nasce una coppia motrice che aziona il rotore [1].

Motore in corrente continua e motore a corrente alternata

I motori in corrente continua (DC) sono alimentati da corrente continua. L'inversione della corrente nel rotore avviene meccanicamente tramite spazzole di carbone e un commutatore [4]. Questo li rende semplici da regolare, ma anche soggetti a manutenzione.

I motori a corrente alternata (AC) utilizzano corrente alternata, solitamente corrente alternata trifase. La corrente alternata genera nello statore un campo magnetico rotante che trascina con sé il rotore [5]. I motori asincroni a corrente alternata non necessitano di contatti meccanici per l'alimentazione elettrica nel rotore: la corrente viene generata per induzione. Questo li rende particolarmente robusti e a bassa manutenzione.

Motori brushless (BLDC)

Un motore a corrente continua senza spazzole (BLDC) rinuncia a spazzole e commutatore. Invece, le bobine attraversate da corrente si trovano nello statore fisso, mentre il rotore è composto da magneti permanenti. Un'elettronica esterna controlla con precisione la corrente inviata alle bobine, garantendo così un campo magnetico rotante che trascina il rotore.

Questa costruzione è più efficiente perché non vi sono perdite per attrito dovute alle spazzole, il calore può essere smaltito meglio attraverso lo statore e il controllo elettronico mantiene il motore sempre nel punto di funzionamento ottimale.

Perché le auto elettriche sono così efficienti?

Le auto elettriche beneficiano di diversi vantaggi della trasmissione elettrica. I moderni motori elettrici convertono circa il 90-95 percento dell'energia elettrica in movimento [5]. Inoltre, consentono la recupero dell'energia (recuperazione): durante la frenata, il motore diventa un generatore e converte l'energia cinetica in energia elettrica, che viene immagazzinata nella batteria.

Da fermo, il motore elettrico può essere completamente spento, senza perdite per il minimo. La trasmissione più semplice, con meno parti mobili, riduce ulteriori perdite per attrito. Insieme a un'elettronica di potenza precisa e a una gestione termica ottimizzata, ne deriva un'efficienza complessiva molto elevata.

Quali materiali vengono utilizzati?

Per i motori elettrici sono necessari diversi materiali. Gli avvolgimenti sono composti principalmente da rame a causa della sua eccellente conducibilità. I nuclei di ferro in lamierino magnetico minimizzano le perdite magnetiche.

I motori particolarmente potenti, come i motori sincroni a magneti permanenti, utilizzano magneti a base di neodimio-ferro-boro. In questo caso vengono impiegate terre rare come neodimio, praseodimio, disprosio e terbio, per consentire campi magnetici forti ad alte temperature. Il carter è spesso realizzato in alluminio per un'ottima dissipazione del calore.

Tuttavia, vengono sviluppati sempre più tipi di motori senza terre rare, come i motori asincroni o i motori sincroni a riluttanza, per ridurre la dipendenza da materie prime critiche.

Riassunto

Un motore elettrico converte la corrente in movimento facendo scorrere la corrente attraverso bobine, generando campi magnetici e facendo ruotare un rotore tramite la forza di Lorentz. A seconda della struttura, i motori a corrente continua, a corrente alternata trifase e brushless differiscono principalmente per il tipo di alimentazione e di controllo. Grazie all'elevata efficienza, alla recupero dell'energia e al minor numero di parti mobili, le propulsioni elettriche rappresentano una tecnologia sempre più importante, specialmente nel settore automobilistico.