Motori elettrici senza magneti permanenti: un diciassettenne mette a punto un prototipo

In questi ultimi giorni abbiamo parlato spesso delle terre rare, elementi indispensabili per alcuni particolari settori (come chip, turbine eoliche e magneti), attualmente monopolio quasi esclusivo della Cina.

All'indomani della scoperta di un grande giacimento nella cittadina svedese di Kiruna e della volontà della presidentessa Von der Leyen di istituire un fondo sovrano europeo, dall'altra parte dell'oceano un ragazzo di diciassette anni potrebbe aver aperto la via per motori EV senza magneti.

Lo studente delle superiori, che spera di entrare nel MIT, si è concentrato sul motore sincrono a riluttanza, che non necessita di terre rare. Questa tipologia di motore, tuttavia, non ha la potenza necessaria per l'utilizzo nei veicoli elettrici.

In un motore a magneti permanenti, lo statore contiene bobine di filo che producono i campi elettromagnetici rotanti che fanno girare il rotore, dotato di magneti permanenti con poli opposti rispetto a quello del campo rotante.

L'attrazione magnetica fra le bobine dello statore e i magneti del rotore genera l'energia meccanica che fa muovere il motore elettrico.

I motori sincroni a riluttanza, invece, utilizzano un rotore in acciaio con traferri (ovvero intervalli che spezzano la continuità del nucleo ferromagnetico) al posto dei magneti.

Il rotore, in questo caso, si allinea con il campo magnetico rotante e quel movimento produce una coppia. La quantità di coppia prodotta non è un'unità fissa, ma dipende dal rapporto di salienza, ovvero la differenza di magnetismo dei materiali utilizzati.

Nel caso di un motore sincrono a riluttanza, il rapporto di salienza si riferisce al rotore in acciaio e ai traferri amagnetici.

Sansone, che per adesso sta mantenendo il massimo riserbo possibile sul suo prototipo perché intende brevettarlo, si è messo al lavoro sfruttando al meglio le limitate risorse a sua disposizione. Ha quindi deciso di utilizzare una stampante 3D per creare modelli in scala di ogni tentativo di motore.

Arrivato alla quindicesima versione, lo studente si è ritrovato fra le mani un prototipo di veicolo elettrico privo di magneti, dai risultati brillanti.

Il ragazzo, dopo averne valutato le prestazioni, lo ha riconfigurato per funzionare come un motore sincrono a riluttanza per confrontarlo con un motore standard.

Portando il prototipo a 300 giri al minuto (RPM), il design di Sansone aveva una coppia maggiore del 39% e un aumento dell'efficienza del 31%.

Inoltre, l'efficienza è migliorata fino al 37% rispetto al motore standard a 750 giri/min.

Lo studente ha deciso di portare il suo design a un più alto livello di sfida, ma i test a regimi più elevati hanno fatto sciogliere le parti in plastica del motore.

Il giovane inventore non si è scoraggiato e ha creato un secondo prototipo, eliminando le variabili per dimostrare che il maggiore rapporto di salienza nel design pionieristico aveva comportato miglioramenti nell'efficienza e nella coppia per il prototipo di motore per EV senza magneti.

Il brillante diciasettenne intende ora lavorare su ulteriori versioni, eliminando l'uso della plastica.

Sansone non è ovviamente l'unico a studiare alternative ai motori a magneti permanenti: Mercedes-Benz, a tale proposito, ha messo a punto la Vision EQXX, un'auto dotata di un unico motore elettrico a flusso radiale. Al momento si tratta puramente di un progetto di ricerca e sviluppo, che però varrà come modello che gli ingegneri useranno per migliorare le future auto compatte.

Un altro esempio, a livello industriale, di motore alternativo è quello a trazione di Mahle: test interni hanno mostrato che ha raggiunto un'efficienza superiore al 96%. Tale design si basa sulla trasmissione di potenza induttiva wireless e include un trasmettitore per instradare la potenza attraverso il motore.

BMW, infine, ha utilizzato un motore EV senza magneti nella sua iX M60. Si tratta di un motore sincrono di quinta generazione CA trifase che riceve energia per gli avvolgimenti del rotore con un commutatore e spazzole.

Gli ingegneri hanno anche collocato i moduli delle spazzole all'interno di comparti chiusi e sigillati, eliminando la possibilità di contaminazione dovuta alla polvere che interessa il cablaggio dello statore o del rotore.

Considerati i mezzi a sua disposizione, il lavoro realizzato da Robert Sansone e i risultati ottenuti sono innegabilmente impressionanti, e saranno importanti per incoraggiare gli attuali e futuri ingegneri a pensare "fuori dagli schemi" e progettare opzioni di prototipi di veicoli elettrici senza magneti tenendo a mente la sostenibilità.