Cosa sono i motori a flusso assiale?

INDIRIZZARE IL FLUSSO MAGNETICO - Il cuore della mobilità elettrica è il motore, che promette prestazioni molto elevate sia nel rapporto potenza/peso sia in quello potenza/volume, con erogazione della coppia parimenti interessante. Anche se possono essere di molti tipi diversi, lo schema di funzionamento prevede invariabilmente l’interazione fra i campi magnetici del rotore e quelli dello statore. Questo è una sorta di inizio ma quel che accade “dopo” può seguire strade molto diverse, per esempio per quel che riguarda il cammino dei flussi magnetici, che idealmente devono compiere un percorso chiuso che attraversa rotore e statore.

> Nel disegno qui sopra, il confronto fra il motore a flusso radiale (a sinistra) e quello assiale. Bearings = cuscinetti, Iron cores = nuclei ferromagnetici, Magnets = magneti permanenti, Coils = avvolgimenti. Le frecce rosse indicano l’andamento del flusso magnetico.

Nella maggior parte dei motori la direzione del flusso è radiale e quindi esso descrive un anello che è perpendicolare all’asse di rotazione del motore. Un altro schema, antico quanto il motore elettrico ma ritornato recentemente in auge, fa percorrere al flusso magnetico un anello parallelo all’asse di rotazione. Il primo è detto motore a ”flusso radiale”, il secondo a “flusso assiale”, una soluzione che ha diversi vantaggi ma non sembra attualmente adatta per la motorizzazione di massa.

COPPIA ELEFANTINA - Il diverso percorso del flusso magnetico nei motori assiali porta a una costruzione molto diversa rispetto ai radiali. Il rotore è molto sottile e di grande diametro, con una forma molto diversa rispetto a quella di un motore radiale equivalente, e le bobine dello statore hanno assi paralleli all’albero, cosa che si presta a soluzioni particolari quali un “sandwich” composto da due statori con il rotore al centro. I magneti permanenti del rotore sono sistemati verso il bordo e questo permette erogazioni di coppia molto sostanziose perché i punti nei quali si genera la forza sono distanti dall’asse.

> Nel disegno qui sopra, il cammino, indicato dalla freccia bianca, del flusso magnetico di un motore assiale. Sono in evidenza le bobine dello statore (Coil) avvolte sui core di acciaio magnetico. I magneti permanenti a poli alternati dei rotori sono sistemati su dischi di materiale ferromagnetico che si lascia attraversare facilmente dal flusso magnetico.

L’unità di misura newtonmetro esprime il concetto di coppia, ossia una forza - il newton - applicata a una certa distanza dal punto di misura. Il classico diesel Volkswagen da 2 litri ha una corsa di 95,5 mm, cosa che equivale a un braccio di manovella di 47,75 mm. Essa è la distanza dal centro dell’albero motore e il punto nel quale è applicata la forza prodotta dal pistone: la coppia massima sprigionata da questo turbodiesel è di 320 Nm.

L’italianissimo motore elettrico assiale sviluppato da Texa (società italiana leader nelle diagnosi automotive e nelle ricariche per i climatizzatori) ha una potenza superiore - 125 kW contro 100 - ed eroga 345 Nm di coppia. Lo spessore è molto ridotto (12 cm) così come il peso di 26 kg mentre il diametro di 30 cm è uguale è quello di un disco in vinile: è facile ipotizzare che i magneti distino circa 12/13 cm dall’albero, un valore molto superiore a quello del turbodiesel VW e che spiega la grande coppia massima prodotta.

> Qui sopra lo spaccato di un motore a flusso assiale Traxial. Lo statore, al centro, evidenzia la forma a “cuneo” dei nuclei delle bobine mentre i rotori sono i dischi, guarniti di magneti permanenti, che si vedono a destra e a sinistra dello statore.

PIATTO, ANZI PIATTISSIMO - Questi motori a flusso assiale possono essere veramente sottili, per esempio creando gli avvolgimenti statorici direttamente su un circuito stampato, usando per esempio “piste” ricavate con il normale processo di fotoincisione. Gli avvolgimenti delle bobine statoriche sono semplificati, rispetto a quelli dei motori radiali, e dato che le bobine sono piatte è possibile utilizzare conduttori rettangolari che possono sopportare alte correnti. La costruzione del rotore è più semplice e leggera e il flusso magnetico percorre una distanza generalmente minore rispetto allo schema radiale, minimizzando le perdite. La maggior parte dei componenti strutturali, poi, sono piatti e possono essere prodotti abbastanza facilmente ed è possibile energizzare due rotori con un solo statore, una possibilità che aumenta la densità di potenza e coppia.

NULLA È GRATIS - Ovviamente questi motori hanno anche degli svantaggi, come la grande difficoltà a produrre versioni prive di magneti per il poco spazio disponibile per i fili degli avvolgimenti rotorici. Il considerevole diametro del rotore aumenta l’inerzia rotazionale e genera grandi forze centrifughe che limitano la velocità di rotazione massima, stimabile in circa 9/10mila giri/minuto. Le bobine statoriche sono a forma di “spicchio” e quindi il flusso magnetico non può essere molto regolare vicino all’asse mentre lo spazio per gli avvolgimenti diminuisce avvicinandosi al centro.

Il raffreddamento dei flusso assiale richiede soluzioni più sofisticate e anche la progettazione elettromagnetica delle macchine a assiali è più complessa perché il loro flusso magnetico è tridimensionale e richiede software di simulazione 3D molto specializzati e computer potenti. I motori radiali possono invece essere simulati in un più semplice 2D perché i flussi magnetici possono essere considerati costanti in ogni sezione trasversale del motore. 

APPLICAZIONI FUORI DAL COMUNE - Queste caratteristiche fanno subito pensare a impieghi di alto livello e in effetti la fantastica Ferrari SF90 usa per esempio un motore a flusso assiale inserito fra il motore e il cambio che implementa anche la retromarcia. È prodotto dallo specialista inglese Yasa, che nel 2021 è stato acquisito da Mercedes: non è un caso che la concept One-Eleven usi unità axial flux Yasa. È comunque da ricordare che i motori a flusso assiale interessano anche costruttori su larga scala come Renault, che prevede di produrli a partire dal 2025.

Segnaliamo inoltre un’agguerrita startup australiana che però parla italiano: il fondatore e CTO di HyperPower è infatti Michael Fragomeni, di origini calabresi. La piccola quanto agguerrita azienda produce attualmente tre motori a flusso assiale: QFM-180-X, QFM-1240-X e QFM-3600-X. Quest’ultimo, che ha un diametro di 43 cm per 18 cm di spessore, è dato per 1.340 CV e più di 5.000 Nm di coppia: 4 di questi motori, accoppiati sullo stesso asse, muoveranno un dragster dato per un’accelerazione 0-200 km/h in 0,8 secondi. Prestazioni monstre che saranno superate da altre unità allo studio che potrebbero essere impiegate nei trasporti ferroviari e marittimi ma già ora i modelli 240 e 180 sono adatti a veicoli da corsa e aerei leggeri: niente male per un motore concepito da Nikola Tesla nel lontano 1889.