ZF ha sviluppato un motore elettrico che non necessita di magneti. Diversamente dai modelli senza magneti dei cosiddetti motori sincroni a eccitazione separata (SESM), disponibili oggi, il nuovo I2SM (In-Rotor Inductive-Excited Synchronous Motor) di ZF trasmette l’energia per il campo magnetico tramite un eccitatore induttivo all’interno dell’albero del rotore. Ciò rende il motore straordinariamente compatto con densità di potenza e coppia massime.
Questa variante avanzata di un motore sincrono ad eccitazione separata rappresenta quindi un’alternativa alle macchine sincrone a magneti permanenti. Queste ultime sono i motori più utilizzati nei veicoli elettrici, ma si basano su magneti che richiedono l’utilizzo di terre rare per la loro produzione. Con I2SM, ZF sta definendo un nuovo standard per rendere la produzione di motori elettrici estremamente sostenibile ed i motori molto potenti ed efficienti.
«Con questo motore elettrico senza magneti e privo di terre rare, abbiamo un’’ulteriore innovazione con la quale miglioriamo costantemente la nostra offerta di trazioni elettriche per creare una mobilità ancora più sostenibile, efficiente ed in grado di risparmiare risorse» dice Holger Klein, CEO di ZF. «Questo è il nostro principio guida per tutti i nuovi prodotti. Attualmente non vediamo altri concorrenti che padroneggiano questa tecnologia quanto ZF».
Rispetto ai comuni sistemi SESM, l’eccitatore induttivo può ridurre del 15% le perdite della trasmissione energetica nel rotore. Inoltre, l’impronta di CO2 in produzione, generata con i motori elettrici PSM principalmente a causa dei magneti che includono terre rare, può essere ridotta fino al 50%.
«Questo esclusivo motore elettrico compatto senza magneti è una chiara dimostrazione della nostra strategia per rendere le trazioni elettriche più sostenibili ed efficienti per quanto riguarda le risorse, principalmente attraverso miglioramenti nell’efficienza» afferma Stephan von Schuckmann, membro del consiglio di amministrazione del gruppo ZF. «Stiamo utilizzando sistematicamente tecnologia a 800 Volt al carburo di silicio eliminando nel contempo le terre rare - il tutto senza aumentare le dimensioni o il peso. Oltre ai benefici legati all’eliminazione delle terre rare in una soluzione potente e compatta, I2SM elimina le perdite d’attrito che si creano nei tradizionali motori elettrici PSM. Ciò consente una maggiore efficienza in determinati momenti operativi, come in occasione di lunghi viaggi autostradali ad elevata velocità».
Per fare in modo che il campo magnetico nel rotore sia generato dalla corrente anziché dai magneti in molti casi i tradizionali SESM richiedono ancor’oggi spazzole od elementi scorrevol, che portano a compromessi: ad esempio, è necessario uno spazio installativo asciutto, non accessibile al raffreddamento dell’olio, e ulteriori tenute. Ne risulta che i tradizionali SESM necessitano di circa 90 mm in più di spazio a livello assiale. Ne consegue che i costruttori non possono normalmente passare da varianti PSM a SESM nella pianificazione di un modello senza alcun intervento.
Per poter offrire i vantaggi competitivi delle macchine sincrone ad eccitazione separata, ZF è riuscita a compensare gli svantaggi nella geometria di quelle tradizionali sempre di questa tipologia. In particolare, la densità di coppia è stata aumentata in modo significativo rispetto allo stato dell’arte attuale grazie a un innovativo design del rotore. L’integrazione dell’eccitatore all’interno del rotore, che non richiede spazio aggiuntivo, fa sì che non ci siano problemi di spazio in direzione assiale. Inoltre, un aumento della densità di potenza nel rotore porta a un miglioramento delle prestazioni.
Il prerequisito tecnologico per l’innovazione proposta da ZF è che l’energia sia trasferita per induzione, senza cioè contatto meccanico, nel rotore, generando il campo magnetico per mezzo di bobine. In questo modo, I2SM non necessita di spazzole o di collettori ad anello. Inoltre, non c’è più la necessità di mantenere asciutta l’area per mezzo di tenute. Come con i motori sincroni a magneti permanenti, il rotore viene raffreddato in modo efficace tramite circolazione d’olio. Rispetto ai motori sincroni a magneti permanenti, l’innovazione di ZF richiede fino a 90 mm in meno di spazio installativo in direzione assiale. In termini di densità di potenza e di coppia, però, l’innovazione di ZF funziona agli stessi livelli di un motore PSM.
ZF conta di sviluppare la tecnologia I2SM affinché sia pronta per la produzione e per offrirla come opzione all’interno della sua piattaforma di trasmissione elettrica. I clienti di autovetture e di veicoli commerciali e industriali possono quindi scegliere tra una variante con architettura a 400 Volt ed una a 800 Volt, per le loro rispettive piattaforme. La seconda si basa su chip al carburo di silicio nell’elettronica di potenza.
