Per i produttori di motori elettrici, la scelta dei materiali sta diventando una decisione strategica. 

I motori a magneti permanenti sono diventati una componente fondamentale dei sistemi di propulsione dei veicoli elettrici, grazie alla loro capacità di coniugare efficienza ed elevata densità di potenza. Tuttavia, il loro ricorso a materiali delle terre rare, come il neodimio, espone i produttori a rischi legati ai costi, alla disponibilità e alla situazione geopolitica. 

Questo sta spingendo gli ingegneri a riconsiderare uno dei principi fondamentali della progettazione dei motori: se i motori elettrici ad alte prestazioni abbiano davvero bisogno di magneti permanenti alle terre rare. 

Un esempio è quello di Astemo, fornitore giapponese di tecnologia automobilistica, la cui tecnologia per motori elettrici senza terre rare è tornata sotto i riflettori del settore. 

Un approccio diverso al motore dei veicoli elettrici 

Astemo ha sviluppato un sistema motore per veicoli elettrici a batteria basato sulla tecnologia a riluttanza sincrona. 

Anziché avvalersi dei potenti magneti al neodimio comunemente utilizzati nei motori a magneti permanenti, il suo sistema di azionamento principale impiega magneti in ferrite privi di terre rare, combinati con un’architettura di motore sincrono a riluttanza assistito da magneti. 

Il risultato è un motore di propulsione principale da 180 kW. 

Astemo ha inoltre sviluppato un motore ausiliario da 135 kW che elimina completamente i magneti permanenti. Progettata per essere utilizzata quando è necessaria una propulsione aggiuntiva, l'unità adotta lo stesso concetto di rotore multistrato, ma funziona come un motore a riluttanza sincrono puro. 

Scopri di più sul motore senza terre rare di Astemo 

La sostituzione delle terre rare pone nuove sfide ingegneristiche 

La rimozione del neodimio non consiste semplicemente nel sostituire un materiale magnetico con un altro. 

I magneti in ferrite sono più facilmente reperibili, ma la loro forza magnetica è notevolmente inferiore rispetto a quella dei magneti al neodimio convenzionali. Ciò pone una sfida immediata in termini di dimensioni e prestazioni del motore. 

La soluzione proposta da Astemo consiste in una struttura del rotore a flussi multistrato appositamente sviluppata. Sfruttando la geometria del rotore per sfruttare le differenze di riluttanza magnetica, il progetto compensa in parte la minore forza magnetica fornita dai magneti in ferrite. 

Il motore da 180 kW presenta ancora una lunghezza attiva superiore di circa il 30% rispetto a un motore equivalente a magneti permanenti al neodimio, a dimostrazione dei compromessi progettuali necessari. 

La gestione termica rappresenta un’altra sfida. 

La generazione dei poli magnetici necessari richiede una corrente più elevata nelle bobine dello statore, generando calore aggiuntivo. Astemo ha risolto questo problema con un sistema di raffreddamento a immersione in olio che copre le scanalature e le estremità delle bobine. 

Questi compromessi sono importanti perché mettono in luce la realtà ingegneristica che sta alla base della sostituzione dei materiali. 

La riduzione della dipendenza da un materiale critico può influire sulle dimensioni del motore, sulla gestione termica, sui requisiti di avvolgimento, sui processi di produzione e, in ultima analisi, sulle prestazioni a livello di sistema. 

La sicurezza dei materiali sta diventando parte integrante dell'ingegneria automobilistica 

La sua importanza va ben oltre un singolo motore. 

I produttori di motori operano in un contesto in cui il rame, l’acciaio elettrico e i magneti permanenti possono tutti comportare rischi legati all’approvvigionamento e ai costi. Per i team di progettazione e approvvigionamento, la scelta dei materiali consiste quindi sempre più nel trovare un equilibrio tra prestazioni, sicurezza dell’approvvigionamento, producibilità e costi. 

Le architetture prive di terre rare rappresentano una possibile soluzione. 

Non sono gli unici. I produttori stanno valutando motori sincroni ad eccitazione esterna, modelli sincroni a riluttanza, magneti in ferrite e altre tecnologie magnetiche alternative, alla ricerca di modi diversi per ridurre la dipendenza dalle catene di approvvigionamento concentrate di terre rare. 

La stessa Astemo punta a raggiungere la maturità produttiva intorno al 2030, il che significa che la sua ultima architettura dovrebbe essere considerata più come un'indicazione della direzione che potrebbe prendere lo sviluppo dei motori piuttosto che come una tecnologia pronta per un'adozione immediata sul mercato di massa. 

Dalla progettazione dei motori alla produzione 

C'è un'altra questione importante: cosa succede quando queste architetture passano dai programmi di ingegneria alla produzione su larga scala? 

Un cambiamento nell'architettura del motore può avere ripercussioni ben oltre il rotore. 

I sistemi di avvolgimento, l’isolamento, l’acciaio elettrico, il raffreddamento, i processi di giunzione, le apparecchiature di collaudo e i macchinari di produzione potrebbero dover tutti adeguarsi a nuovi requisiti. 

Ciò rende la riduzione delle terre rare una sfida sia dal punto di vista produttivo che dal punto di vista dei materiali. 

Per i produttori di motori, i fornitori e i team di ingegneri, l’opportunità commerciale dipenderà dalla capacità delle architetture alternative di garantire prestazioni ripetibili al costo e al volume di produzione richiesti. 

Si intravedono già i primi segnali di investimenti nell’ampliamento della produzione di propulsori elettrificati. Da parte sua, il 1° settembre Astemo ha annunciato un investimento di oltre 112 milioni di dollari per espandere la produzione di motori per veicoli ibridi elettrici in due stabilimenti del Kentucky, aggiungendo quasi 300.000 piedi quadrati di spazio destinato alla produzione e allo stoccaggio. 

Leggi l'annuncio di Astemo relativo agli investimenti nella produzione 

Un dibattito fondamentale per il settore dei motori elettrici 

La dipendenza dalle terre rare è già un tema centrale nell'agenda del settore dei motori elettrici. 

Al CWIEME di Berlino, produttori di motori, ingegneri, ricercatori e fornitori approfondiranno le architetture dei motori di nuova generazione, i materiali magnetici avanzati, le strategie relative ai magneti permanenti, gli avvolgimenti ad alte prestazioni e le strategie volte a ridurre i rischi legati all'approvvigionamento dei materiali. 

La questione non è più semplicemente quale architettura del motore garantisca le prestazioni più elevate. 

I produttori devono chiedersi sempre più spesso quali progetti siano in grado di coniugare prestazioni, costi, sicurezza dei materiali e produzione scalabile. 

Il lavoro di Astemo offre una risposta. Man mano che l’approvvigionamento di terre rare assume un’importanza crescente lungo tutta la catena del valore, è probabile che altri seguano l’esempio.