I produttori di motori elettrici si affidano da tempo ai magneti in terre rare per garantire le prestazioni richieste dalle applicazioni moderne. Le loro eccezionali proprietà magnetiche hanno favorito i progressi in termini di efficienza, densità di potenza e design compatto dei motori in settori che spaziano dall’automazione industriale ai trasporti elettrificati. 

Tuttavia, con l’aumento costante della domanda, crescono anche le preoccupazioni relative alla sicurezza dell’approvvigionamento. 

L’incertezza geopolitica, la volatilità dei prezzi e l’impatto ambientale legato all’estrazione delle terre rare stanno spingendo i produttori a riconsiderare approcci progettuali consolidati da tempo. Anziché chiedersi come procurarsi maggiori quantità di terre rare, molti stanno ora valutando se sia possibile progettare la prossima generazione di motori elettrici senza ricorrere a tali materiali.  

L'innovazione nei materiali sta guidando l'innovazione nel design 

Sostituire i magneti in terre rare non significa semplicemente sostituire un materiale con un altro. I materiali alternativi hanno comportamenti diversi, il che richiede agli ingegneri di ripensare l'architettura del motore partendo da zero. 

Una direzione promettente consiste nel combinare magneti al nitruro di ferro con compositi magnetici morbidi per realizzare motori ad alte prestazioni senza ricorrere agli elementi delle terre rare. Il nitruro di ferro offre elevate prestazioni elettromagnetiche pur utilizzando materiali abbondanti come il ferro e l’azoto, contribuendo così a ridurre l’esposizione alle interruzioni della catena di approvvigionamento. 

Allo stesso tempo, i compositi magnetici morbidi aprono nuove possibilità nella progettazione dei motori. Le loro proprietà magnetiche isotropiche e le basse perdite di energia li rendono particolarmente adatti ai percorsi tridimensionali del flusso magnetico, consentendo, in determinate applicazioni, architetture dei motori più compatte ed efficienti rispetto ai modelli convenzionali in acciaio laminato.  

Le prestazioni rimangono la priorità 

I materiali alternativi potranno affermarsi su larga scala solo se riusciranno a soddisfare le aspettative in termini di prestazioni degli utenti industriali. 

I progettisti stanno affrontando questo problema ottimizzando le topologie dei motori per massimizzare la coppia, migliorare la stabilità termica e proteggere i materiali magnetici in condizioni operative impegnative. Le architetture a flusso assiale, insieme a configurazioni del rotore progettate con cura, consentono a questi nuovi materiali di garantire un’elevata densità di coppia, mantenendo al contempo l’integrità meccanica. 

I test hanno dato risultati incoraggianti. I prototipi di motori hanno raggiunto rendimenti superiori al 90% in un ampio intervallo di funzionamento, mantenendo al contempo ottime prestazioni elettromagnetiche e un’elevata affidabilità meccanica. È importante sottolineare che le prestazioni misurate corrispondevano strettamente ai risultati delle simulazioni, rafforzando la convinzione che questi concetti possano passare dalla fase di sviluppo in laboratorio ad applicazioni industriali concrete.  

Rafforzare la resilienza della catena di approvvigionamento 

Per i produttori, la scelta dei materiali non è più determinata esclusivamente dalle prestazioni tecniche. La resilienza della catena di approvvigionamento è diventata un fattore altrettanto importante nella progettazione. 

I materiali magnetici alternativi offrono l’opportunità di ridurre la dipendenza da catene di approvvigionamento globali soggette a limitazioni, garantendo al contempo costi di produzione più prevedibili. Allo stesso tempo, i metodi di produzione dei compositi magnetici morbidi possono ridurre la complessità del processo produttivo e diminuire l’impatto ambientale associato alla produzione dei componenti. 

Il risultato è una definizione più ampia di ottimizzazione dei motori, che concilia efficienza, producibilità, sostenibilità e sicurezza dell'approvvigionamento a lungo termine, anziché concentrarsi su un unico indicatore di prestazione.  

La nuova generazione di motori 

È improbabile che l'abbandono dei materiali delle terre rare avvenga dall'oggi al domani. Le tecnologie magnetiche convenzionali continueranno a svolgere un ruolo importante in numerose applicazioni. 

Ciò che sta cambiando è la gamma di opzioni a disposizione dei progettisti. I progressi nella scienza dei materiali, nella simulazione e nei test stanno dimostrando che è possibile costruire motori elettrici ad alte prestazioni utilizzando combinazioni di materiali alternativi che in precedenza erano considerate poco pratiche. 

Con l’accelerarsi dell’elettrificazione nei settori manifatturiero, dei trasporti e dei sistemi industriali, gli ingegneri valuteranno sempre più spesso le tecnologie dei motori non solo in base alla loro efficienza, ma anche alla loro capacità di resistere alle future pressioni sulla catena di approvvigionamento.  

Queste sono le sfide ingegneristiche che stanno plasmando il futuro dello sviluppo dei motori elettrici. Al CWIEME di Berlino, esperti di materiali, produttori di motori e ingegneri progettisti si riuniscono per approfondire come i progressi nei materiali magnetici, nelle tecnologie di produzione e nelle architetture dei motori stiano ridefinendo l’ingegneria elettrica. Man mano che il settore continua a evolversi, la collaborazione lungo tutta la catena del valore sarà fondamentale per portare la prossima generazione di tecnologie motoristiche alla produzione commerciale.