Il settore dei motori elettrici è sull'orlo di una rivoluzione, con progressi tecnologici destinati a ridefinire in modo radicale l'efficienza e la funzionalità. Dal ronzio degli elettrodomestici al rombo dei motori che alimentano i veicoli elettrici (EV), i motori elettrici sono parte integrante della nostra vita quotidiana. Qui, John Morehead, consulente principale presso Motion Mechatronics e membro del comitato consultivo di CWIEME Berlin, esplora le tendenze significative che non solo stanno ridefinendo l'industria automobilistica, ma stanno anche tracciando un percorso sostenibile dal punto di vista ambientale.

Negli ultimi dieci anni, il mercato dei veicoli elettrici è in crescita. Le statistiche mostrano che entro la fine del 2024 oltre il 25% di tutte le nuove immatricolazioni di autovetture sarà elettrico, e i dati di vendita raccontano una storia altrettanto elettrizzante: il mercato globale dei veicoli elettrici, valutato 291,5 miliardi di sterline nel 2023, dovrebbe più che raddoppiare, raggiungendo i 714,9 miliardi di sterline entro il 2030. Sebbene questa crescita esponenziale sia certamente degna di nota, credo che siamo solo all'inizio della rivoluzione dei veicoli elettrici. Grazie ai continui incentivi governativi che alimentano l'adozione da parte dei consumatori e ai progressi nei motori elettrici che promettono sia una maggiore autonomia che costi inferiori, le seguenti tendenze sono destinate ad accelerare in modo significativo nei prossimi anni.

Affrontare la dipendenza dai magneti in terre rare

I magneti in terre rare sono da tempo un elemento fondamentale nei veicoli elettrici, occupando una quota di mercato significativa pari all'80%. Questi magneti, solitamente realizzati in neodimio (NdFeB) e altri elementi in terre rare, sono presenti all'interno del motore e creano il campo magnetico rotante che aziona l'auto. La loro potenza consente di realizzare motori compatti ed efficienti, massimizzando l'autonomia della batteria e le prestazioni del veicolo. Tuttavia, la dipendenza dagli elementi in terre rare rappresenta una sfida. Attualmente, questi elementi delle terre rare provengono da un unico Paese e sono state sollevate preoccupazioni circa la sostenibilità e le questioni ambientali derivanti dall'estrazione e dalla lavorazione di questo elemento, nonché la sicurezza della catena di approvvigionamento.

Nonostante queste sfide, ricercatori e aziende di tutto il mondo stanno attivamente sperimentando alternative prive di terre rare. Prendiamo ad esempio Niron Magnetics, che produce magneti "clean earth" a base di nitruro di ferro. Il nitruro di ferro vanta notevoli vantaggi ambientali: il ferro e l'azoto sono elementi facilmente reperibili, a differenza del neodimio, che richiede pratiche di estrazione potenzialmente dannose. Inoltre, il costo inferiore del nitruro di ferro può tradursi in veicoli elettrici più accessibili e offrire una migliore stabilità termica, un fattore cruciale per le prestazioni e la longevità.

Dagli statori alle batterie

Meno conosciuto ma altrettanto promettente è il niobio, un elemento metallico che sta facendo passi da gigante nel settore dei veicoli elettrici. A differenza degli statori tradizionali realizzati in acciaio al silicio, il niobio ha il potenziale per essere trasformato in materiali magnetici morbidi nanocristallini. Questi materiali avanzati vantano proprietà magnetiche superiori, che consentono di ridurre significativamente le perdite per correnti parassite all'interno dello statore.

Nei motori a flusso assiale, un design che sta guadagnando terreno grazie alla sua compattezza ed efficienza, gli statori a base di niobio potrebbero potenzialmente migliorare l'efficienza complessiva del motore, traducendosi in una maggiore autonomia di guida con una singola ricarica. Aziende come CBMM e WEG sono all'avanguardia in questo entusiasmante sviluppo, aprendo la strada all'uso del niobio nella costruzione di motori. I test di validazione sperimentale della partnership ne dimostrano i vantaggi: il materiale nanocristallino contenente niobio ha ridotto le perdite totali del motore di un impressionante 53%. Ciò si traduce in un significativo aumento dell'efficienza di 6,7 punti percentuali rispetto allo stesso progetto realizzato con l'acciaio al silicio tradizionale. I loro sforzi promettono non solo motori più efficienti, ma anche potenzialmente più leggeri grazie alla minore densità del niobio rispetto all'acciaio al silicio.

L'impatto positivo della ricerca sul niobio potrebbe estendersi anche oltre il settore dei motori. Le prime ricerche suggeriscono che le sue proprietà uniche potrebbero aprire la strada allo sviluppo di materiali per batterie di nuova generazione, potenzialmente in grado di garantire una maggiore capacità e una durata più lunga.

Oltre la laminazione

Il potenziale industriale della stampa 3D sta rivoluzionando il metodo tradizionale di produzione degli statori dei motori, in cui sottili lamiere di acciaio vengono meticolosamente impilate e laminate. Questo approccio innovativo promette una nuova era di efficienza produttiva e flessibilità progettuale.

A differenza dei limiti dei metodi tradizionali, la stampa 3D offre la possibilità di creare geometrie interne complesse all'interno del nucleo dello statore. Ciò apre nuove possibilità per l'ottimizzazione dei percorsi del flusso magnetico, con potenziali miglioramenti significativi nelle prestazioni e nell'efficienza del motore. Inoltre, la stampa 3D consente di creare configurazioni complesse dello statore che non sarebbero possibili con le laminazioni, con potenziali miglioramenti in termini di prestazioni o efficienza.

Tuttavia, i vantaggi vanno oltre il prodotto finale. La stampa 3D offre un processo di produzione più snello rispetto ai metodi tradizionali, riducendo potenzialmente gli sprechi e i tempi di produzione. Questa flessibilità potrebbe rivoluzionare l'intera catena di approvvigionamento, consentendo la produzione su richiesta e la produzione localizzata più vicina agli impianti di assemblaggio.

Il vantaggio algoritmico

L'integrazione del deep learning e dell'intelligenza artificiale nello sviluppo del processo di progettazione segna un cambiamento significativo nel modo in cui i motori vengono sviluppati e ottimizzati. Tradizionalmente, la progettazione dei motori si basava sul lavoro degli ingegneri che dovevano bilanciare vari fattori come l'efficienza, la potenza erogata e i vincoli dimensionali. Tuttavia, l'intelligenza artificiale ha introdotto un nuovo potente partner nell'equazione. Sfruttando le capacità degli algoritmi di intelligenza artificiale, i produttori possono ora analizzare grandi quantità di dati relativi alle prestazioni dei motori, consentendo così all'intelligenza artificiale di identificare relazioni e modelli complessi che potrebbero sfuggire agli ingegneri umani.

Tuttavia, l'impatto dell'IA sulla progettazione dei motori va oltre la semplice analisi. Sfruttando la sua potenza di elaborazione, l'IA può fungere da assistente di progettazione virtuale ottimizzando le configurazioni dei motori per applicazioni specifiche. Ciò si traduce nella creazione di motori per veicoli elettrici con livelli di efficienza, potenza erogata e prestazioni senza precedenti. Immaginate motori realizzati su misura per uno stile di guida o un tipo di veicolo specifico, che massimizzano sia l'autonomia che l'erogazione di potenza: le possibilità sono infinite. Inoltre, l'IA è in grado di apprendere e migliorare continuamente le sue capacità di progettazione ad ogni iterazione.

L'ascesa delle macchine

I robot e altri sistemi automatizzati stanno rapidamente sostituendo le attività manuali, inaugurando una nuova era di efficienza e affidabilità. Studi condotti dalla Federazione Internazionale di Robotica (IFR) mostrano un tasso di crescita medio annuo dell'11% dei robot industriali installati a livello globale tra il 2015 e il 2021. Questa tendenza è destinata a continuare, in particolare nel settore dei motori per veicoli elettrici.

L'automazione offre diversi vantaggi chiave. I robot sono in grado di svolgere compiti ripetitivi con una precisione senza pari, riducendo al minimo gli errori umani e garantendo una qualità costante nella fabbricazione dei componenti dei motori — un rapporto McKinsey stima che l'automazione possa potenzialmente ridurre i tassi di difettosità fino al 90%, portando a un significativo miglioramento dell'affidabilità dei motori. Inoltre, l'automazione consente cicli di produzione più rapidi, consentendo ai produttori di soddisfare la domanda sempre crescente di motori elettrici trainata dalla crescita del mercato dei veicoli elettrici.

Un futuro elettrificato

Nel loro insieme, queste tendenze emergenti – dai materiali magnetici rivoluzionari alla potenza intelligente dell'IA e alla precisione dell'automazione – dipingono un quadro trasformativo per l'industria dei motori elettrici. Questa confluenza di innovazioni segna un potente cambiamento verso un futuro caratterizzato da tre pilastri: maggiore efficienza, sostenibilità incrollabile e innovazione incessante. Per i leader del settore e le parti interessate, il percorso da seguire richiede un'adozione collettiva di questi progressi. Spingendo i confini del possibile, possiamo garantire che l'industria dei motori elettrici rimanga su una traiettoria progressiva, aprendo la strada a un futuro più sostenibile ed elettrizzante della mobilità elettrica.

Per saperne di più sulle innovazioni nel settore dei motori elettrici, visita il sito sito web CWIEME Berlin , dove mettiamo a disposizione una piattaforma che consente agli esperti del settore di condividere le loro conoscenze e soluzioni con un pubblico internazionale.