Il settore dei motori elettrici è alle soglie 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. In questa occasione, John Morehead, consulente capo 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 stato in continua crescita. Le statistiche indicano che entro la fine del 2024 oltre il 25% di tutte le nuove immatricolazioni di autovetture sarà costituito da veicoli elettrici, e i dati sulle vendite raccontano una storia altrettanto elettrizzante: il mercato globale dei veicoli elettrici, valutato a 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, ritengo che ci troviamo 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 alle terre rare sono da tempo un componente fondamentale dei veicoli elettrici, con una quota di mercato pari all’80%. Questi magneti, solitamente realizzati in neodimio (NdFeB) e altri elementi delle terre rare, sono integrati nel motore e generano 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 delle terre rare rappresenta una sfida. Attualmente, questi elementi delle terre rare provengono da un unico paese e sono state sollevate preoccupazioni riguardo alla sostenibilità e alle questioni ambientali derivanti dall'estrazione e dalla lavorazione di questi elementi, nonché alla sicurezza della catena di approvvigionamento.

Nonostante queste difficoltà, ricercatori e aziende di tutto il mondo stanno sperimentando attivamente 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 si basa su pratiche minerarie 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 durata.

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 dei tradizionali statori dei motori realizzati in acciaio al silicio, il niobio può essere trasformato in materiali magnetici morbidi nanocristallini. Questi materiali avanzati vantano proprietà magnetiche superiori, che consentono di ridurre in modo significativo le perdite per correnti parassite all’interno dello statore.

Nei motori a flusso assiale — una tipologia sempre più diffusa grazie alla sua compattezza ed efficienza — gli statori a base di niobio potrebbero potenzialmente migliorare l'efficienza complessiva del motore, garantendo una maggiore autonomia con una singola ricarica. Aziende come CBMM e WEG sono in prima linea in questo entusiasmante sviluppo, aprendo la strada all'uso del niobio nella costruzione dei motori. I test di validazione sperimentali condotti dalla 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 al di là dei motori. Le prime ricerche indicano che le sue proprietà uniche potrebbero aprire la strada allo sviluppo di materiali per batterie di nuova generazione, portando potenzialmente alla realizzazione di batterie con 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 d'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 prospettive per l'ottimizzazione dei percorsi del flusso magnetico, con il potenziale di migliorare in modo significativo le prestazioni e l'efficienza del motore. Inoltre, la stampa 3D consente di realizzare configurazioni dello statore complesse, impossibili da ottenere con le lamierine, con il potenziale di migliorare ulteriormente le prestazioni o l'efficienza.

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

Il vantaggio algoritmico

L'integrazione del deep learning e dell'intelligenza artificiale nel processo di progettazione segna un cambiamento significativo nel modo in cui i motori vengono sviluppati e ottimizzati. Tradizionalmente, la progettazione dei motori si basava sulla capacità degli ingegneri di trovare un equilibrio tra vari fattori, quali l'efficienza, la potenza erogata e i vincoli dimensionali. Tuttavia, l'intelligenza artificiale ha introdotto un nuovo potente alleato in questo contesto. Sfruttando le potenzialità degli algoritmi di intelligenza artificiale, i produttori possono ora analizzare enormi quantità di dati relativi alle prestazioni dei motori, consentendo così all'intelligenza artificiale di individuare 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 propria potenza di elaborazione, l'IA può fungere da assistente virtuale alla progettazione, ottimizzando le configurazioni dei motori per applicazioni specifiche. Ciò si traduce nella creazione di motori per veicoli elettrici con livelli senza precedenti di efficienza, potenza erogata e prestazioni. Immaginate motori realizzati su misura per uno specifico stile di guida o tipo di veicolo, in grado di massimizzare sia l'autonomia che l'erogazione di potenza: le possibilità sono infinite. Inoltre, l'IA è in grado di apprendere e migliorare continuamente le proprie capacità progettuali 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. Gli 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 fondamentali. 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 produzione di componenti per 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, permettendo ai produttori di soddisfare la domanda sempre crescente di motori elettrici, trainata dalla crescita del mercato dei veicoli elettrici.

Un futuro elettrico

Nel loro insieme, queste tendenze emergenti – dai materiali magnetici all’avanguardia alla potenza intelligente dell’IA e alla precisione dell’automazione – delineano un quadro di trasformazione per il settore dei motori elettrici. Questa convergenza di innovazioni segna un profondo 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 limiti 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 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.