Motore a magneti permanenti (PMSM)

Il motore sincrono a magneti permanenti, abbreviato di norma in PMSM, è la macchina elettrica che muove la grande maggioranza delle moderne vetture a batteria e degli ibridi plug-in. Questa supremazia nasce dal fatto che il suo rotore porta con sé il proprio campo magnetico, prodotto da potenti magneti fissi anziché da corrente fornita dall'esterno. Poiché quel campo è sempre presente, il motore non spreca energia per crearlo, e ciò conferisce al PMSM un'efficienza eccezionalmente alta insieme a un rapporto molto favorevole tra potenza e peso e tra potenza e volume. Ne deriva un'unità compatta e leggera, capace di erogare una coppia robusta già da fermo, esattamente la caratteristica di cui ha bisogno un'automobile.

Dal punto di vista meccanico il motore ha due elementi principali: uno statore fisso avvolto con bobine di rame e un rotore in rotazione nel quale sono inseriti i magneti. Quando l'inverter immette corrente alternata trifase negli avvolgimenti dello statore, si genera un campo magnetico rotante. I magneti del rotore si agganciano a questo campo e lo inseguono, così il rotore gira al suo stesso passo, ovvero in modo sincrono, ed è proprio per questo che la macchina viene definita sincrona. Nella maggior parte dei progetti automobilistici i magneti sono annegati all'interno dei lamierini in acciaio del rotore anziché applicati in superficie; questa disposizione a magneti interni aggiunge un'utile componente di coppia di riluttanza e consente al rotore di girare in sicurezza ad alti regimi senza che i magneti si stacchino.

I magneti sono in genere realizzati in lega di neodimio-ferro-boro, materiale appartenente alle terre rare, spesso arricchita con disprosio o terbio per evitare che si smagnetizzino quando si scaldano. La loro forza è all'origine dell'efficienza del motore, ma rappresenta anche il suo limite principale. Le terre rare sono costose, la loro disponibilità è concentrata in poche aree geografiche e la loro estrazione e raffinazione comportano un peso ambientale e geopolitico. Per questo i costruttori cercano di ridurre la quantità di magneti, di riprogettare i rotori per impiegare meno terre rare pesanti oppure, in alcuni modelli, di affiancare un PMSM su un asse a un motore a induzione privo di magneti sull'altro.

Un controllo preciso richiede di conoscere con esattezza la posizione del rotore, perciò il motore si affida a un sensore di posizione, di solito un resolver, che invia il dato all'inverter, il quale corregge la forma d'onda della corrente migliaia di volte al secondo. Lo stesso hardware permette al motore di funzionare come generatore durante la frenata rigenerativa, riconvertendo l'energia cinetica della vettura in carica immagazzinata. Una particolarità pratica discende dal campo permanente: poiché i magneti inducono sempre una forza controelettromotrice, un PMSM non può ruotare in folle in modo pulito come un motore a induzione e, ai regimi più alti, va gestito attivamente con la tecnica del deflussaggio per evitare un freno motore indesiderato o tensioni eccessive.

Nell'insieme della trasmissione il PMSM si colloca tra l'inverter, che gli fornisce una corrente accuratamente modellata, e un riduttore che adatta il suo elevato regime di rotazione alle ruote. La sua principale alternativa è il motore a induzione, che cede un po' di efficienza in cambio di un costo inferiore e dell'indipendenza dalle terre rare, e la scelta tra i due è una delle decisioni ingegneristiche che definiscono la trasmissione di un'auto elettrica e la sua efficienza complessiva.