Nel corso degli ultimi anni, le aziende hanno cercato di ottimizzare al massimo il funzionamento dei motori elettrici. Un lavoro facilitato dalla grande semplicità dei propulsori green, i quali sono formati da una parte fissa, lo statore, da una mobile, il rotore, e da un involucro esterno. Per riuscire al meglio in questo intento hanno puntato con forza sui materiali, in particolare cercandone di sempre più leggeri.
Un lavoro, quest’ultimo, in cui sono specializzate alcune imprese tedesche, a partire da Mahle e ZF Friedrichshafen. Proprio la seconda ha appena annunciato il varo di un nuovo motore ultracompatto per auto elettriche, caratterizzato dall’assenza di magneti o terre rare. Cui si va ad aggiungere un design innovativo ideato nel preciso intento di riuscire a trasmettere l’energia attraverso un eccitatore induttivo posizionato all’interno dell’albero del rotore, senza un contatto meccanico. A distinguerlo dai cosiddetti motori sincroni ad eccitazione separata (SESM), anch’essi privi di magneti e già da tempo in circolazione, sono sia le dimensioni che la potenza garantita.
La soluzione dell’azienda tedesca, che è stata presentata all’IAA Mobility 2023, il salone dell’auto di Monaco di Baviera, secondo ZF Fiedrichshafen potrebbe rivelarsi una vera e propria rivoluzione nel settore delle auto elettriche. Un annuncio impegnativo, che non sembra però infondato.
Il motore senza terre rare e magneti promette una vera e propria rivoluzione per le auto elettriche
Il nuovo motore I2SM di ZF Friedrichshafen è al momento in fase di prova. Il prototipo, però, già ha evidenziato alcune caratteristiche di grande pregio. Non solo va ad eliminare qualsiasi necessità di magneti, ma anche a ridurre il numero dei componenti necessari per il suo funzionamento. Grazie a quest’ultima dote, si differenzia in maniera decisiva dai precedenti prototipi privi di magneti, in quanto favorisce il risparmio dello spazio necessario.
Le grandi speranze che ne stanno accompagnando l’avvento sono derivanti dai tanti problemi collegati all’utilizzo dei motori sincroni a magneti permanenti. Tale soluzione, scelta dalla maggioranza dei produttori, presenta in effetti un lato critico per quanto concerne le autovetture green. A conferirgli questa problematicità è la difficoltà nell’approvvigionamento e nello smaltimento delle terre rare, note anche come REE (Rare Earth Elements).
Indispensabili per i motori, questi elementi chimici sono 17 e sono caratterizzati da una serie di proprietà tecnologiche e industriali tali da renderli ideali nella produzione di smartphone, computer e turbine eoliche. Oltre che per i motori elettrici, appunto. Tanto che in un rapporto della Banca Mondiale risalente al 2017 si prevede chiaramente una crescita in termini di utilizzo nel futuro.
Le terre rare sono un grande problema
Le terre rare, presentano una serie di problemi di non poco conto. A partire dalla difficoltà di reperire questi materiali non in senso assoluto, bensì in concentrazioni apprezzabili all’interno di un giacimento. Una complicazione che rende il processo di estrazione lento e molto costoso.
Difficoltà tale da spingere gli interessati a salutare ogni scoperta di un giacimento con toni entusiastici. Il motivo di questo atteggiamento è da ravvisare dal fatto che, al momento, la Cina ne è il maggior produttore mondiale. In pratica, la sua posizione di forza è avvertita soprattutto dall’Unione Europea, che rischia la dipendenza dal temuto gigante asiatico anche sotto questo aspetto.
A questo problema geopolitico, si aggiunge poi quello relativo allo smaltimento. Un procedimento il quale può rivelarsi complicato in termini puramente ambientali. Considerata l’attenzione dell’opinione pubblica sotto questo particolare aspetto, non stupisce il fatto che alcune imprese abbiano iniziato a lavorare sull’ipotesi di un motore in grado di potervi rinunciare.
I vantaggi del motore senza terre rare e magneti
A presentare il nuovo motore senza terre rare e magneti è stato il Dr. Holger Klein, CEO dell’azienda fondata su impulso di Ferdinand von Zeppelin. Proprio lui, infatti, ha dichiarato che l’utilizzo del nuovo motore I2SM sarebbe in grado di ridurre le perdite di energia collegate alla trasmissione in termini superiori al 15%. Cui si andrebbe ad aggiungere una riduzione del 50% delle emissioni di gas serra associate alla sua produzione, in termini di impronta carbonica (carbon footprint).
L’azienda tedesca non sembra ora intenzionata a tergiversare e ha espresso l’idea di dare inizio in tempi rapidi alla produzione del nuovo motore. L’intento è quello di renderlo compatibile non solo con le attuali piattaforme a 400 V, ma anche con quelle future a 800 V.
Naturalmente, ZF spera in un adeguato accoglimento da parte della case automobilistiche. A favorirlo potrebbero essere non solo i vantaggi assicurati dall’eliminazione delle terre rare e dal design compatto e potente, ma anche il fatto che l’I2SM è in grado di eliminare le perdite che sono tipiche dei tradizionali motori elettrici PSM. Una dote che si traduce in una maggiore efficienza a livello operativo, soprattutto nel corso di percorsi lunghi e ad alta velocità come quelli che avvengono in autostrada.
La soluzione di Mahle
Come abbiamo ricordato in avvio, ZF non è la sola azienda a lavorare su motori elettrici privi di magneti. Anche un’altra azienda tedesca, Mahle, si è incamminata da tempo nella stessa direzione. Lo ha fatto sviluppando un nuovo motore a zero emissioni in grado di garantire una efficienza complessiva pari al 95%. Per capire meglio questo dato va ricordato come un traguardo simile sia stato conseguito soltanto dal powertrain delle monoposto elettriche di Formula E.
L’assenza di un magnete, inoltre, è in grado di assicurare maggiore affidamento e durabilità, oltre a costi più contenuti, per la mancata necessità di terre rare. La caratteristica più rilevante della soluzione proposta da Mahle è da individuare nella trasmissione delle correnti elettriche tra le parti rotanti e stazionarie senza che avvenga un contatto, grazie all’induzione. In tal modo il motore può funzionare non solo con grande efficienza ad alte velocità, ma anche senza andare incontro a usura.
Il motore elettrico della Mahle presenta poi un’architettura facilmente scalabile, che lo rende adatto all’utilizzazione in diversi tipi di vetture, dalle compatte ai veicoli commerciali. Nel presentarlo Michael Frick, presidente del consiglio di amministrazione della Mahle (ad interim) e CFO dell’azienda ha, non a caso, messo l’accento su due aspetti chiave: la possibilità di smarcamento dalla Cina per quanto riguarda le terre rare e quello di favorire un utilizzo responsabile della natura e delle risorse.
Mentre Martin Berger, Vice Presidente Corporate Research and Advanced Engineering di Mahle, ha a sua volta indicato in questo prodotto una reale svolta. In particolare, ha affermato: “Il nostro motore senza magneti può essere considerato una svolta, perché fornisce diversi vantaggi che non sono ancora stati combinati in un prodotto di questo tipo. Di conseguenza, possiamo offrire ai nostri clienti un prodotto con un’efficienza eccezionale a un costo relativamente basso”.
Una reale svolta
Dichiarazioni che vanno naturalmente attualizzate e aggiornate alla luce della nuova proposta di ZF Friedrichshafen. Secondo gli esperti, infatti, da un confronto tra i due prototipi emerge un dato di fatto al momento difficilmente confutabile: la soluzione di ZF non solo è più promettente, ma anche più performante. A scavare un solco in tal senso sono soprattutto le dimensioni più contenute, che potrebbe tradursi in un notevole vantaggio aerodinamico.
Quello che comunque sembra certo, è che il motore senza terre rare e magneti rappresenta una soluzione molto promettente per le auto elettriche occidentali. La compressione dei costi, infatti, si andrebbe ad aggiungere all’eliminazione di approvvigionamenti di terre rare che sta creando non pochi problemi. Soprattutto da un punto di vista geopolitico, in quanto la Cina potrebbe interrompere le forniture nel caso di una guerra commerciale. Ipotesi che sembra tornare ad aleggiare dopo la decisione dell’Unione Europea di aprire un’inchiesta sui prezzi troppo bassi delle vetture cinesi. Una mossa che Pechino non sembra intenzionata a subire senza rispondere.