Progetto, realizzazione e sperimentazione dei motori di trazione per un veicolo elettrico con ruote interamente sterzanti

                                                                                                           Introduzione 
 2
Il progetto viene affrontato dapprima in maniera generale ottenendo 
un primo dimensionamento della macchina poi, in maniera più 
specifica, affrontando separatamente la trattazione delle 
problematiche magnetiche ed elettriche. 
Nel quinto e sesto capitolo vengono descritte le previsioni teoriche 
del comportamento del motore. 
Lo studio teorico riguarda sia le specifiche della macchina, quali 
perdite e rendimento, sia il suo comportamento termico valutato con 
tecniche di simulazione. 
Il settimo capitolo mostra la macchina dal punto di vista meccanico 
con particolare attenzione alla progettazione della sua sospensione; 
segue una documentazione fotografica di tutti i componenti. 
L’ultimo capitolo, infine, è costituito dalle prove sperimentali volte 
a verificare la validità delle previsioni teoriche oltre a stabilire le 
reali prestazioni del motore. 
Alla luce di questi risultati è stata verificata la validità del progetto; 
è quindi possibile prevedere i valori delle grandezze fondamentali, 
da ottenersi in successive prove sul prototipo, nei vari regimi di 
funzionamento che esso può assumere. 
                                                                                         Capitolo I: Power train 
 3
POWER TRAIN 
 
 
I.1 Descrizione generale del “Power Train” 
 
Al fine di ottenere un sistema di propulsione più efficiente, i veicoli 
del futuro, siano essi puramente elettrici o ibridi, dovranno essere 
mossi da motori ad accoppiamento diretto con le ruote. Riuscendo 
inoltre ad integrare il motore all’interno della ruota, si ottiene di 
conseguenza l’eliminazione di alberi, semi-assi, differenziali, 
frizioni e riduttori di velocità e, quindi, delle perdite di 
trasmissione, riducendo il peso del veicolo ed inoltre semplificando 
enormemente la progettazione meccanica di tutto il veicolo. 
In attesa che siano disponibili batterie che consentano maggiore 
autonomia nonché infrastrutture tali da consentire una ricarica delle 
stesse agevole e veloce, la scelta che attualmente meglio consente 
di coniugare le esigenze di basse emissioni e lunghi spostamenti è 
quella del veicolo ibrido.  
È in questo scenario che si colloca il progetto per la costruzione di 
un “Power train” ovvero di un sistema di propulsione per un veicolo 
di nuova concezione destinato a coprire la categoria di mercato 
delle “mini-utilitarie” o delle autovetture “compatte”. Tuttavia un 
simile veicolo non deve dimenticare di includere i più recenti 
progressi nel settore automobilistico, che sta proponendo nuove 
tecnologie al fine di migliorare le caratteristiche di guidabilità, 
                                                                                         Capitolo I: Power train 
 4
come ad esempio le quattro ruote sterzanti (4WS), le quattro ruote 
motrici (4WD), il sistema anti-pattinamento (ABS) ed il controllo 
della trazione. 
Queste nuove tecnologie necessitano di modificare le forze 
impresse a ciascuna delle ruote anteriori e posteriori, e ciò significa 
controllare ciascuna ruota separatamente, aggiungendo nuove 
strutture meccaniche a quelle già esistenti. Un veicolo 
convenzionale utilizza, al giorno d’oggi, un sistema di propulsione 
in cui la potenza proveniente dal motore è suddivisa fra almeno due 
ruote motrici, di conseguenza devono essere aggiunti meccanismi 
che rendono molto complessa la struttura meccanica del veicolo e 
richiedono sempre maggiore spazio e peso. Specialmente poi nel 
caso di ruote sterzanti che siano anche motrici, è necessario non 
solo farle ruotare attorno al proprio braccio porta ruota, ma anche 
fornire loro la forza propulsiva. 
Una possibile soluzione alla complessità delle strutture meccaniche 
è costituita da quattro ruote sterzanti, ciascuna montata sul proprio 
braccio della sospensione, per conferirle la possibilità di sterzare, e 
mossa indipendentemente da un propulsore elettrico montato 
internamente al cerchione. 
In questo modo, dal momento che ogni ruota motrice può montare il 
proprio propulsore elettrico, è possibile eliminare qualunque altro 
organo meccanico, semplificando perciò la progettazione del 
veicolo e liberando all’interno del veicolo spazio per beni e 
persone. 
                                                                                         Capitolo I: Power train 
 5
Tuttavia, azionamenti caratterizzati da bassa velocità ed elevata 
coppia, dedicati alla propulsione elettrica di veicoli, devono 
soddisfare specifiche molto stringenti quali, ad esempio, elevata 
densità di coppia ed elevata capacità di sovraccarico, complicando 
notevolmente la progettazione sia del motore che dei circuiti 
elettronici di potenza. Inoltre, montare il motore all’interno della 
ruota è un obiettivo desiderabile, ma che pone vincoli geometrici 
sul diametro della macchina e richiede una costruzione totalmente 
chiusa, al fine di garantire una adeguata protezione dall’ambiente 
esterno. Di qui nasce l’esigenza di un sistema di raffreddamento 
molto efficiente che permetta di ottenere le prestazioni desiderate. 
Se da un lato i motori convenzionali, siano essi con alimentazione 
in alternata oppure in continua, hanno una bassa densità di coppia e 
ridotta capacità di sovraccarico, dall’altro lato azionamenti di tipo 
brushless progettati per lavorare a basse velocità e coppie elevate 
rispondono meglio alle specifiche richieste per la loro possibile 
applicazione all’interno di veicoli elettrici ed ibridi. Ciò è dovuto 
essenzialmente alla disponibilità di nuovi materiali per magneti 
permanenti caratterizzati da alta densità di energia, che hanno 
aperto la strada allo sviluppo di nuove strutture di motori con un 
elevato rapporto coppia-peso e notevole capacità di sovraccarico, 
adatti per l’accoppiamento diretto alle ruote di un veicolo. 
Tra le diverse tipologie di motori brushless dalla struttura 
innovativa che sono stati oggetto di studio, le macchine a magneti 
permanenti a flusso assiale avvolte su nucleo in ferro o in aria, 
                                                                                         Capitolo I: Power train 
 6
hanno dimostrato di essere delle ottime candidate per le 
applicazioni relative ai veicoli elettrici ed ibridi, dal momento che 
la loro particolare forma a disco ben si adatta all’accoppiamento 
diretto nella ruota e inoltre esse possono essere progettate per 
ottenere valori molto elevati del rapporto coppia-peso senza 
penalizzare il rendimento.  
Le macchine a magneti permanenti a flusso assiale mantengono 
tutti i vantaggi tipici dei motori brushless tradizionali, ma in 
aggiunta offrono miglioramenti dal punto di vista del ripple di 
coppia, delle minori perdite nel ferro e nel rame, della maggiore 
efficienza nella rimozione del calore dall’avvolgimento di statore e 
della semplicità costruttiva. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
                                                                                         Capitolo I: Power train 
 7
I.2 Struttura del “Power Train” 
 
La struttura del Power Train è quella di un sistema ibrido di tipo 
serie, che può essere divisa essenzialmente in due parti: una sezione 
di alimentazione ed una di trazione. Alla prima sezione competono 
un motore termico di piccola cilindrata, un generatore sincrono a 
magneti permanenti, un ponte raddrizzatore trifase, anche un 
convertitore c.c./c.c. a cui è affidato anche il compito di recuperare 
l’energia di frenatura. Alla seconda sezione competono gli inverter 
trifase che alimentano i quattro motori elettrici di trazione.   
 
I.2.1 Sistema di propulsione 
Il sistema di propulsione è costituito da quattro azionamenti 
gemelli, basati su motori brushless a magneti permanenti a flusso 
assiale, che ben si adattano per le loro caratteristiche, ad essere 
montati all’interno delle ruote. Ciascun motore è alimentato da un 
proprio convertitore elettronico di potenza, del tipo a tensione 
impressa (VSI) con controllo sinusoidale della corrente, realizzato 
con moduli intelligenti ad IGBT. La comunicazione tra ogni singolo 
motore ed il proprio inverter avviene tramite due tipi di trasduttori: 
trasduttori di posizione (ad esempio encoder) e trasduttori di 
corrente (ad esempio sonde ad effetto Hall). Un sistema di gestione 
degli stati del veicolo, detto “supervisore”, fornisce le opportune 
grandezze di comando a ciascuno dei quattro azionamenti 
                                                                                         Capitolo I: Power train 
 8
interpretando i comandi di plancia e trasmettendoli ai singoli 
azionamenti, come in figura I.1. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura I.1: struttura del sistema di trazione 
 
I convertitori ricevono l’alimentazione da un link in continua 
comune, prelevando l’energia dal generatore elettrico ed anche da 
due sorgenti utilizzate per l’immagazzinamento di energia: 
accumulatori elettrochimici e supercondensatori. 
Caratteristica peculiare del prototipo a cui il Power Train è 
destinato, è la possibilità di utilizzare un sistema a quattro ruote 
sterzanti che facilita le operazioni di manovra e parcheggio; la 
sterzatura delle ruote in tali condizioni è realizzata elettricamente, 
                                                                                         Capitolo I: Power train 
 9
tramite gli azionamenti di propulsione, e gestita esternamente dal 
“supervisore”. 
A tale proposito, occorre precisare che la rotazione di ogni braccio 
porta ruota rispetto al telaio è ottenuta mediante l’impiego di un 
servo-azionamento elettrico, gestito da un sistema di controllo 
elettronico. Grazie a questa soluzione sono eliminati i tradizionali 
collegamenti meccanici tra volante e ruote (piantone, scatola sterzo, 
tiranteria, ecc.) con un notevole risparmio di peso e riduzione degli 
ingombri. 
 
I.2.2 Motore termico 
Le specifiche di partenza per la progettazione del prototipo del 
motore termico sono le seguenti: 
 ξ  Potenza all’albero: 10-15 kW. 
 ξ  Cilindrata: 250 cc (2T), 450 cc (4T). 
 ξ  Consumo specifico previsto 280-300 g/kWh . 
Per quanto riguarda il regime di rotazione, si è attualmente in grado 
di raggiungere, in accordo con le specifiche del fornitore degli 
iniettori, una velocità di rotazione di 3000 giri/min nel caso di 
motori 2T o equivalentemente di 6000  giri/min nel caso di motori a 
4T. Tali velocità di rotazione dovranno comunque essere correlate 
con i valori ammessi dal generatore elettrico, per il quale non si 
ritiene opportuno superare i 4500 giri/min.