Motore elettrico: come funziona, quali vantaggi e quali gli svantaggi

In questo articolo proviamo a rispondere alla domanda principale: che cos’è un motore elettrico e come funziona esattamente? Sembra un oggetto relativamente semplice rispetto al motore termico, che invece ha bisogno di carburante, pistoni, bielle e camere di combustione, con molti vantaggi in termini di coppia e silenziosità, ma scopriremo che anche i motori elettrici hanno le loro complicazioni. Inoltre, la manutenzione non è per tutti, poiché le tensioni (e gli amperaggi) in gioco sono elevati; quindi, senza le dovute conoscenze elettriche è meglio non mettere mano.

Quando viene montato su un’auto il primo motore elettrico?

L’auto elettrica ha fatto le sue prime apparizioni nella prima metà dell’Ottocento con la carrozza elettrica realizzata da Robert Anderson, mentre il primo prototipo di auto elettrica fu realizzato da Thomas Parker nel 1884, utilizzando delle batterie speciali ad alta capacità da lui progettate. La propulsione elettrica era preferibile tra la fine del XIX secolo e l’inizio del XX secolo, in quanto le prime auto elettriche fornivano un livello di comfort e di affidabilità che non poteva essere raggiunto attraverso le macchine a combustione del tempo, insicure e “sporche” e rumorose.

I veicoli elettrici, nel corso dei primi anni del XX secolo per un certo tempo vendettero di più rispetto ai veicoli a combustione. A causa però dei limiti tecnologici delle batterie del tempo, e della mancanza di una qualsiasi tecnologia di controllo della carica, la velocità massima limitata, questi veicoli si estinsero in fretta, per tornare in auge solo alle fine del XX secolo.

Come funziona il motore elettrico?

Il motore elettrico utilizza l’energia elettrica accumulata dalla batteria trasformandola nell’energia meccanica necessaria a far muovere la vettura. L’energia elettrica accumulata dalla batteria viene trasferita al motore elettrico grazie all’inverter. Questo dispositivo trasforma la corrente continua dell’accumulatore in corrente alternata e la invia al motore. In fase di rilascio dell’acceleratore o frenata, il motore elettrico auto funge da generatore e ricarica la batteria.

I motori elettrici hanno complessivamente una maggiore efficienza energetica rispetto a quasi tutti i motori a combustione interna. Il motore a benzina ha una efficienza energetica attorno al 27-30%, un motore a gasolio si avvicina al 40%. Un motore elettrico a seconda della tipologia e della sua potenza, può anche essere prossimo tra l’85 (induzione) e il 95% (brushless).
Bisogna, inoltre, tenere conto del fatto che il motore elettrico non consuma nei casi di fermo/stop e i sistemi di recupero dell’energia cinetica dissipata in frenata tipo KERS consentono di recuperare mediamente un quinto dell’energia nei rallentamenti, cosa che non può avvenire nei motori termici. Nelle stesse condizioni d’uso i veicoli a combustione perdono significativamente in efficienza nelle frequenti fasi di accelerazione e nelle soste a motore acceso tipiche cittadine.

Come abbiamo accennato in precedenza, il componente che converte la tensione continua in alternata e modula quest’ultima per variare coppia e potenza del motore è l’inverter. L’energia a corrente continua della batteria entra in questo dispositivo ed esce sotto forma di corrente alternata trifase che viene immessa nel motore. Anche la frenata rigenerativa è gestita da questo elemento, che dev’essere in grado di interpretare la decelerazione voluta dal guidatore e raccordarla con quella dei classici freni ad attrito. L’inverter è quindi un componente prestante e sensibile allo stesso tempo: gestisce potenze di centinaia di kW modulandoli finemente secondo i voleri del guidatore.

Elemento fondamentale di un motore elettrico per auto sono le batterie. Questa componente è, ad oggi, il cruccio dei vari costruttori dato che l’elemento penalizzante delle vetture elettriche è l’autonomia. Per i modelli dotati di batterie al litio, le case costruttrici dichiarano un’autonomia che varia in media da 150 a 550 Km, ma ovviamente questa può variare anche in base allo stile di guida adottato dal conducente e dai percorsi: in città sarà massima, in autostrada calerà vistosamente.

Tipologie di motore elettrico

I moderni motori elettrici si dividono tra motori in corrente continua (DC) e motori in corrente alternata (AC). Tuttavia, non è questa una classificazione estremamente precisa, poiché esistono anche i cosiddetti motori ibridi, che sono costruttivamente simili ai DC ma che possono essere alimentati anche in AC. Diverse distinzioni si possono fare in base ad altre caratteristiche: per esempio, la distinzione tra motori sincroni, nei quali la velocità di rotazione dell’asse è rigidamente vincolata alla frequenza della tensione di alimentazione, ed asincroni, in cui la velocità di rotazione dell’asse è sempre minore della velocità di rotazione del campo rotante che dipende dalla frequenza della tensione di alimentazione; pertanto una delle classificazioni in cui possono essere suddivisi i motori elettrici sono motore asincrono, motore sincrono, motore in corrente continua, motore in corrente alternata, motore monofase, motore trifase e motore passo-passo.

Non mancano poi i motori brushless (letteralmente “senza spazzole”) è un motore elettrico in corrente continua con il rotore a magneti permanenti e lo statore a campo magnetico rotante. Non ha quindi bisogno di contatti elettrici striscianti (spazzole) sull’albero motore per funzionare. La commutazione della corrente circolante negli avvolgimenti dello statore, e quindi la variazione dell’orientamento del campo magnetico da essi generato, avviene elettronicamente. Ciò comporta una minore resistenza meccanica, elimina la possibilità che si formino scintille al crescere della velocità di rotazione, e riduce notevolmente la necessità di manutenzione periodica.

Motore elettrico: quali sono i vantaggi?

Ci sono voluti diversi anni per capirne le potenzialità, ma oggi le auto elettriche cominciano a trovare sempre più spazio negli interessi di molti automobilisti. Tra i numerosi vantaggi del motore elettrico ricordiamo:
– coppia e potenza di spunto elevate e comunque maggiori di un motore termico di pari ingombro/peso;
– silenziosità elevata;
– basse vibrazioni.

Su strada, l’auto elettrica procede in modo fluido, scattante e totalmente silenzioso e può godere di una coppia istantanea che consente una spinta immediata rispetto a una vettura dotata di un motore di tradizionale, salvo poi avere meno “fiato” alle alte velocità, poiché la coppia dell’elettrico è presente tutta subito e poi cala all’aumentare dei regimi di rotazione.

Oggigiorno poi le modalità di carica di un’auto elettrica sono flessibili, veloci e adatte alle diverse situazioni quotidiane. Sono possibili solitamente tre modalità di ricarica:
– da una presa domestica classica, non servono installazioni particolari, ma per una ricarica completa servono circa 20-30 ore;
– da una WallBox da fissare in garage: permette una ricarica completa in 5-8 ore nella versione trifase (11 kW) o in 8-12 ore in monofase (7,4 kW);
– da una colonnina di ricarica pubblica dedicata, in questo tutto dipende dalla capacità di recepire la corrente. Se di circa 100 kW oppure oltre e quindi di raggiungere l’80% della ricarica in soli 15-30 minuti.

Ricaricare una auto elettrica sempre al 100% in modo rapido è sconsigliato, poiché la velocità di ricarica è inversamente proporzionale alla saturazione della batteria: quindi il tempo per caricare la batteria dal 20 all’80% di capacità può essere lo stesso che caricare dall’80% alla completa carica. Sulle moderne vetture elettriche è possibile inoltre una ricarica programmabile a distanza: dal touchscreen o dall’applicazione scaricabile sullo smartphone. Questo sistema permette anche di avviare o di interrompere la ricarica in qualsiasi momento e di verificare lo stato della carica stessa e seguirlo dal telefono.

Un altro vantaggio del motore elettrico è la possibilità di avere diverse modalità di guida per privilegiare lo spunto, la sportività o i consumi e quindi l’autonomia. Infine, di solito due o più modalità di frenata rigenerativa sono selezionabili con tipologie specifiche di rigenerazione della batteria:
– moderata, per un feeling al pedale simile a quelle di un veicolo a motore termico;
– aumentata, per una decelerazione del veicolo controllata dal pedale dell’acceleratore, con maggiore recupero di energia in decelerazione e una caratterizzazione OnePedal Drive.

Inoltre per come è composta un’auto elettrica rispetto ad una convenzionale, la manutenzione è gioco forza meno ‘invasiva’. Basta seguire il buon senso: le automobili totalmente elettriche hanno un ‘cuore’ composto da molti meno componenti rispetto alle sorelle a combustione e quindi sono meno soggette a guasti puramente meccanici.
Non dispongono infatti di tutta una serie di apparecchiature necessarie al corretto funzionamento di un motore endotermico, perché i propulsori non richiedono sostituzione di candele, iniettori o filtri, nello specifico dell’aria, del combustibile e dell’olio lubrificante. Dopotutto le EV sviluppano una minima quantità di calore, quindi i sistemi lubrificanti o di raffreddamento e relativi fluidi circolanti sono meno complessi o non esistono.

Il sistema di trasmissione, monomarcia o al massimo bi-marcia, è molto semplificato, non c’è la frizione e mancano le cinghie. L’impianto frenante poi ha vita molto più lunga, grazie alla frenata rigenerativa che salvaguardia quasi del tutto le pastiglie.
In sostanza, la manutenzione ordinaria di una EV è quasi nulla: quello che va sempre tenuto sott’occhio sono ‘solo’ lo stato degli pneumatici, dei fari, dei freni, delle spazzole tergicristalli e il comparto elettronico e degli ADAS, che, essendo spesso sofisticato, richiede attenzioni mirate e programmate. Tutto ciò comporta un risparmio già in partenza di rilievo, che si arricchisce del mancato costo del “pieno” di benzina, di cui l’auto elettrica non necessita per muoversi.

Non ultimi i vantaggi “indiretti” derivati dall’utilizzo di motori elettrici sono uno sgravio fiscale importante, l’accesso ai centri storici e qualche parcheggio cittadino gratuito.

Motore elettrico: quali sono gli svantaggi?

Per le riparazioni sui motori elettrici, in termini generali le case si sono attrezzate con servizi completamente in-house presso i riparatori ufficiali. Stanno comunque crescendo anche le competenze di riparatori indipendenti. Molti operatori stanno lavorando sulla formazione di meccatronici per colmare un gap occupazionale, anche in ottica di sviluppo futuro della mobilità elettrica nel nostro Paese.

Insomma lavorare su un’auto elettrica non è facile e l’officina deve esser dotata di appositi strumenti per agire su componenti ad alta tensione. Occorre, oltre a partecipare ad appositi corsi ed abilitazioni, anche dotare l’officina di appositi attrezzi ideati per lavorare su componenti a 400 o 800 volt. Inoltre occorre maggior tempo per mettere in sicurezza la zona di lavoro e una dotazione completa e sicura sotto il punto di vista del pericolo di folgorazione, una pinza amperometrica può tornare utile per capire se c’è un assorbimento di corrente, oltre che strumenti adeguati e isolati come cacciaviti isolati 1000V, pinze e tronchesi isolate, chiavi anch’esse isolate.
E’ buona norma lavorare su un tappetino isolante e recintare l’area di lavoro con catenelle e appositi cartelli.

In questo caso sconsigliamo ogni operazione fai da te. La manutenzione “casalinga” su auto elettriche è possibile solo per quei componenti standard comuni ad autovetture termiche come tergicristalli, pneumatici, batteria 12v, pastiglie dei freni, filtro antipolline, ecc..

Non ultimo il discorso autonomia, che sulle elettriche più moderne raggiunge anche i 500-600km in alcune condizioni e sulle batterie più capienti, ma che poi richiedono diverse decine di minuti, se non ore per esser ricaricate.
Inoltre occorre poi approfondire l’annoso problema dello smaltimento di motori e batterie auto che prevedono metalli rari al loro interno e sono meno “green” dal punto di vista del riciclo delle auto totalmente termiche.