Motori elettrici senza terre rare

I motori elettrici senza terre rare rappresentano oggi una delle direttrici più promettenti nella ricerca e sviluppo dei sistemi di trazione per la mobilità elettrica. Tecnologie come i motori induttivi, i motori sincroni a campo avvolto e i motori a commutazione selettiva si configurano come alternative concrete ai tradizionali motori a magneti permanenti, consentendo di ridurre la dipendenza dai materiali critici e di mitigare i rischi legati alla catena di approvvigionamento globale.

A partire dalla diffusione dei veicoli ibridi ed elettrici, avviata con il lancio della Toyota Prius nel 1997, l’impiego di magneti permanenti a base di terre rare nei motori di trazione è diventato progressivamente predominante. In particolare, il neodimio–ferro–boro (NdFeB), un materiale magnetico duro ad alte prestazioni, ha consentito lo sviluppo di motori caratterizzati da elevata densità di potenza, coppia elevata e notevole compattezza, prestazioni difficilmente raggiungibili con tecnologie alternative.

Tuttavia, la crescente attenzione verso sostenibilità ambientale, sicurezza delle forniture e riduzione dei costi sta spingendo il settore verso soluzioni innovative che limitino o eliminino l’uso delle terre rare, aprendo la strada a una nuova generazione di motori elettrici per i veicoli del futuro.

In questo contesto, i motori elettrici senza terre rare stanno emergendo come una soluzione strategica e la ricerca ha iniziato a produrre risultati interessanti e promettenti.

Il ruolo delle terre rare nei motori elettrici

Proprietà magnetiche degli elementi delle terre rare

Gli elementi delle terre rare (REE) possiedono proprietà magnetiche uniche che li rendono fondamentali in numerose tecnologie avanzate. In particolare, elementi come neodimio, samario, disprosio e terbio possono essere combinati con materiali ferromagnetici quali ferro e cobalto per formare magneti permanenti estremamente performanti.

Questi materiali sono caratterizzati non solo da elevata intensità magnetica, ma anche da una forte resistenza alla smagnetizzazione, qualità essenziale per applicazioni ad alte prestazioni come i motori elettrici.

Una grandezza chiave per valutare queste caratteristiche è il prodotto energetico massimo, espresso in megagauss-oersted (MGOe). I magneti al neodimio-ferro-boro, attualmente i più diffusi, raggiungono valori compresi tra 30 e 55 MGOe, rendendoli i più potenti magneti permanenti disponibili su scala commerciale.

Impatto dei magneti sulle prestazioni dei motori

Nei motori elettrici a magneti permanenti, le proprietà dei magneti influenzano direttamente le prestazioni complessive. Magneti più potenti consentono infatti di realizzare motori più efficienti, compatti e leggeri

Per questo motivo, i motori destinati ai veicoli elettrici più avanzati utilizzano prevalentemente magneti NdFeB. Tuttavia, attraverso una progettazione ottimizzata, è possibile ridurre il divario prestazionale rispetto a soluzioni che impiegano magneti alternativi o che ne sono completamente prive.

Tipi fondamentali di motori elettrici

Dal punto di vista costruttivo, i motori elettrici si suddividono principalmente in due categorie ovvero motori sincroni e motori a induzione (asincroni)

La maggior parte dei motori elettrici moderni utilizza motori sincroni a magneti permanenti, in cui il rotore è dotato di magneti. I motori a induzione, invece, impiegano esclusivamente elettromagneti e sono quindi intrinsecamente privi di terre rare.

Nonostante questo vantaggio, i motori a induzione sono meno diffusi nei veicoli elettrici perché, in generale, presentano prestazioni inferiori rispetto ai motori sincroni a magneti permanenti.

Principio di funzionamento dei motori sincroni

Nei motori sincroni, il rotore ruota in sincronia con il campo magnetico rotante generato dallo statore.

Il rotore è dotato di magneti permanenti disposti lungo la sua circonferenza, mentre lo statore contiene avvolgimenti percorsi da correnti elettriche variabili che generano un campo magnetico rotante. L’interazione tra i campi magnetici di statore e rotore produce forza, rotazione e coppia.

Varianti dei motori sincroni

I motori sincroni comprendono diverse configurazioni, tra cui:

-Motori sincroni a magneti permanenti a montaggio superficiale
I magneti sono posizionati sulla superficie del rotore e la coppia è generata dall’interazione diretta tra i campi magnetici.

-Motori sincroni a riluttanza
In questa configurazione, il rotore non contiene magneti permanenti. La rotazione è ottenuta sfruttando la riluttanza magnetica, ovvero la resistenza di un materiale al passaggio del flusso magnetico. I materiali ferromagnetici, caratterizzati da bassa riluttanza, tendono ad allinearsi con il campo magnetico, generando il moto.

Limiti e prospettive delle alternative senza terre rare

La sostituzione dei magneti a base di terre rare con soluzioni alternative comporta generalmente un compromesso in termini di prestazioni. Tuttavia, i progressi nella progettazione elettromagnetica, nei materiali e nei sistemi di controllo stanno contribuendo a ridurre questo divario.

Nel medio-lungo termine, l’innovazione tecnologica potrebbe non solo compensare tali differenze, ma anche rendere competitive — o persino superiori — le soluzioni prive di terre rare.

Sviluppo di motori elettrici senza terre rare

La crescente attenzione verso i motori elettrici senza terre rare nasce da una combinazione di fattori economici, strategici e ambientali che stanno ridefinendo le priorità dell’industria della mobilità elettrica.

Uno degli aspetti più critici riguarda la disponibilità e distribuzione geografica delle terre rare. Questi elementi sono concentrati in un numero limitato di aree del pianeta, il che espone la filiera industriale a rischi geopolitici e a possibili interruzioni nella catena di approvvigionamento. Di conseguenza, la dipendenza da tali materiali rappresenta una vulnerabilità per i produttori di veicoli elettrici.

A ciò si aggiunge la forte volatilità dei prezzi delle materie prime. Elementi come il neodimio e il disprosio possono subire oscillazioni significative, influenzando direttamente i costi di produzione dei motori e, in ultima analisi, il prezzo dei veicoli. In questo contesto, lo sviluppo di soluzioni alternative consente di stabilizzare i costi e migliorare la sostenibilità economica nel lungo periodo.

Un ulteriore elemento riguarda l’impatto ambientale associato all’estrazione delle terre rare e alla loro raffinazione. Questi processi sono spesso caratterizzati da elevato consumo energetico, produzione di rifiuti e potenziali contaminazioni ambientali. La riduzione o eliminazione di tali materiali contribuisce quindi a rendere l’intero ciclo di vita dei motori elettrici più sostenibile.

Dal punto di vista tecnologico, l’interesse verso i motori privi di magneti permanenti stimola inoltre innovazione nella progettazione elettromagnetica, nei sistemi di controllo e nei materiali. Architetture come i motori a riluttanza o i motori sincroni a eccitazione elettrica dimostrano che è possibile ottenere prestazioni competitive anche senza l’impiego di terre rare, aprendo nuove prospettive progettuali.

In questo scenario, i motori elettrici senza terre rare non rappresentano soltanto un’alternativa, ma una direzione strategica per garantire maggiore resilienza industriale, sostenibilità ambientale e indipendenza tecnologica nel settore dei veicoli elettrici.

Proprietà magnetiche e limiti dei materiali alternativi

Parametri fondamentali dei magneti permanenti

Per valutare l’idoneità di un magnete permanente privo di terre rare all’impiego nei motori di trazione, è necessario considerare alcune proprietà chiave, oltre al prodotto energetico massimo.

La remanenza rappresenta l’intensità del campo magnetico che permane nel materiale dopo la rimozione del campo magnetizzante. Essa è fondamentale perché determina la capacità del magnete di generare forze magnetiche utili: maggiore è la remanenza, maggiore sarà la coppia producibile dal motore.

La coercitività, invece, misura la resistenza del magnete alla smagnetizzazione. Un valore elevato indica una maggiore stabilità del magnete anche in presenza di campi magnetici esterni intensi, come quelli generati durante il funzionamento del motore.

Un magnete ideale per applicazioni nei veicoli elettrici dovrebbe quindi combinare elevato prodotto energetico, alta remanenza e alta coercitività

Il limite dei magneti privi di terre rare

I magneti permanenti a base di terre rare, come quelli al neodimio-ferro-boro, soddisfano simultaneamente tutte queste caratteristiche. Al contrario, nessun magnete privo di terre rare riesce attualmente a raggiungere lo stesso equilibrio di proprietà.

Ad esempio, l’impiego di magneti in ferrite comporta una riduzione delle prestazioni dovuta alla diminuzione della coppia erogata e a un maggiore rischio di smagnetizzazione durante il funzionamento

Per compensare queste limitazioni, i progettisti possono ricorrere a soluzioni ibride che combinano magneti permanenti e riluttanza magnetica, migliorando l’efficienza complessiva del sistema.

Impatto sul peso e sulla progettazione

Nonostante le ottimizzazioni progettuali, l’utilizzo di magneti alternativi comporta spesso un aumento significativo della massa del motore. In particolare, un motore basato su ferriti può risultare fino a un terzo più pesante rispetto a un equivalente con magneti a terre rare, a parità di prestazioni.

Una strategia utilizzata per migliorare le prestazioni consiste nel concentrare il flusso magnetico, analogamente a quanto avviene quando un fluido attraversa un restringimento: il flusso aumenta di intensità nella sezione ridotta.

Su questo principio si basano i motori a magneti in ferrite a raggi, che tuttavia presentano un aumento di peso (circa +30%), maggiore complessità costruttiva e criticità meccaniche

Magneti alternativi: il caso dell’alnico

Un’altra opzione è rappresentata dai magneti in alnico (lega di alluminio, nichel e cobalto). Questi materiali offrono elevata remanenza, ma presentano una coercitività relativamente bassa, risultando quindi più vulnerabili alla smagnetizzazione.

Soluzioni innovative: motori a flusso variabile

Per superare queste limitazioni, sono state sviluppate soluzioni avanzate come i motori a memoria di flusso variabile. In queste macchine, una componente della corrente viene utilizzata per stabilizzare lo stato magnetico, contribuendo sia alla produzione di coppia sia alla prevenzione della smagnetizzazione.

Parallelamente, studi sperimentali hanno dimostrato che è possibile migliorare la coercitività dei magneti in alnico mantenendo valori elevati di remanenza, aprendo nuove prospettive per il loro impiego nei sistemi di trazione.

Nuovi materiali magnetici senza terre rare

Nitruro di ferro (FeN): alte prestazioni ma nuove sfide progettuali

Negli ultimi anni, l’attenzione si è concentrata su materiali innovativi come il nitruro di ferro (FeN), sviluppato da Niron Magnetics. Questo materiale presenta una remanenza elevata, paragonabile a quella dei magneti a terre rare, ma una coercitività significativamente inferiore, circa un quinto rispetto a un magnete NdFeB equivalente.

A causa di queste caratteristiche, i magneti in FeN richiedono architetture di rotore completamente nuove, spesso ispirate ai design storici dei motori basati su alnico. Attualmente, tali soluzioni sono in fase di sviluppo in collaborazione con partner industriali, tra cui General Motors, a conferma dell’interesse strategico del settore automotive.

Manganese-bismuto (MnBi): compromesso tra prestazioni e costo

Un altro materiale promettente è il manganese bismuto (MnBi), oggetto di studi congiunti tra University of Pittsburgh, Iowa State University e Powdermet Inc..

I magneti in MnBi presentano remanenza e coercitività superiori alle ferriti ma inferiori rispetto ai magneti NdFeB

Test sperimentali hanno dimostrato che un motore con magneti MnBi può raggiungere la stessa coppia di un motore con NdFeB, ma con compromessi significativi con un aumento del 60% di volume e del 65% di peso

D’altro canto, si stima una riduzione dei costi fino al 32%, evidenziando il tipico trade-off tra prestazioni e sostenibilità economica.

Riduzione selettiva delle terre rare pesanti

Un approccio intermedio consiste nel ridurre solo le terre rare pesanti, come il disprosio, utilizzate nei magneti NdFeB per migliorarne la coercitività alle alte temperature.

Poiché questi elementi sono meno disponibili rispetto alle terre rare leggere (come il neodimio), la loro eliminazione può migliorare la sostenibilità della supply chain. Tuttavia, ciò comporta una riduzione della stabilità termica, rendendo più complessa la gestione del motore.

Gestione termica e progettazione avanzata dei motori

La principale sfida associata alla riduzione delle terre rare pesanti è il controllo della temperatura del rotore.

Un esempio significativo proviene dal Oak Ridge National Laboratory, dove è stato sviluppato un motore di trazione da 100 kW privo di terre rare pesanti.

Una caratteristica distintiva di questo progetto è l’integrazione dell’elettronica di potenza, inclusi gli inverter, direttamente nel sistema motore. Questo consente una gestione più efficiente dell’energia, ma introduce ulteriori sfide termiche.

Durante il funzionamento, i magneti permanenti — essendo conduttori — sono soggetti alla formazione di correnti parassite, che non contribuiscono alla coppia, generano calore e possono causare smagnetizzazione

Per mitigare questo effetto, si adottano diverse strategie quali la segmentazione dei magneti in strati sottili isolati elettricamente, l’utilizzo di materiali ad alte prestazioni come NdFeB di grado N50 e il rinforzo strutturale del rotore con fibra di carbonio ed epossidica

Nonostante queste soluzioni, è spesso necessario implementare raffreddamento forzato ad aria per mantenere temperature operative accettabili, specialmente ad alte velocità (fino a 20.000 giri/min).

Compromessi progettuali e direzioni future

Le soluzioni attuali dimostrano che è possibile ridurre o eliminare l’uso delle terre rare, ma sempre a fronte di compromessi progettuali:

-aumento di peso e volume
-maggiore complessità costruttiva
-necessità di sistemi avanzati di raffreddamento

Tuttavia, l’evoluzione dei materiali e delle tecnologie di progettazione lascia intravedere la possibilità di superare progressivamente questi limiti, rendendo i motori elettrici sempre meno dipendenti da materiali critici.

L’evoluzione dei materiali magnetici e delle soluzioni progettuali dimostra come la transizione verso motori elettrici senza terre rare sia già in atto, pur richiedendo ulteriori progressi per raggiungere piena competitività su larga scala.

Nuovi approcci per motori elettrici senza terre rare

Motori sincroni a eccitazione elettrica

Una delle soluzioni più promettenti a breve termine per realizzare motori elettrici senza terre rare ad alte prestazioni consiste nell’impiego di motori sincroni con rotore avvolto, in cui il campo magnetico è generato da elettromagneti anziché da magneti permanenti.

Questa architettura consente di eliminare completamente l’uso di terre rare, ma introduce una sfida fondamentale: alimentare elettricamente un rotore in rotazione.

Dalle spazzole ai sistemi di eccitazione senza contatto

La soluzione tradizionale prevede l’utilizzo di spazzole di carbone e anelli collettori, che permettono il passaggio di corrente continua al rotore. Tuttavia, questo sistema presenta importanti limiti quali usura meccanica, produzione di polveri e necessità di manutenzione

Per queste ragioni, non è adatto ai veicoli elettrici moderni.

Per superare tali criticità, sono stati sviluppati sistemi di eccitazione senza contatto, come trasformatori rotanti e sistemi induttivi o capacitivi

Queste tecnologie permettono il trasferimento di energia al rotore senza connessioni fisiche, migliorando affidabilità e durata.

Controllo del campo e prestazioni

Un vantaggio fondamentale di questi motori è la possibilità di regolare dinamicamente il campo magnetico del rotore attraverso la corrente di eccitazione.

Ciò consente l’adozione della tecnica di indebolimento di campo, che permette di mantenere alta efficienza e operare su un ampio intervallo di velocità

Un esempio concreto è rappresentato da un motore sviluppato da ZF Group, con potenza di 220 kW, in cui l’alimentazione del rotore avviene tramite un sistema induttivo integrato nell’albero. Secondo quanto dichiarato dall’azienda, le prestazioni risultano comparabili ai motori a magneti permanenti NdFeB, oggi largamente utilizzati nei veicoli elettrici.

Materiali avanzati per migliorare le prestazioni

Oltre alle innovazioni architetturali, anche i materiali giocano un ruolo chiave nel ridurre il divario prestazionale.

Tra le soluzioni più promettenti acciai ad alto contenuto di silicio, che offrono migliori proprietà magnetiche, leghe di rame ad alta conduttività, che riducono le perdite elettriche e fili di rame ultraconduttori, con potenziale ulteriore incremento delle prestazioni

Ad esempio, un aumento significativo della conduttività del rame potrebbe portare a una riduzione del volume del motore fino al 30%, migliorandone l’efficienza complessiva.

Materiali magnetici innovativi: il caso GE Aerospace

Un approccio particolarmente innovativo è stato sviluppato da GE Aerospace, che ha progettato un materiale magnetico bifase con proprietà controllabili localmente.

Questo materiale può essere fortemente magnetizzato oppure reso non magnetico in specifiche regioni

Grazie a questa caratteristica, è possibile ridurre drasticamente le dispersioni magnetiche all’interno del motore. I risultati sperimentali indicano che questa soluzione può consentire di eliminare quasi completamente l’uso di magneti permanenti in terre rare, mantenendo prestazioni elevate. Verso una nuova generazione di motori

L’integrazione di nuove architetture (rotori avvolti, eccitazione senza contatto), materiali avanzati e tecniche di controllo evolute

sta aprendo la strada a una nuova generazione di motori elettrici in grado di competere con quelli tradizionali senza dipendere da materiali critici.

Transizione verso motori elettrici senza terre rare

La transizione verso motori elettrici senza terre rare rappresenta una delle sfide ingegneristiche più rilevanti nel contesto della mobilità sostenibile. Si tratta di un percorso complesso, che richiede innovazione simultanea nei materiali, nella progettazione e nei sistemi di controllo, ma i progressi recenti dimostrano che risultati concreti sono già in fase di sviluppo.

Nel prossimo futuro saranno disponibili diverse soluzioni tecnologiche, ciascuna caratterizzata da una serie articolata di compromessi. Parametri come peso del motore, densità di potenza, costo, producibilità e prestazioni dinamiche giocheranno un ruolo determinante nella scelta delle architetture più adatte. A questi si aggiungono fattori economici e industriali che renderanno il panorama competitivo particolarmente dinamico e difficilmente prevedibile.

Ciò che emerge con chiarezza, tuttavia, è che i motori elettrici senza terre rare non rappresentano più una semplice alternativa teorica, ma una soluzione tecnicamente realizzabile e sempre più concreta. Il loro sviluppo su larga scala richiederà uno sforzo continuo e coordinato tra ricerca scientifica e industria, ma le basi tecnologiche sono ormai solide.

In prospettiva, la capacità di superare le attuali limitazioni progettuali permetterà di realizzare sistemi di trazione più sostenibili, resilienti e indipendenti da materiali critici, contribuendo in modo significativo alla diffusione di una mobilità elettrica realmente compatibile con gli obiettivi ambientali globali.

Chimicamo la chimica online perché tutto è chimica