Ridefinire i confini della potenza: come i motori a flusso assiale stanno rivoluzionando i tradizionali sistemi di azionamento elettrico

Mentre i nuovi veicoli energetici, gli aerei eVTOL e persino i robot umanoidi avanzano a una velocità vertiginosa, gli ingegneri devono affrontare una sfida eterna:  come estrarre potenza estrema da uno spazio limitato?

I tradizionali motori a flusso radiale (le familiari macchine cilindriche) sembrano avvicinarsi ai loro limiti fisici. In questo momento, una tecnologia chiave di prossima generazione, il  motore a flusso assiale, sta tranquillamente prendendo il centro della scena. Non solo era la forma originale del motore elettrico inventato da Faraday nel 1821, ma è anche la soluzione ottimale odierna al paradosso 'leggerezza vs. alta potenza'.

1. Anatomia: dalla 'lattina cilindrica' al 'pancake': una rivoluzione nel fattore di forma

Per comprendere il motore a flusso assiale, il modo più semplice è attraverso un confronto visivo:

• Motore radiale tradizionale:  a forma di 'lattina cilindrica'. Lo statore circonda il rotore e il flusso magnetico si irradia verticalmente lungo la  direzione radiale  (raggio) del rotore. Questa struttura conferisce alla macchina una lunga lunghezza assiale, rendendola ingombrante.

•  Motore a flusso assiale:  ha la forma di un 'pancake' o di un 'compact disc'. Lo statore e il rotore sono  impilati faccia a faccia e il flusso magnetico viaggia diritto lungo la  direzione assiale  (parallela all'albero). Questo layout faccia a faccia lo rende intrinsecamente piatto e compatto.

Se pensi a un motore radiale come a un barile rotante, un motore assiale è come due mole che ruotano una di fronte all'altra.

2. Vantaggi principali: più piccolo ma più forte

Perché le supercar di fascia alta (ad esempio Ferrari, Mercedes-AMG) e i giganti aerospaziali abbandonano le soluzioni tradizionali per la tecnologia del flusso assiale? La risposta sta nelle sue caratteristiche fisiche 'rivoluzionarie'.

A. Densità di potenza e coppia ultraelevata

Poiché il diametro del rotore può essere maggiore di quello dello statore (rapporto di ripartizione fino al 100%) e i magneti sono posizionati più lontano dall'asse di rotazione, il principio della leva (coppia = forza × raggio) significa che per lo stesso ingresso di corrente, fornisce una coppia significativamente più elevata.
I dati mostrano che i motori avanzati a flusso assiale possono raggiungere una densità di coppia di 115 Nm/kg, paragonabile a un motore V8 tradizionale, ma molto più leggero. Rispetto ai motori radiali convenzionali, la densità di potenza in genere migliora di oltre il 30%, con alcuni progetti che raggiungono i 14,9 kW/kg.

B. 'Magia spaziale' compatta

Nella progettazione del telaio dei veicoli, lo spazio assiale è spesso un fattore determinante. La lunghezza assiale estremamente ridotta di un motore a flusso assiale gli consente di adattarsi direttamente all'interno di una ruota (come un motore sul mozzo) o di essere incorporato senza soluzione di continuità negli spazi vuoti del telaio. Ciò libera spazio di archiviazione anteriore e posteriore e fornisce la base fisica per l'unità distribuita.

C. Portata estesa tramite alta efficienza

Con un percorso del flusso più breve e perdite nel ferro inferiori (isteresi e perdite per correnti parassite), questi motori spesso raggiungono efficienze superiori al 96% o addirittura al 97%. A parità di capacità della batteria, ciò si traduce direttamente in una maggiore autonomia.

3. Topologie: Configurazioni 'sandwich' di rotori e statori

I motori a flusso assiale sono disponibili in diverse forme. Per bilanciare prestazioni e raffreddamento, gli ingegneri hanno sviluppato principalmente due strutture 'sandwich':

• Rotore singolo/doppio statore (rotore centrale):  il rotore si trova tra due statori. Le forze di attrazione magnetica si annullano a vicenda, risolvendo il problema della forza assiale sbilanciata. Robusto e adatto per azionamenti ad alte prestazioni.

• Statore singolo/doppio rotore (statore centrale):  lo statore si trova tra due rotori. Questa configurazione ha un'inerzia rotazionale maggiore e semplifica il raffreddamento dello statore direttamente con olio, rendendolo uno dei preferiti per applicazioni con prestazioni estreme.

4. Sfide della produzione: perché sta decollando solo adesso?

Dato che il motore a flusso assiale è stato inventato nel 1821 – prima del motore radiale – perché non è diventato di uso comune negli ultimi 200 anni? La risposta sta nei  colli di bottiglia dei processi e dei materiali.

• Requisiti di precisione estrema:  a causa del traferro planare, anche una leggera inclinazione o deformazione del rotore può causare il contatto ('sfregamento') del rotore e dello statore. Ciò impone requisiti di precisione e di assemblaggio molto più rigorosi di quelli dei motori convenzionali.

• Difficoltà di dissipazione del calore:  la struttura compatta a 'sandwich' implica una piccola superficie per la dissipazione del calore; il calore tende ad accumularsi rapidamente. Per risolvere questo problema, produttori come YASA hanno introdotto  il raffreddamento ad olio sommerso , immergendo direttamente gli avvolgimenti dello statore nell'olio di raffreddamento.

• Rivoluzione nei nuovi materiali:  i tradizionali laminati in acciaio al silicio sono difficili da modellare nelle complesse geometrie non circolari richieste dai motori assiali. La maturità dei  compositi magnetici morbidi  e  delle leghe amorfe  consente ora la progettazione di circuiti magnetici 3D. Nel frattempo, la tecnologia di rivestimento in fibra di carbonio affronta il problema dell’integrità del rotore sotto forze centrifughe ad alta velocità.

5. Applicazioni: il futuro è qui

Con il graduale superamento di queste sfide, i motori a flusso assiale stanno passando dai laboratori alla produzione di massa:

• Veicoli a nuova energia:  questo è il mercato in maggiore crescita. Che si tratti del motore di trazione principale nelle supercar ad alte prestazioni o di un generatore altamente efficiente nei sistemi di range extender, i motori a flusso assiale stanno ridefinendo le prestazioni dell'e-drive. Produttori come Zhixin Technology hanno annunciato l’intenzione di produrre in serie i relativi propulsori entro il 2026.

• Aviazione elettrica:  gli aerei eVTOL sono estremamente sensibili al peso e richiedono densità di potenza del motore superiori a 8 kW/kg. I motori a flusso assiale sono una delle poche soluzioni in grado di realizzare il sogno del volo.

• Robot umanoidi:  i giunti dei robot richiedono una densità di coppia estremamente elevata e una forma piatta, rendendo i motori a flusso assiale ideali per i giunti degli attuatori.

 

Il motore a flusso assiale non è semplicemente un revival retrò; è una  rivoluzione prestazionale  guidata da nuovi materiali e nuovi processi. Questo distrugge la mentalità secolare secondo cui 'i motori devono essere lunghi e cilindrici'.

Per ingegneri e produttori, questo non è solo un aggiornamento del gruppo propulsore: è una liberazione dell’architettura  del telaio e della filosofia complessiva di progettazione del veicolo . Con l’acquisizione di YASA da parte di Mercedes-Benz e l’ingresso aggressivo delle catene di fornitura in Cina, il 2026 è destinato a essere il primo anno di adozione su larga scala dei motori a flusso assiale. L’era dei sistemi di azionamento elettrico più piccoli, leggeri e potenti sta arrivando a pieno ritmo.