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Il motore a induzione nella Tesla Model S ( e Model X)  

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Il motore a induzione nella Tesla Model S ( e Model X) –Parte 1
 
Allora, argomento tecnico difficile e lungo… ma se ci dedicheremo assieme un po’ di tempo -  con la vostra collaborazione, suggerimenti e critiche - ne sapremo molto di più su come funziona la nostra meravigliosa auto, che sia una Model S o la prossima (in Italia) Model X…
Alcune premesse:
-         Evito un copia e incolla da Wiki o da altre fonti facilmente ritrovabili, le potete consultare direttamente voi e non ci sarebbe bisogno del mio post qui, preferisco un discorso più mirato sulla nostra auto e semplice da comprendere, abbiate pazienza, ho cercato quindi di scrivere un testo piacevole da leggere e nello stesso tempo tecnico e chiaro … e senza le formule di Analisi II e di Fisica Quantistica che abbondano in altri siti e rendono la comprensione ardua - per quelli come me naturalmente…  
-         Però alcuni concetti tecnici generali vanno definiti, abbiate pazienza anche qui, ci intendiamo sui termini e poi proseguiamo nel dettaglio della Tesla
-         Non sono un “progettista di motori a induzione”, quindi abbiate venia di qualche semplificazione pratica, “se sbaglio mi corrigerete”  ah, è stato già detto J
-          E’ un po’ di tempo che cerco di approfondire il motore a induzione, leggendo e studiando di tutto… spero quindi di dire e di scrivere qualcosa di utile a tutti, prima di tutto a me, sempre appassionato e ancora curioso, per comprendere meglio la nostra meravigliosa auto…  
-         Ma soprattutto la premessa più importante. Concordo già in partenza con i NON appassionati di tecnica e tecnologia: si può guidare BENISSIMO una Tesla Model S o Model X senza sapere NULLA di tutto ciò che sto per scrivere, si può godere PIENAMENTE di una TESLA senza conoscere MINIMAMENTE come funziona il motore della Tesla, direi con un esempio chiaro: così come si può guardare negli occhi LEI e non essere un oculista o un ottico e godere ugualmente di quella celestiale visione, così come si può toccare il cuore di LEI senza essere un cardiologo e godere di quella  felicità, così come si può non essere un fotografo professionista e godere ugualmente di un tramonto mozzafiato, o si può non essere un ginecologo e godere ugualmente della … oh, non ci crederete, ma passava proprio in questo momento la mia LEI e ha visto proprio queste righe e ha subito detto che se non smettevo di parlare di questi argomenti  LEI non mi avrebbe MAI più ridato una cosetta cui tengo TANTISSIMO… ora mi spiace ma proprio ieri le avevo prestato una edizione rarissima del Manzoni e poiché ci tengo a riaverla quindi mi tocca ora smettere di scrivere di queste cose e parlare purtroppo a tutti voi del MOTORE A INDUZIONE DELLA TESLA.  Mi spiace, non sapete cosa non farei per averla sempre accanto a me e poterla sempre vedere da vicino  e poterla toccare e godere ogni giorno… la stupenda edizione del Manzoni naturalmente ... mi spiace quindi dovere ora interrompere questo importante argomento e farvi perdere tempo  tediandovi invece con queste lunghe note tecniche, abbiate pazienza anche qui…
 
Cominciamo dunque:
 
PARTE 1: ma cosa c’è sotto il cofano della Tesla?
 
E’ la domanda più frequente quando si mostra la nostra auto – magari appena consegnataci – a parenti o amici o curiosi: ma cosa c’è sotto il cofano? “Nulla”, si può rispondere (anche se è una sineddoche: “tutto” forse sarebbe meglio, oppure “il meglio”, il meglio che la tecnologia possa offrire – almeno fino al teletrasporto o agli spostamenti fra universi paralleli o agli spostamenti spazio tempo della relatività ristretta, forse la risposta più completa). Esagero?  Vediamo poi nel dettaglio tecnico.
Ma partiamo ora da cosa NON c’è sotto il “cofano” (va beh, tra gli assali anteriore e posteriore, ma è un dettaglio ora, torniamo al discorso principale, ma teniamo a mente che anche dove sia posto un motore è rilevante, e anche quanti siano, pure… quante cose da tenere a mente…).
-         NON c’è un motore termico a combustione, e fin qui è facile. Quindi non c’è una cilindrata, che in realtà è data da uno spazio vuoto, ossia dalla somma in CC o Litri dello spazio vuoto che percorrono i pistoni nei cilindri. E qui già lasciamo un po’ di perplessità nei curiosi/amici/parenti: non mi sai dire che cilindrata è? No, ma vogliamo fare i precisini? C’è in realtà una spazio vuoto, il “traferro”. Ma è complicato ora e ne parliamo dopo quando sapremo cosa sia un motore a induzione.  Tenetelo a mente per adesso…pure questo…
-         NON c’è un motore ibrido, ossia un motore elettrico in appoggio o in rinforzo o in alternativa o in alcune fasi rispetto al motore a combustione termica. O un motore elettrico che si ricarichi con un motore a combustione. Facile, anzi chiaro pure questo: sotto il “cofano” non ci sono motori a combustione o motori elettrici a questi subordinati o in parallelo o in alternativa o in supporto.
-         NON  c’è un motore elettrico. E qui comincia il complicato paradosso: ma come, direte,  la Tesla non si sa per certo che è un’auto elettrica? Sì e no. Sì, che sia un’auto elettrica. No, che abbia un motore elettrico classico. Per motore elettrico classico si intende infatti quello che tutti noi conosciamo quando da piccoli giocavamo o smontavamo le automobile elettriche della pista Polistil, o il motorino della Lego o del Meccano, o più grandicelli il motorino di avviamento della moto o dell’auto, o il phon della nonna o il trapano del papà o la vecchia lavatrice di mamma… non li avete mai smontati? Meglio, vi siete evitati incidenti sempre possibili e qualche allarmato rimprovero, ma forse ricorderete o saprete che un elemento comune facilissimo per capire che si trattava di motori e motorini elettrici era afferrare  (da spento) la barretta centrale che spunta (poi impareremo come si chiama, va beh si chiama albero di rotazione), girarla un poco  e sentirla muoversi a brevi scatti in genere ogni quarto di giro, provocati dalla attrazione magnetica. Ecco, questo NON c’è nella Tesla. Non ci sono magneti, non ci sono magneti permanenti, il motore senza corrente non va a piccoli scatti e  non è attratto o respinto da magneti permanenti ogni mezzo giro o ogni quarto di giro o ogni ottavo di giro. Non è un motore elettrico a magneti. E’ un motore a induzione asincrono trifase.
 
Ora proviamo a definire con un paragone o meglio una immagine  cosa sia il motore della Tesla.
 
-         Bene, prima una immagine del concetto di motore a induzione da spento: immaginiamo di prendere due bicchieri, uno di circa 5 cm di diametro e uno di circa 5,5 centimetri di diametro e li inseriamo uno dentro l’altro lasciando quel piccolo spazio (di differente diametro) esattamente vuoto fra loro e avremo l’immagine più facile di a che cosa assomigli il motore ad induzione spento. Due cilindri coassiali. Inerti. A nulla cioè che ricordi un motore, neppure un motore elettrico classico. Non ci sono parti in moto. Non ci sono magneti permanenti, non ci sono passaggi di corrente. Non ci sono  parti che si toccano. Non ci sono forze in gioco. Non c’è nulla che possa indurci a pensare che da acceso possa poi generare forza o attrazione o repulsione o moto. Due cilindri uno entro l’altro, fermi. Sostanze inerti. Ferme. Libere. Nessuna forza. Nessuna resistenza - come invece motore elettrico classico o un motore a combustione con un cilindro e un pistone spento – neppure c’è un “punto morto”. Nessuno spostamento o “gradino” di forza, come invece quel quarto di giro del motorino  elettrico classico a magneti permanenti, attratti appunto dalle forze magnetiche sempre presenti nei magneti. Da spento non c’è alcuna forza o attrazione. Un cilindro di vetro entro un cilindro di vetro, coassiale. E’ l’immagine più adatta a comprendere. Non di vetro però è fatto il motore (poi vedremo di cosa) , ma per adesso è l’immagine migliore per portare la nostra mente ad avvicinarsi al concetto di “non-motore”. Non è assolutamente un motore elettrico classico a magneti permanenti - che anche da spento è sensibile ai campi di forza magnetica generati dai magneti permanenti. Ma è come due bicchieri inerti senza alcuna interazione tra loro, non trovo un’immagine migliore. Assolutamente nessuna forza o coppia o spinta o moto o resistenza o interazione o freno o accelerazione o nulla che vi venga in mente relativamente a un motore, sia pure un motore elettrico.  
 
-         Ok, da spento è così. Ma quando passa la corrente? Quando è acceso?
E qui si compie qualcosa di difficilmente comprensibile dalla mente umana.  Per questo parlavo di miglior motore - fino al viaggio spazio tempo della relatività o al paradosso dei gemelli nei viaggi intergalattici a velocità prossima alla velocità luce. Poi mi direte se esagero. Poi, però, ora seguiamo il discorso.
Ci vogliono alcuni termini tecnici per proseguire con chiarezza.
Il bicchiere più piccolo, quel cilindro che abbiamo posto dentro, si chiama ROTORE
Il bicchiere più grande, quel cilindro che abbiamo posto fuori, si chiama STATORE
Lo spazio tra ROTORE e STATORE si chiama TRAFERRO
Prima risposta alla prima curiosità – ve la ricordate ancora? Rileggete sopra… : il motore a induzione ha anche lui uno spazio vuoto come uno spazio vuoto è la cilindrata del motore a combustione. MA:  nel motore a combustione lo spazio vuoto del cilindro viene riempito dalla miscela di aria e carburante e dal moto del pistone dopo la compressione, lo scoppio o la detonazione, ed è uno spazio rilevante (la cilindrata di 996cc, 1998cc, di un litro, di due litri, di 3 litri), e si deve evitare che rimanga uno spazio, un buco, un passaggio con lo spazio esterno, quindi ci vogliono le fasce elastiche e l’olio motore per evitare gli attriti proprio delle fasce e degli altri organi in moto, invece nel motore a induzione è uno spazio di una frazione di millimetro che non viene riempito da nulla e non fa contatto e non abbisogna di lubrificanti. Né deve essere compresso, né deve espandersi, né deve detonare. Eppure in quel microscopico spazio avviene il miracolo della forza del motore ad induzione. Abbiamo detto prima un bicchiere entro un bicchiere coassiali con uno spazio in mezzo tra loro, ora possiamo più correttamente dire un rotore entro uno statore separati vicinissimi dal traferro. Con nessuna resistenza o interazione o attriti o necessità di lubrificazione o di fasce elastiche, e neppure di spazzole striscianti per i contatti, aggiungiamo ora, in quanto non si toccano ma neppure devono chiudersi quegli spazi per generare moto con detonazioni o scoppi o moti meccanici o contatti di alcunché. Un altro pianeta, converrete, e quasi impossibile da concepire che possa produrre forza, per adesso… Ma molto più semplice ed essenziale come concetto costruttivo rispetto ai mille pezzi che formano un motore a combustione  ben più noto (ricordo solo tra i tanti pezzi: pistoni, cilindri, fasce elastiche, spinterogeno, candele,  common rail,  impianto di iniezione,  valvole, alberi a camme, testate, basamento, impianto raffreddamento aria o acqua, impianto lubrificazione ad olio, radiatori, radiatore olio, radiatore acqua, radiatore turbo, ah il turbocompressore, alberi di trasmissione meccanici e/o con differenziali magari tipo Torsen in caso di 4 ruote motrici,,, insomma elenco molto lungo e ciascun pezzo è soggetto a rotture meccaniche viste le usure e le sollecitazioni meccaniche e termiche in gioco: un continuo scoppiare/detonare in asse verticale da trasformare obbligatoriamente tramite alberi a gomiti e albero motore e frizione in moto circolare fino alle ruote, che appunto non scoppiano e non detonano e non vanno su e giù come il pistone, ma girano in tondo, come il rotore di un motore ad induzione guarda caso...
 
Ma lo vogliamo accendere questo motore a induzione? Direi di sì, la Tesla sarà pure una bellissima auto, una scultura di design, ma ci deve pure portare da qualche parte… Andiamo !
 
Per capire come funziona da acceso, guardiamo qualche breve video, che illustra come viene costruito il motore a induzione della Tesla:
https://www.teslamotors.com/it_IT/videos/high-efficiency-electric-drive-unit
dal minuto 7 qui:


e in generale su come è costruita la intera auto qui:



 
Anche queste immagini possono aiutare a visualizzare meglio il motore finito (e in alcuni casi aperti qui per didattica):
http://www.teslamotorsclub.com/attachment.php?attachmentid=47242&d=1397572490

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e qui come schema, precisando che quelli che vedete sullo statore non sono magneti permanenti ma avvolgimenti di filo in rame smaltato (ossia che senza passaggio di corrente non producono e non fanno nulla e non sono magnetici stabilmente):


 
 
 
Notiamo quindi che non ci sono magneti permanenti (e questo lo abbiamo già detto) e notiamo che lo statore, il cilindro fuori,  è, come dire, fatto/ intessuto/attraversato  di fili di rame smaltati, legati poi tra loro, fino a formare i tre poli finali. Il rotore, il cilindro dentro, non ha magneti permanenti ed è fatto di lamelle accostate le une alla altre. Il tutto viene poi chiuso. Abbiamo ottenuto quindi due cilindri uno entro l’altro, coassiali, con tre poli che spuntano da un lato e l’albero di rotazione imperniato sul rotore. I poli tuttavia riguardano SOLO lo STATORE, il cilindro esterno, che viene attraversato dalla corrente quando si accende il motore, creando campi magnetici immediati e potentissimi in quei fili di rame smaltati avvolti che abbiamo visto nei filmati e nelle immagini.
 
Ma come fa il ROTORE, il cilindro interno, a magnetizzarsi e polarizzarsi per interagire con le correnti magnetiche esterne createsi al passaggio della corrente nello STATORE, visto che non giungono fili lì, non ha le spazzole striscianti di contatto e non è raggiunto dalla corrente elettrica in alcun modo fisico?
 
Ma è facile: per INDUZIONE!
 
FINE PARTE 1
 
(Lo so, è crudele interrompersi qui, ma ci risentiremo, in attesa della PARTE 2, o meglio in attesa che io capisca che cosa sia l’induzione o poi ne parli J, o meglio ancora in attesa mi venga di nuovo data finalmente l’edizione preziosa del Manzoni come premio per tutta questa fatica di questa parte 1,  capitemi che ho il mio da fare anche io J, vi lascio quindi con alcune Definizioni di preparazione alla parte 2 o di ripasso per gli appassionati di tecnica – o i pochi non ancora stufi di tutte queste righe di testo… J :
 
brevi  estratti da voci della Enciclopedia Treccani:
 
Induzione:  …  Nel linguaggio scientifico, in genere, modificazione che determinate proprietà di un corpo subiscono per la vicinanza di un altro corpo…
FISICA
1. I. elettrica
Fenomeno che si verifica quando un conduttore a (corpo indotto) viene esposto al campo elettrico generato da un corpo carico b (induttore), esso si elettrizza a sua volta: sulla sua superficie si manifestano infatti cariche elettriche (cariche indotte), di segno opposto alla carica di b nella parte vicina a b medesimo, di ugual segno nella parte lontana
2. Induzione elettromagnetica
Fenomeno, scoperto da M. Faraday intorno al 1831, consistente nel fatto che se un circuito elettrico è posto in un campo magnetico, al variare del flusso d’i. magnetica concatenato con il circuito si manifesta in quest’ultimo una forza elettromotrice. La mutua i. elettromagnetica è un caso notevole di i. elettromagnetica consistente nel fatto che, se si hanno due circuiti percorsi da corrente, variando l’intensità della corrente in uno insorge nell’altro una forza elettromotrice, e quindi una corrente, e viceversa. Com’è chiaro, ciò accade in quanto ognuno dei due circuiti è immerso nel campo magnetico generato dall’altro, di modo che è possibile considerare un flusso d’i. generato dal primo e concatenato con il secondo. I fenomeni di i. elettromagnetica hanno enorme importanza nel campo delle applicazioni pratiche; basterà ricordare che su di essi sono basate le macchine elettriche appunto dette a i. (alternatori, dinamo, motori elettrici, trasformatori statici).
3. I. magnetica
Fenomeno che si verifica quando un corpo (indotto) viene sottoposto all’azione del campo magnetico che esce da un corpo magnetizzato (induttore), si magnetizza a sua volta. La spiegazione del fenomeno sta nei processi di magnetizzazione, per precessione di Larmor e per orientamento, che avvengono nel corpo indotto sotto l’azione del campo generato dall’induttore ( magnetismo). La magnetizzazione indotta scompare all’allontanarsi dall’induttore se il corpo che subisce l’i. è dia- o paramagnetico; permane invece, si ha cioè una magnetizzazione permanente, se il corpo è ferromagnetico. Converrà anzi aggiungere che il fenomeno ha rilevanza pratica soltanto per i corpi ferromagnetici, dato che negli altri avviene con intensità normalmente trascurabile.
 
traferro : Intervallo, in genere d’aria, che interrompe la continuità del materiale ferromagnetico in un circuito magnetico; è detto anche intraferro e interferro.
Nelle macchine elettriche rotanti il t. esistente fra statore e rotore deve avere lo spessore minimo compatibile con le esigenze meccaniche di funzionamento, in quanto con l’aumentare di tale spessore aumenta la riluttanza del circuito magnetico e quindi laforza magnetomotrice necessaria per sostenere il flusso. Nelle macchine sincrone con avvolgimento di eccitazione e in quelle a corrente continua, la necessità di ridurre l’effetto smagnetizzante dovuto alla reazione di indotto e la possibilità di regolare l’eccitazione consentono di adottare t. sensibilmente superiori ai valori minimi imposti dalle esigenze meccaniche; in particolare nei turboalternatori di maggiore potenza lo spessore del t. è di vari centimetri. Invece, nelle macchine asincrone e nelle sincrone, con magneti permanenti sul rotore o a riluttanza, il t. deve essere il più piccolo possibile. Nei trasformatori le inevitabili giunzioni tra i lamierini determinano una caduta di tensione magnetica che può essere valutata introducendo un t. equivalente, generalmente dell’ordine di frazioni di millimetro.
 
Riluttanza: In fisica, il rapporto R fra la forza magnetomotrice F applicata a un circuito magnetico e il flusso d’induzione Φ da essa prodotto: R=F/Φ. L’analogia, puramente formale, di questa relazione con la legge di Ohm suggerisce per la r. anche il nome diresistenza magnetica e consente di applicare per analogia molte delle leggi valide per i circuiti elettrici. La r. si misura/">misura, nel Sistema Internazionale, in henry–1. Riluttività (o r. specifica) L’inverso della permeabilità magnetica, cioè la r. di un circuito magnetico di lunghezza e sezione unitarie.
 
Autoinduzione: In elettrologia, il fenomeno per cui, quando in un circuito una corrente varia nel tempo, la variazione del flusso di induzione magnetica concatenato con il circuito stesso produce nello stesso circuito una corrente indotta, il cui verso di percorrenza è opposto a quello della variazione della corrente che l’ha provocata. Correnti indotte dovute all’a. sono in particolare le extracorrenti.
 
induttanza Grandezza che qualifica il comportamento di un circuito nei riguardi dei fenomeni di autoinduzione (i. propria) e di mutua induzione (i. mutua) elettromagnetica.
 
motóre elèttrico Macchina rotante capace di assorbire energia elettrica e di trasformarla in energia meccanica.
L'idea di utilizzare le azioni elettrodinamiche per produrre lavoro meccanico risale alla prima metà dell'Ottocento; tuttavia per incontrare un m.e. efficiente bisogna arrivare agli anni 1860-64, durante i quali A. Pacinotti costruì la 'macchina elettromagnetica' con indotto ad anello e commutatore che poteva funzionare anche come generatore di corrente continua. Fu però il belga Z.T. Gramme (1826-1901) a sfruttare industrialmente l'idea e a costruire negli anni 1870-71 numerose dinamo di dimensioni commerciali. Tuttavia le macchine così costruite erano ancora caratterizzate da bassi rendimenti. Fu così di importanza decisiva l'invenzione del motore asincrono, dovuta a G. Ferraris (1885), il quale non si occupò però di sfruttare né di brevettare l'invenzione. Proprio in quegli anni N. Tesla (1856-1943), ingegnere croato trasferitosi negli Stati Uniti, presentò alcuni brevetti, tra i quali quello relativo a un motore trifase a induzione già abbastanza perfezionato. G. Westinghouse, presso la cui ditta Tesla lavorava, se ne interessò e costruì il motore sfruttando industrialmente il brevetto; nel 1892 fu realizzato il primo motore Westinghouse su scala commerciale.
CARATTERISTICHE E PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO
Un m.e. è costituito da un circuito posizionato su un'armatura metallica, che può ruotare (rotore) all'interno di un campo magnetico prodotto da magneti (statore). Quando il circuito si chiude, si genera un campo magnetico che, interagendo con quello proprio dei magneti, fa ruotare l'armatura.
Il tipo asincrono trifase, o a induzione. L'avvolgimento sullo statore è alimentato direttamente dalla linea a corrente alternata, con tensione che può arrivare fino a 10.000 V; il rotore è sede di correnti indotte nel campo magnetico rotante dello statore. La coppia dovuta alle azioni tra campo dello statore e correnti del rotore determina l'avviamento del rotore. È utilizzato per molte applicazioni nell'industria, nei trasporti, ecc.
 
A presto (e W il motore a induzione, W la Tesla e pure W il Manzoni!)
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Il motore a induzione nella Tesla Model S ( e Model X) –Parte 2
 
Allora, cerco di essere più sintetico e schematico, nonché di concludere con chiarezza il discorso iniziato.
 
Siamo giunti al punto in sappiamo che la corrente trifase che giunge al cilindro esterno, lo STATORE, nelle spire di fili di rame smaltato produce campi magnetici, immediati e potenti. Resta da capire come invece si formino campi magnetici nel cilindro interno, il ROTORE, visto che al rotore non giunge neppure un filo o un contatto strisciante né una spazzola di contatto.
Si diceva: facile, per INDUZIONE.
Vediamo quindi nel dettaglio come sia possibile e che cosa sia l’induzione (in corsivo citazioni da manuali tecnici o da voci e siti specialistici)
L’induzione è un fenomeno complesso e meraviglioso, che, per avvenire, sorge dalla compresenza di più fattori:
-         In complesso: Modificazione che determinate proprietà di un corpo subiscono per la vicinanza di un altro corpo;
-         In campo elettrico: Fenomeno che si verifica quando un conduttore a (corpo indotto) viene esposto al campo elettrico generato da un corpo carico b (induttore), esso si elettrizza a sua volta: sulla sua superficie si manifestano infatti cariche elettriche (cariche indotte), di segno opposto alla carica di b nella parte vicina a b medesimo, di ugual segno nella parte lontana;
[align=justify]-         In campo di induzione elettromagnetica: se un circuito elettrico è posto in un campo magnetico, al variare del flusso d’induzione magnetica concatenato con il circuito si manifesta in quest’ultimo una forza elettromotrice. La mutua induzione elettromagnetica è un caso notevole di induzione elettromagnetica consistente nel fatto che, se si hanno due circuiti percorsi da corrente, variando l’intensità della corrente in uno insorge nell’altro una forza elettromotrice, e quindi una corrente, e viceversa. Com’è chiaro, ciò accade in quanto ognuno dei due circuiti è immerso nel campo magnetico generato dall’altro, di modo che è possibile considerare un flusso d’induzione generato dal primo e concatenato con il secondo[/align]
 
In altre parole, purtroppo ancora complesse per un fenomeno complesso come l’induzione:
-         il fenomeno dell'induzione elettromagnetica  si verifica quando il flusso del campo magnetico attraverso la superficie delimitata da un circuito elettrico è variabile nel tempo. La legge impone che nel circuito si generi una forza elettromotrice indotta pari all'opposto della variazione temporale del flusso. Talvolta è detta anche legge di Faraday-Neumann-Lenz, per il fatto che la legge di Lenz è un suo corollario. Il fenomeno dell'Induzione elettromagnetica è stato scoperto e codificato in legge nel 1831 dal fisico inglese Michael Faraday ed è attualmente alla base del funzionamento dei comuni motori elettricialternatorigeneratori elettricitrasformatorialtoparlanti magnetodinamicitestine fonografichemicrofoni dinamicipick-up per chitarra magnetici, etc.
Per cui:
-         Il funzionamento di un motore asincrono trifase è basato sulla induzione di un campo rotante dovuto alla sovrapposizione dei campi magnetici generati da un sistema trifase di correnti che percorrono gli avvolgimenti di statore. Possiamo dunque affermare che se tre avvolgimenti spostati di 120° vengono percorsi da correnti trifase, nasce un campo magnetico rotante di intensità costante, la cui velocità di rotazione è uguale alla frequenza delle correnti. Questa velocità viene detta velocità di sincronismo. Come può il campo magnetico rotante mettere in rotazione il rotore? Abbiamo già detto che il rotore è costituito da un circuito elettrico chiuso. Il campo rotante dà luogo a periodiche variazioni di flusso concatenato con i conduttori del rotore, i quali, divenendo per la legge dell’induzione elettromagnetica sede di f.e.m. indotte, sono percorse da correnti.
-         Le correnti indotte (per la legge di Lenz) si oppongono alla causa che le ha generate, cioè la variazione di flusso concatenato, e quindi i conduttori si mettono a ruotare nel senso del campo rotante, cercando di raggiungere la velocità ns di sincronismo.
-         Da queste considerazioni emergono i seguenti punti:
-         il motore asincrono trifase a differenza, per esempio, dei motori sincroni, che hanno bisogno di essere inizialmente trascinati, è auto avviante;
-         campo rotante e rotore girano sempre nello stesso senso. Per invertire il senso di rotazione del rotore occorre invertire il senso di rotazione del campo rotante;
-         finché il rotore gira più lentamente del campo rotante, nell’avvolgimento di rotore viene indotta una tensione e quindi agisce una coppia motrice; ma se il rotore raggiungesse la stessa velocità del campo non vi sarebbe alcuna variazione di flusso concatenato e quindi non vi sarebbe tensione indotta, non circolerebbe corrente e non vi sarebbe coppia motrice.
-         La velocità del rotore raggiunge allora un valore inferiore a quello del sincronismo; per cui questi motori sono detti asincroni.
 
Si deve chiarire cosa sia la corrente alternata:
-         In elettrotecnica con sistema trifase si intende un particolare sistema di produzione, distribuzione e utilizzazione dell’energia elettrica, basato su tre tensioni elettriche alternate, con la stessa frequenza e la stessa tensione (380V), inventato da Nikola Tesla [nota mia: qui la cosa è complessa: Tesla perse la causa internazionale che attribuisce per pochi mesi l’invenzione del motore asincrono a Galileo Ferraris, ma vinse quella del primo brevetto per un motore asincrono trifase con utilizzo industriale e, dopo la sua morte, quella della invenzione della radio, contro Marconi. Poi ogni Paese accentua parte di queste cause che si trascinarono per decenni, quella per la radio fino al 1943, a me importa solo il genio assoluto di TUTTI questi grandi inventori di fine 800 e inizi 900 che hanno modificato e in meglio la nostra vita quotidiana].
Si può considerare un generatore trifase come costituito da tre generatori singoli di corrente alternata, con la stessa frequenza e le fasi traslate (cioè in ritardo) di 120° tra di loro.

Poi una definizione del motore trifase:
-         Il motore trifase è una tipologia di motore elettrico, che per funzionare richiede l'utilizzo di sistema trifase di correnti, sfasate tra di loro nel tempo e nello spazio di 120° elettrici.
Poi una definizione del motore asincrono:
·        Motore asincrono, è il tipo di motore trifase più utilizzato, caratterizzato da una rotazione del rotore (chiamato anche indotto) non in sincronia col campo magnetico rotante generato dall'elettrone. Proprio l'asincronia tra campo magnetico rotante e indotto permettono la generazione delle correnti sul rotore e la generazione della coppia erogata dal motore.
-         Poiché gli avvolgimenti da fare sul rotore devono essere in corto circuito e devono, quindi, sopportare una elevata corrente, devono avere una elevata sezione, per cui si preferisce mettere delle barre di alluminio attorno ad un nucleo di materiale ferromagnetico, costituito da lamierini al silicio. In tal modo le barre di alluminio, chiuse in corto circuito si comportano come una insieme di poche spire, aventi ciascuna una elevata sezione, in modo da sopportare le elevate correnti di corto circuito. Queste correnti sono dovute alla tensione che si genera nelle barre a causa della legge di Faraday, in quanto il campo magnetico generato dallo statore è variabile. Queste correnti danno luogo ad un altro campo magnetico rotante generato sul rotore; tale campo magnetico ha verso opposto a quello generato dallo statore. Di conseguenza il rotore, poiché si oppone al campo magnetico di statore è costretto a mettersi in movimento e quindi ruotare con la stessa velocità del campo magnetico rotante di statore. 
-         Il rotore non ruota a una velocità costante, cioè la velocità di sincronismo, ma rallenta al variare del carico; per cui il motore non è detto sincrono ma asincrono, cioè non rispetta la velocità di sincronismo imposta dallo statore.
[align=justify]-         I motori asincroni trifase possono essere considerati tra le macchine elettriche più affidabili; svolgono la loro funzione per molti anni con interventi di manutenzione assai ridotti e si adattano a prestazioni diverse in base alle esigenze, coprendo sia applicazioni di produzione sia di servizio. I motori trovano come detto impiego nei settori industriali più svariati, come esempio possiamo citare le industrie alimentari, chimiche, metallurgiche, le cartiere o in impianti di trattamenti acque o di tipo estrattivo. Le applicazioni riguardano quelle macchine con organi in movimento a velocità fissa o variabile quali ad esempio i sistemi di sollevamento come ascensori o montacarichi, di trasporto come nastri trasportatori, i sistemi di ventilazione e climatizzazione (unità trattamento aria), senza dimenticare forse il più comune impiego come pompe e compressori.[/align]
[align=justify]Il motore asincrono trifase può essere: - con rotore avvolto chiamato anche ad anelli, oppure - con rotore in cortocircuito o più comunemente definito come rotore a gabbia di scoiattolo. La principale differenza tra i due tipi risiede nella struttura del rotore e più precisamente per il primo tipo il rotore è costituito da avvolgimenti veri e propri come quelli dello statore, presenta una struttura più complessa e delicata (spazzole che strisciano sul rotore, con possibile interposizione di resistenze per il controllo della fase di avviamento) con necessità di manutenzione periodica e dimensioni d’ingombro elevate, mentre il secondo tipo ha un rotore costituito da sbarre chiuse in cortocircuito, quindi grazie ad una maggiore semplicità costruttiva dà origine ad un tipo di motore molto semplice, robusto ed economico. Grazie allo sviluppo dell’elettronica di controllo che permette la regolazione della velocità in modo molto semplice ed efficace, tutte quelle applicazioni che vedevano l’impiego di motori più facilmente soggetti ad avere nel proprio comportamento intrinseco la possibilità di una regolazione della velocità (motori in corrente continua o motori ad anello) hanno lasciato il posto ai motori asincroni, in particolare a quelli a gabbia di scoiattolo che vengono comunemente utilizzati per comandare pompe ventilatori compressori e molte altre applicazioni industriali.[/align]
[align=justify] [/align]
[align=justify]Per meglio comprendere come è strutturato un motore asincrono trifase, di seguito forniamo una breve descrizione delle principali parti che compongono la macchina rotante e nelle quali si generano i fenomeni elettrici da cui ne scaturisce il funzionamento. Il primo elemento che descriviamo è lo statore che può essere definito come l’insieme delle parti fisse che svolge la funzione di sostenere almeno parzialmente la macchina, ma fondamentalmente costituisce la parte del circuito magnetico che contiene gli avvolgimenti induttori alloggiati in apposite cave in esso ricavate in corrispondenza della sua superficie interna. Lo statore, è costituito da lamierini in lega d’acciaio-silicio o in acciaio massiccio, isolati tra di loro. Dalla sua struttura dipende quanto sia interessato da flussi magnetici variabili nel tempo che provocano perdite per isteresi (legate alla magnetizzazione non lineare del materiale) e per correnti indotte parassite. Nelle cave ricavate nella struttura dei lamierini sono inseriti tre avvolgimenti primari (ognuno costituito da più bobine diversamente collegate tra loro), ai quali viene applicata la tensione di alimentazione e che generano il campo magnetico. Gli avvolgimenti statorici trifase possono essere collegati a stella oppure a triangolo, la cosa è possibile con motori dotati di morsettiera con 6 morsetti, permettendo di alimentare lo stesso motore con tensioni trifase di rete differenti. Per un motore a gabbia di scoiattolo il rotore, è costituito da un sistema di sbarre conduttrici (rame o alluminio) coassiali all’asse di rotazione, e pressofuse direttamente nelle cave ricavate lungo tutta la periferia esterna del nucleo ferromagnetico. Le sbarre vengono chiuse in cortocircuito da due anelli conduttori posti agli estremi che costituiscono anche un fissaggio meccanico per le sbarre stesse. Si ottiene così un rotore estremamente compatto e robusto, al quale si fissa anche l’albero del motore. Il campo magnetico indotto che costituisce il principio di funzionamento del motore, porta quindi in rotazione l’albero del motore convertendo così energia elettrica in meccanica.[/align]
  
Vediamo ora le caratteristiche del motore trifase asincrono della Tesla Model S (e X).
La Tesla Motors produce attualmente due formati di motore, declinati in due potenze (quindi come 4 diversi motori -pur essendo di fatto solo 2 diversi). A parte quello della Roadster, il primo ad essere costruito è quello più grande, della 85 per intenderci, il secondo ad essere progettato è quello più piccolo, della 85D per intenderci o quello posto all’anteriore della P85D e P90D. Ma è interessante la disposizione e la declinazione di coppia e potenza nei diversi modelli:
Qui una prima tabella ufficiale Tesla riassuntiva delle potenze e coppia dei Model S in produzione ora:

Ma forse è più completo il dettaglio, tratto dal manuale 7.1 (ma purtroppo non aggiornato con i dati dei nuovi modelli 70D e in un dato relativo a 85D, tuttavia molto utile per quanto diremo):

 
E’ una tabella importante in quanto, in assenza pressoché totale di dati tecnici sui motori della Tesla Model S e X (per giustissime ragioni commerciali e di copyright) qui emerge un dato che finora non si conosceva: il numero di giri massimo: 16.000 per l’ “old” e 18.000 per il “new”. E aggiungo che nella ormai vecchia prova di “Quattroruote Speciale Prove 2013” della P85, nei tempi in cui la velocità massima per quel modello era di 210 km/h, si raggiungono 15.550 giri di velocità massima e 9350 giri a 130k/h. Vecchi dati, ma li ricordo per quanto dirò alla fine. Per quanto invece attiene alla coppia dell’85D in questa tabella sopra riportata, non è 500Nm in totale ma 660 Nm. Ma anche qui un dato interessante: se osserviamo l’evolversi delle tabelle pubblicate sul sito ufficiale Tesla (e nelle prove delle Riviste di Auto) dal lancio della Model S85, poi 85D, poi 90 ecc. si può notare che i dati di coppia e potenza crescono nel tempo all’interno dello stesso modello. Ad esempio la 85D parte con 380cv al momento del lancio e giunge a tappe di 393 e poi 410 e poi 422 ecc., così per la coppia (e così si spiega la tabella, che ovviamente non è errata ma semplicemente non aggiornata).
 
Qui forse la notizia più interessante sui motori a induzione e su quelli specifici Tesla, potenza massima, coppia, richiesta di corrente (e quindi velocità massima, accelerazione, consumi) variano nel tempo, nel senso che migliorano e sono migliorati dal lancio ad oggi. Questo perché non è un motore solo fisico (è anche fisico, ovviamente ha limiti massimi, non si possono ipotizzare ad esempio 1500 cv da raggiungere un domani per ogni singolo motore) ma la coppia, la potenza e i consumi e la velocità massima sono essenzialmente questione di gestione di software, ed è recente la notizia di un supercomputer all’interno della Fabbrica Tesla ove quotidianamente sperimentano nuovi scenari di gestione motore… che potrebbe quindi di nuovo presto modificarsi (in meglio) nelle sue caratteristiche. Un recente esempio è l’aggiornamento 7.1 che ha aumentato la resa chilometrica variando (nei dual motor) la coppia specifica fra anteriore e posteriore a specifiche velocità e aumentando il “veleggiamento” in condizioni di scarsa frenata o leggero declivio, pur essendo rimasto esattamente quello il motore o i motori fisici.
 
Insomma, si compra un’altra qualsiasi auto (Lambo comprese) e si può solo assistere al lento declino del modello e delle caratteristiche del motore man mano che escono i nuovi modelli. Si compra una Tesla e i vari aggiornamenti a cadenze periodiche aggiungono nuove caratteristiche e migliorano le potenze, la coppia e i consumi dei motori…  J.. e i tempi di accelerazione e velocità massima pure…
 
E una ultima nota tecnica: come si diceva all’inizio,  anche DOVE sono posti i motori rende eccezionale questa auto: esattamente fra i semiassi, in posizione tecnicamente ottimale: basso anzi bassissimo baricentro di uno dei componenti più pesanti in genere di un’auto, il motore; prossimità assoluta al GEAR (non un cambio in realtà ma una semplice cascata di ingranaggi che porta il moto direttamente ai due semiassi senza bisogno di cambio di velocità proprio per le caratteristiche del motore ad induzione; prossimità assoluta all’Inverter, senza bisogno di passaggio di cavi; simmetria perfetta rispetto ai momenti di moto (ricordate la pubblicità della sportiva Subaro per il suo sistema a 4 ruote motrici simmetrico per offroad sportivo? Ce l’abbiamo… pure questo… tra le tante cose ancora da scoprire… 🙂  

Scan


La terza parte è solo di sereno relax, finalmente, dopo avervi tediato con le prime due parti lunghe e complesse: 

qualche immagine per vedere da vicino il motore della Model S e della Model X (se notate con diametro pari ai dischi posteriori circa),  e qualche dettaglio su dove le varie parti della Model S vengono fabbricate (con conferma appunto che il motore è "fatto in casa"... e i freni sono della BREMBO... non c'entra qui ma mi è scappato per la felicità 🙂 


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(@vittorio)
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Però molto interessante ! Complimenti ..
E per dovere di cronaca Galileo Ferraris nasce nel mio paese Livorno Ferraris , prima Livorno Piemonte , rinominato Ferraris in onore a lui..

Risposta
Post: 398
 Pepe
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(@pepe)
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Bravo scan 
lettura molto tecnica per gli addetti ai lavori ed interessante. solo un paio di precisazioni:
La tabella presa dal manuale è aggiornata per tutti i modelli poiché per la MS vengono prodotti solo 2 motori: 
il "piccolo" installato su entrambi gli assi sulle XXD e solo sull'asse anteriore delle PXXD (145 kW nominali / 193 kW max con 18.000 rpm max)
il "grande" installato solo sugli assi posteriori delle PXXD e delle RWD (285 kW nominali / 375 kW max con 16.000 rpm max)

Le coppie indicate per ciascun motore in Nm (250/330 per i piccoli e 440/650 per i grandi) sono "flat" da 0 rpm fino alle velocità relative indicate in tabella. Dopo queste velocità declassano leggermene fino ad arrivare alle velocità massime menzionate (18.000 / 16.000rpm)

Le performance dei vari modelli sono differenti sia per le tensioni DC delle batterie (che per la 70 sono di 302V, mentre per le 85/90 sono 346V), sia per la gestione dei SW dei drivers (o inverter) che controllano i motori.
Questi inverter che trasformano e modulano la DC proveniente dalle batterie in AC trifase per i motori, sono intelligentemente installati proprio accanto ai motori per avere il collegamento trifase praticamente trascurabile; tale connessione oltre ad avere minori perdite, riduce drasticamente anche i radiodisturbi emessi dagli inverter, oltre ad avere un circuito di raffreddamento più razionale.

Aggiungo anche che i motori delle MS sono retroazionati; cioè sono provvisti di dispositivi che convertono la posizione/velocità del motore in segnali elettrici per dare un feedback agli inverters e quindi avere sempre il controllo perfetto della trazione in ogni situazione.
 

alcuni dati si possono trovare anche qui:

Undocumented

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(@scanred_x)
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Grazie a te, Pepe, e moltissimo!

Specialmente per l'utilissimo Link - davvero ricco di notizie dettagliate e anche poco note. Grande !

Per i miei dubbi sulla seconda tabella, concordo con te su tutto, mi riferivo solo ai valori di coppia che mi parrebbero non corrispondere per i modelli 70D e 85D (infatti 250Nm+250Nm non fa nè 525 nè 660, che sono appunto i valori della 70D e 85D, mentre per gli altri modelli i valori totali di coppia corrispondono sempre, ma posso aver interpretato male e riguarderò meglio...)

a prestooo e grazie!

Scan

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