Indagine sugli effetti dell’orientamento dei magneti sulle prestazioni di motori BLDC a rotore interno per veicoli elettrici: un approccio con Response Surface Methodology

Motori più silenziosi e fluidi per i futuri veicoli elettrici

I veicoli elettrici possono sembrare silenziosi e senza sforzo dalla prospettiva del guidatore, ma all’interno dei loro motori si svolge una lotta invisibile. Piccole forze magnetiche possono provocare sobbalzi, ronzii o dissipare energia sotto forma di calore. Questo articolo esplora un nuovo modo di disporre i magneti all’interno di un motore compatto in modo che i veicoli elettrici di piccola taglia — come i ciclomotori ibridi — funzionino in modo più fluido, silenzioso ed efficiente, senza richiedere una batteria più grande.

Perché la scorrevolezza del motore conta su strada

I moderni veicoli elettrici fanno spesso affidamento su motori brushless DC, che usano magneti permanenti al posto delle spazzole meccaniche per far ruotare il rotore. Questi motori sono leggeri, efficienti e potenti, ideali per spazi ristretti come quelli dei due ruote. Ma soffrono di un effetto indesiderato chiamato coppia di dentellatura: un “aggancio” magnetico tra i magneti del rotore e i denti dello statore che provoca vibrazioni, ondulazioni della coppia e movimento a scatti, soprattutto a basse velocità. Per i conducenti questo si traduce in rumore, accelerazioni irregolari e perdita di efficienza. Ridurre la coppia di dentellatura mantenendo alta coppia ed efficienza è quindi una sfida progettuale chiave per una mobilità elettrica più pulita e gradevole.

Una nuova manopola da girare: come vengono orientati i magneti

La maggior parte delle ricerche precedenti ha cercato di domare la coppia di dentellatura rimodellando le parti metalliche del motore — cambiando la forma delle slot, la larghezza dei poli o le maglie d’aria — oppure inclinando lo statore. In questo studio, gli autori mantengono inalterate le dimensioni complessive del motore e lo statore e invece considerano l’orientamento dei magneti e l’angolo di inclinazione del rotore come principali “manopole” di progetto. Si concentrano su un motore brushless DC a rotore interno, dove i magneti sono incorporati all’interno del nucleo rotante anziché montati in superficie. Utilizzando il software Siemens Simcenter Motorsolve, costruiscono 12 prototipi virtuali che combinano diversi angoli dei magneti (10°, 20°, 30°) con differenti angoli di inclinazione (0° fino a 40°). Per ciascun caso calcolano risultati importanti: coppia media, efficienza, coppia di dentellatura e la forma della forza elettromotrice di ritorno (back EMF), che influisce fortemente sulla facilità di controllo del motore.

Trovare il punto ottimale con statistiche intelligenti

Per andare oltre il tentativo ed errore, il team utilizza una tecnica statistica chiamata Response Surface Methodology (RSM). Invece di testare ogni possibile combinazione di angoli, la RSM costruisce una “mappa” matematica che mostra come le prestazioni cambiano quando l’orientamento dei magneti e l’angolo di inclinazione variano insieme. Definiscono quindi cosa significa “buono” — alta efficienza, alta coppia e forte back EMF, ma coppia di dentellatura molto bassa — e comprimono questi obiettivi in un unico punteggio di desiderabilità. Esplorando questa superficie di risposta, identificano la combinazione che offre il miglior compromesso complessivo. Il progetto virtuale ottimale indica un orientamento dei magneti di 20° e un angolo di inclinazione del rotore di 40°, una configurazione che gli autori etichettano come PDC9. Questo design promette circa il 43% in più di coppia rispetto a una configurazione di base, coppia di dentellatura vicina a zero ed efficienza superiore al 94%, preservando la forma trapezoidale della back EMF preferita per gli azionamenti brushless DC.

Dallo schermo al banco: costruire e testare il motore

Per dimostrare che l’idea funziona anche al di fuori del computer, i ricercatori costruiscono un motore reale seguendo le specifiche di PDC9. Usano acciaio al silicio laminato per statore e rotore e magneti in neodimio-ferro-boro ad alta energia all’interno del rotore, tutti dimensionati per un azionamento da 48 V, circa 1,5 kW, adatto a un ciclomotore ibrido. Il prototipo viene poi testato su un banco prova con dinamometro, dove coppia, velocità e tensione sono misurate su una gamma di punti di funzionamento. Il motore sperimentale eroga circa 3,8 Nm di coppia alla velocità nominale con un’efficienza vicina al 92% e mostra la desiderata forma trapezoidale della back EMF. Pur risultando leggermente al di sotto dei valori idealizzati della simulazione — come previsto a causa di attriti, tolleranze di fabbricazione e perdite aggiuntive — i risultati seguono da vicino le tendenze previste, confermando che un attento orientamento e inclinazione dei magneti può fornire prestazioni più fluide e silenziose senza aumentare le dimensioni della macchina.

Cosa significa questo per i veicoli elettrici di tutti i giorni

In termini semplici, questo lavoro dimostra che il modo in cui si “puntano” i magneti dentro un motore può essere importante quanto la loro dimensione o composizione. Inclinandoli e sfalsandoli agli angoli corretti, gli autori cancellano quasi del tutto gli agganci magnetici interni che causano sobbalzi e rumore, aumentando al contempo la coppia utile e mantenendo alta l’efficienza. Per i conducenti ciò significa partenze più morbide, meno vibrazioni e un migliore utilizzo della batteria nei piccoli veicoli elettrici. Per progettisti e produttori, lo studio offre una ricetta pratica — validata sia in simulazione che su prototipo — per sintonizzare i motori brushless DC a rotore interno in risposta alle crescenti esigenze della mobilità elettrica urbana.

Citazione: Chandra, V., Manoharan, P.S., Thenmozhi, G. et al. Investigation of magnetic orientation effects on interior rotor BLDC motor performance for EVs: a response surface methodology approach. Sci Rep 16, 7011 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37981-2

Parole chiave: motore DC senza spazzole, coppia di dentellatura, orientamento del magnete, motore per veicolo elettrico, angolo di inclinazione del rotore