Azionamento a motore a riluttanza commutata orientato alle prestazioni tramite convertitore a cascata multiporta e schema avanzato di controllo diretto della coppia

Perché gli azionamenti elettrici più fluidi contano

Con la diffusione dei veicoli elettrici, gli utenti si aspettano non solo efficienza e basso impatto ambientale, ma anche funzionamento silenzioso, fluido e affidabile. Un tipo di motore promettente per i futuri veicoli elettrici è il motore a riluttanza commutata, robusto, economico e privo di magneti a terre rare. Tuttavia questi motori possono presentare coppia irregolare e vibrazioni aggiuntive, rendendo la guida meno confortevole e sollecitando i componenti meccanici. Questo articolo propone un nuovo modo di alimentare e controllare tali motori affinché funzionino più dolcemente, sprechino meno energia e siano più adatti ai severi compiti di trazione automobilistica.

Un tipo diverso di motore elettrico

Lo studio si concentra sui motori a riluttanza commutata, che differiscono internamente dalle più note macchine a magneti permanenti. Invece di usare magneti sul rotore, questi motori sfruttano la tendenza del rotore a muoversi verso regioni dove i percorsi magnetici sono più favorevoli—zone di maggiore induttanza. Commutando la corrente in sequenza attraverso diversi avvolgimenti dello statore, il controllore trascina il rotore e genera coppia. Questo progetto è robusto, semplice e poco costoso da costruire, ed evita la dipendenza da materiali a terre rare. Tuttavia la commutazione rapida on–off e la forte non linearità magnetica del motore possono creare grandi ondulazioni di coppia e corrente, provocando rumore, vibrazione e usura aggiuntiva nei veicoli elettrici.

Un nuovo “ponte” di potenza per il motore

Per domare questi problemi, gli autori riprogettano la sezione elettronica di potenza che collega la batteria al motore. Invece di un convertitore convenzionale a due livelli, che applica bruscamente a ciascuna fase o la tensione completa o zero, propongono un convertitore modulare a cascata multiporta composto da sottomoduli impilati per fase. Ogni fase può così avere diversi livelli di tensione intermedi, non solo acceso o spento. Questo approccio multilevel rende più regolare la forma d’onda della tensione, riduce lo stress elettrico sui dispositivi e sull’isolamento e attenua le armoniche indesiderate nella corrente. La struttura modulare è inoltre più scalabile e tollerante ai guasti, caratteristica importante per i sistemi di trazione critici per la sicurezza.

Controllo della coppia più intelligente in tempo reale

L’hardware è abbinato a uno schema di controllo diretto della coppia potenziato che agisce come un direttore del traffico ad alta velocità per gli interruttori di potenza. Piuttosto che modellare lentamente le correnti tramite anelli di retroazione tradizionali, il controllo diretto stima in tempo reale il flusso magnetico e la coppia del motore e seleziona tra un insieme di pattern di tensione in base a come e quanto la coppia deve cambiare. In questo lavoro gli autori progettano modelli matematici dettagliati del comportamento non lineare del motore e organizzano i pattern di tensione possibili in otto settori e otto vettori. Una tabella di commutazione dedicata sceglie quindi in ogni istante il pattern migliore dal convertitore multilevel, mantenendo coppia e flusso entro bande ristrette e minimizzando commutazioni non necessarie.

Dal modello al banco di prova reale

Il team convalida l’approccio in due fasi. Prima costruisce una simulazione dettagliata di un motore a riluttanza commutata quattro fasi, 8/6, pilotato dal nuovo convertitore e dallo schema di controllo in MATLAB/Simulink. Esaminano velocità, coppia e correnti di fase in condizioni di regime e durante rapidi cambi di velocità, confrontando i risultati con quelli ottenuti con un convertitore convenzionale. Poi realizzano un banco di prova da 2,2 kilowatt con moduli di potenza industriali, sensori e un encoder. Gli esperimenti includono crociera a regime a 1000 giri al minuto, variazioni a gradino tra 400, 1400 e 2400 giri al minuto, oltre ad accelerazioni, frenate e disturbi di carico. In tutti questi test il nuovo azionamento mantiene la velocità con precisione producendo forme d’onda di corrente visibilmente più pulite e una coppia più uniforme.

Cosa significano i miglioramenti su strada

In termini quantitativi, il convertitore e il controllo proposti riducono l’ondulazione di coppia fino a circa il 41,5 percento rispetto al progetto convenzionale, portando i valori di ripple intorno al 16–25 percento a seconda di velocità e carico. Allo stesso tempo il sistema mostra una risposta più rapida alle variazioni della richiesta del conducente, sovraelongazioni limitate quando la velocità viene regolata e un’efficienza leggermente migliore, il tutto operando a una frequenza di commutazione fissa e prevedibile. In termini pratici, questo significa che un veicolo elettrico dotato di tale azionamento potrebbe accelerare e decelerare più dolcemente, generare meno rumore e vibrazioni e sottoporre i componenti a minori sollecitazioni. Sebbene l’hardware proposto sia più complesso e costoso rispetto ai convertitori standard, gli autori sostengono che la combinazione di robustezza, fluidità e precisione di controllo lo renda un forte candidato per i futuri sistemi di trazione elettrica ad alte prestazioni.

Citazione: Deepak, M., Santhakumar, K., Sathiyasekar, K. et al. Performance-driven switched reluctance motor drive using multiport cascaded converter and advanced direct torque control scheme. Sci Rep 16, 12211 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45141-9

Parole chiave: motore a riluttanza commutata, azionamenti per veicoli elettrici, riduzione delle ondulazioni di coppia, convertitore di potenza multilevel, controllo diretto della coppia