Tuttavia, questa tendenza potrebbe essere parzialmente compensata dai miglioramenti nell'efficienza degli avvolgimenti e nell'utilizzo del rame osservati negli ultimi anni. In ogni caso, la crescente elettrificazione del mercato automobilistico aumenterà la domanda di rame per i motori dei veicoli elettrici di 3,1 volte nel 2034 rispetto al 2023.
Dove viene utilizzato il rame?
Un motore è costituito da un componente fisso (statore) e da un componente rotante (rotore). Generalmente, lo statore è costituito da un telaio in acciaio con avvolgimenti in rame utilizzati per generare un campo elettromagnetico. I materiali del rotore variano a seconda della tecnologia. I motori a magneti permanenti hanno magneti nel rotore, i motori a induzione hanno barre di rame o alluminio, i motori a rotore avvolto hanno più avvolgimenti in rame e i motori a riluttanza sono prevalentemente realizzati in acciaio.
La rimozione dei magneti aumenta il contenuto di rame:
i motori a induzione, un tempo popolari motori di azionamento, sono diventati principalmente utilizzati per applicazioni di azionamento secondario. A seconda che il rotore sia in rame o in alluminio, il contenuto di rame del motore può aumentare rispetto alle opzioni con magneti permanenti. Il motore a rotore avvolto si sta dimostrando la soluzione definitiva senza magneti, e l'utilizzo di avvolgimenti in rame sul rotore aumenta significativamente il contenuto di rame del motore, con alcuni esempi che presentano più del doppio del rame rispetto a un motore a magneti permanenti comparabile.
Esistono tecnologie alternative per i motori elettrici che potrebbero mantenere un contenuto di rame simile a quello dei motori a magneti permanenti; ad esempio, il rotore del motore a riluttanza è prevalentemente in acciaio e non contiene rame o alluminio. Tuttavia, questi motori hanno tradizionalmente sofferto di problemi di densità di potenza, rumorosità ed efficienza. Esistono diverse vie di miglioramento, con varie aziende che stanno lavorando su questo tipo di design, ma non è ancora stato dimostrato in un veicolo elettrico prodotto in serie. Il motore a flusso assiale, di recente sviluppo, offre una densità di potenza molto elevata e, pertanto, in termini di contenuto di rame per kW di potenza, ha un fabbisogno di rame molto inferiore.
Contenuto relativo di rame nei motori elettrici utilizzati nelle auto elettriche. Fonte: IDTechEx
Tecnologia di avvolgimento per ridurre il rame:
quanto sopra si riferisce al rotore, ma sono in corso sforzi per migliorare l'utilizzo del rame negli avvolgimenti dello statore. Tradizionalmente, questi avvolgimenti sono costituiti da molti piccoli fili rotondi avvolti attorno allo statore. Nel 2021, gli avvolgimenti a forcina hanno raggiunto una quota di mercato globale nei veicoli elettrici simile a quella dei fili rotondi e, di fatto, l'hanno superata nel 2022. L'avvolgimento a forcina prevede l'utilizzo di fili quadrati/rettangolari, che aumentano il fattore di riempimento delle cave, sfruttando meglio lo spazio disponibile e riducendo la quantità di avvolgimenti di rame in eccesso che pendono alle estremità del motore. Un fattore di riempimento più elevato può essere utilizzato per aumentare la massa di rame per motore, oppure un riempimento più efficiente può ridurre la lunghezza complessiva (e quindi il contenuto di rame) del motore per ottenere le stesse prestazioni.
La fase successiva dell'evoluzione prevede il pre-avvolgimento di questi avvolgimenti a forcella, in modo che ogni barra non debba essere inserita e saldata singolarmente. Ciò migliora la producibilità, consente di avere più poli sullo statore e riduce ulteriormente gli avvolgimenti terminali sporgenti. Aziende come Schaeffler, Lucid e BorgWarner, che ha un concetto simile chiamato "avvolgimento a S", hanno dimostrato la fattibilità di questo processo.
È anche possibile sostituire il rame con l'alluminio negli avvolgimenti dello statore. Generalmente, l'alluminio ha un'efficienza volumetrica inferiore, poiché richiede un volume maggiore di alluminio per ottenere le stesse prestazioni del rame. La motivazione per la sostituzione del rame con l'alluminio è che quest'ultimo è più leggero e meno costoso del rame. Nonostante ciò, per la maggior parte delle applicazioni, IDTechEx prevede che il rame rimarrà il materiale principale per gli avvolgimenti dello statore, ad eccezione di alcuni casi specifici in cui l'efficienza volumetrica del motore non è critica.
Autore: Dr. James Edmondson, Direttore della ricerca presso IDTechEx
