Field weakening: andare più di quanto la tensione permetta

Ogni motore a magneti ha una velocità massima "naturale", stabilita dalla tensione della batteria. Il field weakening, spesso chiamato in italiano indebolimento di campo, permette di superarla senza cambiare batteria o motore. È una regolazione potente, apprezzata nelle corse, ma che ha un prezzo e dei rischi da conoscere.

Perché un motore raggiunge il limite

Un motore a magneti è anche una dinamo: girando, produce una tensione, la forza contro-elettromotrice, proporzionale alla sua velocità. Per fare entrare corrente nel motore, il controller deve applicargli una tensione superiore a quella che produce.

Quando la velocità aumenta, la tensione prodotta dal motore si avvicina a quella della batteria. Il controller non riesce più a spingere corrente, quindi coppia: la velocità si stabilizza. Questo limite si calcola a partire dalla costante di velocità del motore, il Kv, e dalla tensione della batteria. Vedi la nostra guida sul Kv, il Kt e i poli.

Il principio del field weakening

Nella regolazione vettoriale FOC, la corrente del motore si scompone in due parti: la corrente q, che produce la coppia, e la corrente d, allineata con i magneti. Normalmente, la corrente d viene mantenuta a zero.

Per applicare il field weakening, il controller inquina una corrente d negativa. Crea un campo opposto a quello dei magneti, riducendo la tensione che il motore produce a parità di velocità. Il controller può fare di nuovo entrare corrente q, quindi coppia, e il motore supera il suo vecchio limite.

Il termine è ingannevole: i magneti non vengono indeboliti. È il loro effetto visto dagli avvolgimenti che viene compensato, finché circola la corrente d.

Ciò che costa

• Corrente senza coppia: su un motore a magneti superficiali, la corrente d non spinge. Si aggiunge alla corrente totale, quindi al riscaldamento del motore e del controller.
• Rendimento: ad alta velocità in field weakening, una parte crescente dell'energia si disperde in calore. L'autonomia diminuisce.
• Un limite di corrente condiviso: la corrente totale del motore resta limitata. Più corrente si dedica al field weakening, meno ne rimane per la coppia.

I motori a magneti interni (IPM) supportano meglio il field weakening, perché la corrente d partecipa anch'essa alla coppia. È uno dei motivi del loro successo nel settore automobilistico: vedi la nostra guida sui motori IPM e SPM.

Il rischio principale: l'interruzione ad alta velocità

In field weakening, il motore gira più velocemente della sua velocità naturale: la tensione che produrrebbe senza la corrente d supera quella della batteria. Se il controller si interrompe improvvisamente (guasto, protezione, perdita di alimentazione), la corrente d scompare e questa tensione appare di colpo ai suoi morsetti.

Il motore si comporta allora come un generatore che rimanda corrente verso la batteria attraverso il ponte del controller, con una frenata brutale possibile e una tensione che può superare ciò che i transistor o la batteria possono sopportare. Ecco perché si mantiene un margine di tensione, e perché il field weakening si regola con prudenza.

Field weakening o più tensione?

Per andare più veloci, abbiamo due opzioni: applicare il field weakening, o aumentare la tensione della batteria. Più tensione alza il limite senza corrente supplementare, quindi senza calore o perdita di rendimento, ma impone una batteria, un controller e spesso un BMS compatibili. Il field weakening, invece, richiede solo una regolazione, ma si paga in calore e autonomia. Su una macchina da corsa, spesso si combinano entrambi. Per le batterie, vedi le nostre batterie per monopattino.