F1 – Rottura del MGU-K Ferrari della Haas, quali fragilità stanno dietro a questo componente?

Ferrari F1 – In questo articolo andremo ad esaminare le problematiche che può incontrare un componente di cui poco si parla, ovvero il MGU-K. Abbiamo visto, infatti, nell’ultimo GP di Australia come il pilota della Haas Nico Hulkenberg sia stato costretto a parcheggiare la sua monoposto subito dopo la bandiera a scacchi, per un problema proprio al motogeneratore. Il cedimento del componente deve aver preoccupato non poco in casa Ferrari, anche memori delle ripetute rotture avvenute nel corso del 2022 proprio al MGU-K.

Come sempre per un elemento non visibile, è difficile andare a stabilire le cause di una rottura, quello su cui possiamo concentrarci è però analizzare quali possano essere le criticità sia in fase di progettazione che in fase di utilizzo del componente.

Il MGU-K (come anche il MGU-H) è un motogeneratore elettrico sincrono a magneti permanenti. Il che significa che si tratta di un motore “brushless” dove gli avvolgimenti sono presenti solo nello statore (elemento fisso), mentre nel rotore (parte mobile) sono presenti diversi poli magnetici di polarità alterna creati da magneti permanenti, alimentati da una corrente di eccitazione. Il motore è in grado di funzionare solo se rotore e statore girano alla stessa frequenza (da qui il nome sincrono). Da fermo quindi non è in grado di avviarsi, poiché il rotore si trova d avere una coppia di trascinamento nulla. L’avviamento viene effettuato per mezzo dell’inverter, apparato elettronico che permette di convertire una corrente continua (che è quella che giunge dalla batteria della monoposto), in corrente alternata e variare pure parametri di ampiezza e frequenza. Con l’inverter è possibile realizzare la commutazione elettronica della corrente nello statore, in modo da accelerare il rotore.

Ma come si genera la forza elettromotrice che fa girare il rotore e la corrente negli avvolgimenti dello statore? Senza entrare troppo nel dettaglio, (per non appesantire la trattazione) possiamo dire che tutto ciò accade grazie allo stretto legame esistente tra campo magnetico e campo elettrico. La legge di Faraday-Neumann sta alla base di questo fenomeno fisico. Quando un conduttore elettrico attraversa un campo magnetico variabile si genera una forza elettromotrice. Nel motore a magneti permanenti, abbiamo infatti il campo magnetico generato dai magneti, e il conduttore che sono gli avvolgimenti dello statore. Se il rotore si muove rispetto allo statore, è come se il conduttore stesse attraversando un campo magnetico variabile, generando di conseguenza un campo elettrico e quindi corrente. Non è tutto oro quello che luccica, poiché il legame appena descritto vale anche al contrario. Infatti un conduttore percorso da corrente genera a sua volta un campo magnetico variabile in direzione opposta a quello applicato. Il risultato è la creazione di correnti parassite che vanno a determinare una perdita di efficienza del sistema stesso, oltre che all’aumento della temperatura del conduttore.

Ed è proprio la temperatura il fattore determinante di cui bisogna tener conto quando si progettano questi motori. In generale, in elettrotecnica un motore viene sviluppato a partire dai dati di targa che si hanno imposti, tipo: destinazione finale, tensione, numero di fasi, potenza, coppia, velocità, frequenza, efficienza.

In Formula 1, il dato di targa principale è uno: la performance. Per regolamento il MGU-K è comunque limitato a una coppia di 200 Nm e a una potenza di 120 Kw con una velocità di rotazione massima di 50.000 rpm. Oltre a questo viene imposto solamente il limite minimo di peso che è di 7Kg. Per il resto la sfida principale dei costruttori è quello di ottenere il miglior motore possibile a livello di prestazioni e quindi di efficienza.

Come abbiamo appena detto poco fa, l’efficienza può essere messa a dura prova dalla temperatura. Infatti non bisogna sottovalutare i principi fondamentali della termodinamica. L’energia elettrica e il calore sono due forme di energia, e la prima può essere trasformata nella seconda per effetto Joule. Il fisico inglese constatò come il calore prodotto da un filo conduttore fosse proporzionale alla resistenza del filo stesso e al quadrato della corrente circolante. La trasformazione di energia elettrica in calore è un effetto non voluto, poiché quello che si ricerca in un motore elettrico è un’altra tipologia di trasformazione; ovvero da energia elettrica a energia meccanica. L’energia persa in calore va a impattare sul rendimento del motore stesso.

Ecco perché è così importante tenere a bada il calore, e questa problematica sta rappresentando una grande sfida per tutti i costruttori nel motorsport che vogliano aumentare le prestazioni dei loro motori elettrici.

Oltre agli aspetti di rendimento non dobbiamo sottovalutare anche altri aspetti distruttivi che una temperatura troppo elevata può portare al motore.

In Formula 1 il MGU-K può arrivare tranquillamente a 190°-200°C. E sono temperature già abbastanza importanti anche per un semplice fattore. Questo riguarda come i magneti vengono installati nel rotore. In linea di massima questi vengono incollati sulla superficie esterna del rotore e contenuti da un bendaggio esterno che va a contrastare la forza centrifuga generata durante la rotazione. Le proprietà meccaniche delle colle epossidiche variano molto con la temperatura e queste perdono completamente la loro azione incollante con valori di temperatura troppo elevati. A quel punto si potrebbe avere un movimento non desiderato dei magneti e nella peggiore delle ipotesi la rottura del bendaggio, che verrebbe sollecitato da una forza maggiore, in quanto non più presente il contributo resistente (seppur piccolo) della colla epossidica. D’altro canto, in un mondo dove si cerca la prestazione assoluta, le case non possono permettersi di fare un bendaggio con una sezione resistente troppo grande, in quanto andrebbe ad aumentare il gap tra statore e rotore con diminuzione di efficienza elettrica del motore stesso. Ecco perchè niente può essere lasciato al caso e la progettazione è eseguita sempre al limite.

Non solo, un aumento incontrollato della temperatura ha effetti negativi anche sulle proprietà magnetiche dei magneti. Un materiale ferromagnetico ha delle strutture di spin magnetici che dipendono dalla temperatura, e questi si dispongono casualmente al superamento della temperatura di Curie, trasformando l’elemento di fatto in un materiale paramagnetico (perdendo quindi le proprietà magnetiche che aveva in precedenza). Per dei magneti al neodimio la temperatura di Curie si attesta in un range tra i 300° e i 400° C. Al di sopra di questa soglia il motore diventerebbe inutilizzabile.

Per concludere abbiamo visto gli aspetti fisici che stanno alla base del funzionamento di un motore elettrico a magneti permanenti come il MGU-K e delle sue fragilità legate alla temperatura. Quando allora vediamo una Power Unit particolarmente efficiente dovremo porci la domanda di quanto sia effettivamente efficiente il raffreddamento di tutto il sistema. E questa sarà una chiave di lettura molto importante in vista della rivoluzione regolamentare nel 2026 dove il MGU-K avrà un ruolo fondamentale e pari quasi a quello del tradizionale motore endotermico.