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Dal 2014, le monoposto di Formula 1 non sono caratterizzate più dal classico motore a combustione, ma si è passati a delle vere e proprie unità di potenza (in gergo power unit). I componenti principali sono l’ MGU-H e l’ MGU-K e la denominazione simile spesso porta alla totale confusione tra i due. Oggi proveremo a fare un po’ di chiarezza e a rendere facili i concetti base del funzionamento di questi componenti, i cui studi sono iniziati alcuni anni fa e sono ancora in fase di evoluzione.
Quello che hanno in comune le due parti è che sono entrambi dei motogeneratori, dunque sono macchine elettriche capaci di trasformare l’energia elettrica in energia cinetica e viceversa. La funzione duale consente di sfruttare la MGU-H e la MGU-K come motore quando il pilota ha bisogno della piena potenza e come generatore di frenata (nel caso dell’MGU-K), appunto, in fase di frenata. Nello specifico, quest’ultima funzione permette di alleggerire la funzione dei freni per far rallentare la monoposto con uno spazio di frenata ridotto e una minore usura di tutto l’impianto frenante. L’MGU-H, invece, è un generatore di energia elettrica che assorbe l’eccesso di energia cinetica derivante dalla rotazione della turbina, e trasformandola in elettricità, riduce inoltre la velocità di rotazione della stessa.
La funzione duale dei componenti è possibile grazie alla loro architettura, in quanto sono motori sincroni (nello specifico trifase brushless). Alla base c’è uno statore su cui ci sono degli avvolgimenti in cui circolerà la corrente. Un altro pezzo fondamentale è il rotore che è dotato di magneti permanenti. Il vantaggio di utilizzare l’architettura Brushless, e quindi senza contatti elettrici striscianti e il ridotto peso dei rotori, sta nel fatto che è possibile ottenere una riduzione dei momenti di inerzia e delle coppie resistenti. Diremo che una macchina è ”senza spazzole” quando al posto di una bobina come rotore, c’è un magnete permanente.
Ma andiamo a vedere nel dettaglio la MGU-H e la MGU-K.
Il suo nome per intero è Motor Generator Unit – Heat. Durante la fase di generazione, è il responsabile della coppia resistente che viene inviata al turbogruppo. Viene sfruttata l’energia cinetica e l’entalpia dei gas di scarico in eccesso, che altrimenti andrebbero nella valvola Wastegate, perché non necessari alla sovralimentazione per mettere in rotazione il motogeneratore calettato all’albero degli elementi appartenenti alla sovralimentazione.
Nella fase di motore, invece, l’albero riceve una coppia motrice che viene alimentato da un campo magnetico derivante dalla circolazione della corrente tramite gli avvolgimenti, in modo da generare velocità elevate in tempi quasi istantanei. Così è possibile ridurre al minimo il turbolag, ovvero il ritardo della risposta del turbo durante le fasi di accelerazione.
L’MGU-H non può raggiungere rotazioni superiori ai 125 mila giri al minuto e la massa totale deve essere superiore ai 4 chili, mentre non ci sono limitazioni riguardo l’energia che può essere conservata e sfruttata.
Passando ad un qualcosa di più rigoroso, possiamo affermare che il motogeneratore, nella fase di rigenerazione, causa la variazione del flusso di campo magnetico concatenato con la superficie. La variazione causa una forza elettromotrice nelle bobine, che per la legge di Faraday-Neumann-Lenz, è pari alla variazione nel tempo del flusso di tale campo magnetico, quando la variazione nel tempo tende a 0 (ovvero la derivata).
Il campo magnetico può essere rappresentato mediante un vettore che ruota con una determinata velocità angolare con modulo costante (poiché abbiamo il magnete permanente). La forza elettromotrice generata dipende solo ed esclusivamente da quella del campo magnetico rotante. Proprio per questo motivo, parliamo di alternatore sincrono.
Poiché la batteria può ricevere solo corrente continua monofase, il lavoro della trasformazione da corrente alternata a continua è affidato al raddrizzatore.
Passiamo ora alla fase di motore. Quando un pilota, nel nostro caso di Formula 1, richiede la massima potenza dalla Power Unit, la centralina elettronica fa inviare della corrente alternata dalla batteria tramite l’inverter. Il risultato è un campo magnetico rotante attorno alle tre bobine con ampiezza pari a una volta e mezzo il campo magnetico delle singole bobine e la cui velocità angolare ha la stessa dipendenza con la pulsazione della fem valida per la fase di generazione. L’interazione tra il campo magnetico rotante dello statore e il campo magnetico dei magneti rotorici genera una coppia sul rotore che lo fa ruotare con la stessa velocità angolare ω con cui ruota il campo dell’indotto. Per questo il motore si dice sincrono.
Qui di seguito è riportato un video che spiega in modo più chiaro il funzionamento di un motore sincrono.
L’acronimo di MGU-K è Motor Generator Unit – Kynetic. Si tratta dell’evoluzione del famoso sistema KERS che in sintesi sfruttava la frenata per trasformare l’energia cinetica in energia elettrica da utilizzare come potenza aggiuntiva nelle fasi decisive dei Gran Premi.
Il funzionamento di base è lo stesso dell’ MGU-K. La trasformazione del tipo di energia avviene grazie all’applicazione di un momento resistente e l’intensità di quest’ultima dipende direttamente dalla pressione esercitata dal pedale del freno e dunque dall’ ”aggressività” con cui le pinze premono sui dischi. Il carico della frenata viene gestito dal sistema brake-by-wire, e l’energia cinetica che non può essere recuperata, viene dissipata sotto forma di calore durante la frenata. Quanto detto finora, vale per la fase di generazione. Ora passiamo alla fase di motore: l’avvolgimento percorso dalla corrente induce un campo magnetico al rotore della MGU-K che consente, tramite anche un aumento di coppia, di raggiungere accelerazioni notevoli, che con il solo motore a combustione non possono essere raggiunte. La velocità di rotazione dell’MGU-K non può superare i 75 mila giri al minuto, deve pesare più di 7 chili e può fornire una coppia massima di 200 Nm. Esistono altre limitazioni dovute al regolamento tecnico che impongono un utilizzo di massimo 2 MJ al giro, mentre quella generata può essere di massimo 4 MJ al giro. La potenza guadagnata con l’utilizzo della fase di motore, è superiore ai 160 cv. Con il regolamento che entrerà in vigore dal 2021 nel campionato di Formula 1, sarà abolito l’MGU-H, a favore del potenziamento dell’MGU-K.
