Analisi tecnica F1: funzionamento MGU-H e MGU-K

L’era turbo-ibrida della classe regina è caratterizzata da due componenti fondamentali: MGU-H e MGU-K.

Entrambi i componenti sono motogeneratori, ovvero delle macchine elettriche in grado di trasformare energia elettrica in energia cinetica e viceversa. Esse si comportano da motore quando il pilota richiede la massima potenza (uscita di curva), da generatore in frenata (MGU-K) sgravando in parte il contributo dei freni per rallentare la vettura, e quando il turbogruppo soddisfa pienamente le portate d’aria al motore termico (MGU-H).

Il comportamento duale motore-generatore è possibile grazie alla particolare architettura, essendo i motogeneratori sincroni: più precisamente essi sono motogeneratori sincroni trifase brushless.
Come tutte le macchine elettriche non statiche, sono costituiti da uno statore su cui sono effettuati gli avvolgimenti in cui circolerà la corrente e da un rotore che in questo caso è dotato di magneti permanenti.
L’architettura brushless (che non prevede contatti elettrici striscianti) e le masse contenute dei rotori riducono di fatto le coppie resistenti e i momenti di inerzia, garantendo un accelerazione angolare del componente maggiore e quindi il raggiungimento di velocità di rotazione elevate in minor tempo.

Nella fase di generatore l’energia elettrica viene inviata e stoccata alle batterie, nella fase di motore l’energia elettrica viene erogata ai componenti. Fra i motogeneratori e le batterie è interposto un inverter/raddrizzatore, poiché i primi funzionano a corrente trifase alternata mentre i secondi sono a corrente continua.

Analizziamo in dettaglio il funzionamento dei due componenti:

• MGU-H è l’acronimo di Motor Generator Unit – Heat, nella fase di generatore esso induce all’alberino del turbogruppo una coppia resistente: in sostanza sfrutta l’energia cinetica e l’entalpia dei gas di scarico in eccesso, che altrimenti verrebbero bypassati attraverso valvola wastegate a valle della turbina perché non necessari alla sovralimentazione, per mettere in rotazione il motogeneratore che è calettato all’albero delle giranti del turbogruppo. Nella fase di motore induce all’alberino una coppia motrice, esso viene alimentato da un campo magnetico indotto dalla corrente elettrica che circola sull’avvolgimento statorico, facendo ottenere all’alberino del turbogruppo velocità di rotazione elevate quasi istantaneamente, limitando di fatto l’odiato fenomeno del turbo-lag (ritardo alla risposta del turbogruppo) in accelerazione.  Il  sistema MGU-H non può superare velocità di rotazione pari a 125.000 RPM e deve avere una massa maggiore di 4 kg; non vi sono limiti alla quantità di energia elettrica recuperata/erogata.

  

• MGU-K è l’acronimo di Motor Generator Unit – Kynetic, esso è la naturale evoluzione del sistema KERS, elemento protagonista negli anni passati. Nella fase di generatore esso sfrutta la variazione di energia cinetica dell’albero motore durante il transitorio di frenata imponendogli una coppia resistente, ovvero trasformando parte dell’energia cinetica in energia elettrica. L’intensità della coppia resistente è funzione del carico applicato alla pinza dei freni, carico che viene gestito dal brake-by-wire. L’energia cinetica che non viene recuperata viene dissipata in energia termica ai freni carboceramici. Nella fase di motore l’avvolgimento percorso da corrente induce un campo magnetico al rotore del MGU-K che si porterà in rotazione, contribuendo ad un aumento notevole di coppia motrice disponibile all’albero motore, che in uscita di curva garantisce accelerazioni brucianti non raggiungibili dal solo motore termico. La velocità massima del MGU-K non può superare i 50.000 RPM, deve avere una massa maggiore di 7 kg e può fornire al massimo una coppia pari a 200 Nm; la quantità di energia elettrica che può essere inviata alle batterie non può superare i 2 MJ per giro, quella che può essere erogata non può superare i 4 MJ per giro. Si stima che le potenze fino ad ora ottenute dai sistemi MGU-K superino abbondantemente i 160 cv.

  

Il cambiamento di regolamento, che verrà attuato dal 2021, mira all’abolizione del MGU-H in un’ottica di potenziamento del MGU-K, al fine di ridurre i costi ed incentivare l’ingresso di nuove scuderie.