Danfoss e il futuro dell'alimentazione delle macchine elettriche

Stand Danfoss ad Agritechnica 2025 (Foto: Danfoss)

Poiché le soluzioni elettrificate costituiscono una parte sempre maggiore del mercato energetico, la capacità di personalizzare tali prodotti diventa ancora più critica

Danfoss Power Solutions ha presentato una gamma di componenti e sistemi all'edizione dello scorso anno di Agritechnica, la più grande fiera mondiale dedicata alle attrezzature agricole e alle relative soluzioni energetiche. I nuovi lanci hanno evidenziato l'ampia gamma di competenze offerte dall'azienda danese, tra cui idraulica, elettroidraulica, elettrificazione, digitalizzazione, autonomia e software correlati.

"Insieme ai nostri clienti, offriamo prestazioni insuperabili alle macchine di oggi, definendo al contempo lo standard per le macchine di domani. Non stiamo solo facendo progredire l'agricoltura; stiamo progettando un futuro migliore", ha affermato Steen Rohleder, vicepresidente EMEA Sales di Danfoss Power Solutions.

Tra i nuovi lanci figura anche il motore elettrico a bassa tensione Editron EM-PMI-180. Il motore sincrono a magneti permanenti assistiti da riluttanza (SRPM) da 48 V è progettato per azionare una pompa idraulica a ingranaggi in macchinari elettrici compatti, tra cui piattaforme aeree, piattaforme a forbice, pale caricatrici ed escavatori compatti.

Motore elettrico a bassa tensione Editron EM-PMI-180 da 48 V ad Agritechnica 2025 (Foto: Danfoss)

Rispetto ai motori ACIM, la tecnologia SRPM offre coppia e potenza maggiori in un design più compatto. Parte della riduzione delle dimensioni è dovuta all'utilizzo di avvolgimenti hairpin nel nuovo motore, che riducono lo spazio tra ogni avvolgimento dello statore, creando un prodotto finale più piccolo ma ad alta densità di potenza. Questa soluzione è ideale per macchine in cui lo spazio a bordo può essere difficile da reperire.

Percorso di adozione

Per avere un'idea della direzione più ampia che Danfoss sta prendendo in termini di sviluppo dei prodotti, Power Progress International ha parlato con Jeff Herrin, vicepresidente senior di Innovazione e Sviluppo, durante l'Agritechnica 2025.

Con il lancio del motore Editron sopra menzionato e la più ampia adozione di soluzioni elettriche non solo destinate a supportare, ma in alcuni casi a sostituire, l'energia idraulica, è stato chiesto a Herrin di commentare se questa fosse la fine delle soluzioni idrauliche nelle applicazioni delle macchine.

"Se tornavi indietro di due o tre Agritechnicas, l'elettrificazione era la novità in città. E creava un grande fermento. Le aziende che presentavano la loro prima soluzione con motore elettrico o inverter la volevano in prima fila nello stand per sottolineare la loro presenza sul mercato.

Questo è successo cinque anni fa. Quello che vedo qui è che l'elettrificazione sta diventando mainstream. Molte aziende ora dispongono di macchine ibride o completamente elettriche a batteria, quindi non credo ci siano dubbi sul fatto che l'elettrificazione sia sulla buona strada per l'adozione nelle apparecchiature mobili. Questa è una vecchia notizia. Ciò che è più interessante è chiedersi quanto velocemente si stia muovendo questo percorso, in termini di sviluppo delle macchine e interesse dei clienti".

Herrin prosegue osservando che il numero di macchine vendute che sono modelli puramente elettrici è di gran lunga inferiore alle previsioni formulate solo tre o quattro anni fa. Questo, afferma, è dovuto in gran parte al fatto che l'economia generale delle macchine elettrificate non si è evoluta al punto da consentirne l'adozione su larga scala: il ritorno sull'investimento delle macchine elettriche rispetto a quelle idrauliche, in termini di prezzo della macchina, costi di esercizio e costo totale di proprietà, è migliorato, ma non è ancora al livello delle alternative di base.

Jeff Herrin, Danfoss Power Solutions

"È un'altra storia dell'uovo e della gallina", afferma. "Quando i volumi di produzione aumentano, i prezzi delle macchine diminuiscono e queste macchine diventano più interessanti. Ma finché quei volumi non aumentano, ci troviamo in una situazione in cui le macchine elettriche sono ancora considerevolmente più costose delle equivalenti diesel/idrauliche".

Proposta di valore

Herrin afferma che la ragione per cui gli OEM hanno scelto di introdurre per primi macchine che consumano fino a circa 100 kW è dovuta alla pronta disponibilità della tecnologia sviluppata per i carrelli elevatori elettrici. Afferma che questo percorso tecnologico a bassa tensione ha sostanzialmente guidato lo sviluppo di nuove macchine che utilizzano l'energia elettrica.

"Ciò che stiamo osservando ora è una tecnologia elettrica collaudata che viene reimpiegata in altre applicazioni in cui esiste una proposta di valore. Molte delle recenti acquisizioni di Danfoss hanno riguardato il settore elettrico ad alta tensione. Sebbene vi siano requisiti di sicurezza incrementali all'aumentare dei livelli di tensione, questo consente di puntare su macchine di potenza superiore che erogano circa 300 kW utilizzando sistemi a 500 o 800 V."

Herrin ritiene che ci siano alcune applicazioni tradizionalmente basate sull'energia idraulica in cui l'elettrificazione ha o prenderà il sopravvento. Ma questo commento è seguito direttamente dalla sottolineatura che nei padiglioni di Agritechnica sarebbe difficile trovare una macchina priva di componenti idraulici.

Detto questo, ci saranno soluzioni elettriche che "svilupperanno" diverse applicazioni, che si tratti del sistema di propulsione o della funzione di presa di forza. Poi, naturalmente, ci sono le soluzioni ibride, in cui motori elettrici e pompe idrauliche di azionamento lavorano insieme.

"La sfida più difficile nell'elettrificazione", afferma Herrin, "è l'attuazione lineare ad alta potenza. Il cilindro idraulico ha una lunga vita davanti a sé. È impressionante ciò che questi componenti ad alta densità di potenza possono realizzare, e il loro rapporto costo-efficacia è davvero vantaggioso".

Alla domanda se sia inevitabile che le soluzioni elettriche prendano il sopravvento sull'idraulica, c'è una pausa prima della risposta. "A lungo termine, si potrebbe sostenere di sì. Soprattutto nelle applicazioni rotative, nelle trasmissioni a ruota, ecc. Ma due cose devono accadere: il prezzo [delle soluzioni elettriche] deve scendere considerevolmente e la densità di potenza dei motori elettrici deve aumentare – in molti casi i motori semplicemente non possono essere installati su apparecchiature mobili.

Osserva che l'idraulica è una delle tecnologie a più alta densità di potenza che si possano trovare, anche rispetto ai motori elettrici. E poi c'è il problema della scalabilità;

Herrin: "È possibile scalare i motori elettrici per ottenere più potenza, e questo di solito si basa sulla velocità di rotazione, ma una volta raggiunta la velocità massima, non sono scalabili bene. I motori diventano molto grandi, molto rapidamente. Quindi le applicazioni rotative sono ancora il posto giusto per i motori elettrici, perché non è necessario effettuare le complesse conversioni lineari, che sono dolorose! Ma l'adozione aumenterà con la riduzione di prezzo e dimensioni dei package."

Nuova tecnologia motoria

Naturalmente, tutto ciò si ricollega perfettamente al motore a bassa tensione Editron EM-PMI-180 da 48 V, che è stato ridimensionato senza alcuna perdita di potenza in uscita.

Questo risultato è stato ottenuto sostituendo il filo di rame che si avvolge centinaia di volte attorno allo statore. Mentre in precedenza il filo utilizzato per avvolgere lo statore aveva una sezione trasversale arrotondata, il nuovo modello utilizza un filo piatto con bordi squadrati. Ciò si traduce in meno spazio tra ogni avvolgimento del filo, consentendo di ridurre le dimensioni complessive dello statore e del motore.

Centro di sviluppo applicativo (ADC) di Danfoss a Nordborg, Danimarca (Foto: Danfoss)

"La forma del filo è fondamentale per la riduzione delle dimensioni del nostro ultimo motore; la chiamiamo tecnologia hairpin", afferma Herrin. "Anche i magneti sono stati ottimizzati in termini di dimensioni, al punto che la progettazione e la tecnologia di produzione consentono di ottenere un motore elettrico con maggiore densità di potenza".

È questo tipo di progresso che, secondo Herrin, porterà, nel corso delle prossime generazioni di prodotti, l'energia elettrica rotativa a diventare una tecnologia prevalente nelle applicazioni mobili. Tuttavia, aggiunge, l'innovazione è ancora necessaria in termini di costi e di ulteriori riduzioni delle dimensioni dei package.

"L'energia elettrica è sempre stata prevalente negli scenari industriali perché non c'erano limiti di spazio. Non importava la dimensione del motore, bastava integrare il gruppo di alimentazione e posizionarlo su uno skid. Nel settore mobile non è così, ogni centimetro quadrato è prezioso a bordo di una macchina", afferma.

La tecnologia guida i cambiamenti

Herrin è stato nominato per il suo attuale ruolo presso Danfoss Power Solutions nel 2021, ma ha dedicato oltre 25 anni allo sviluppo di nuove tecnologie. Alla domanda su cosa sia cambiato nel settore della Ricerca e Sviluppo a seguito dell'evoluzione del mercato energetico, ha risposto che una delle sfide più grandi è stata quella di attrarre nuovi talenti con le competenze necessarie per supportare la continua evoluzione dei prodotti.

"Per produrre tecnologie servono ingegneri diversi e, quando si entra nel settore dell'elettrificazione, i miei team di progettazione hanno dovuto aggiungere nuove competenze per trasformare le idee in realtà. Non potevamo limitarci a impiegare ingegneri meccanici per progettare gli avvolgimenti dei motori elettrici."

Herrin afferma che un altro ambito di cambiamento è stato lo sviluppo software, che ha continuato a crescere come requisito per lo sviluppo di nuovi prodotti. "Quando ho iniziato, lo sviluppo software rappresentava circa il 10% della nostra forza lavoro ingegneristica. Direi che ora è circa il 30%, e in crescita".

Ciò che non è cambiato è l'insieme delle applicazioni che Danfoss supporta con i suoi prodotti. Tuttavia, sebbene l'attenzione alle applicazioni rimanga invariata, Herrin afferma che il passaggio dalla meccanica e dall'idraulica come principali meccanismi di controllo delle macchine all'elettronica e al software che svolgono queste funzioni è stato un fattore trainante fondamentale per l'intera azienda.

"In passato vendevamo molte pompe idrauliche che alimentavano le macchine tramite un collegamento fisico e meccanico. Ora, quasi il 100% delle soluzioni che sviluppiamo è controllato da software, con un'interfaccia per gestire il sistema. Anche dove ci sono ancora elementi meccanici, anche quelli hanno un'elettronica integrata per ottimizzare il controllo locale. Questa è una trasformazione avvenuta in 25 anni. Ora non sono sicuro che la gente vorrebbe acquistare una pompa che non abbia un'interfaccia software."

Il passaggio allo sviluppo di prodotti basati sul software ha aperto nuove sfide, tra cui la sicurezza informatica e la sicurezza funzionale, ciascuna delle quali richiede una soluzione specifica come parte del processo di ricerca e sviluppo.

Soluzioni personalizzate

Esempio di soluzione di erogazione di potenza presso lo stand Danfoss ad Agritechnica 2025 (Foto: Danfoss)

Molti dei prodotti standard realizzati da Danfoss sono concepiti come "piattaforme" per ottenere vantaggi di scala. Quando un'applicazione richiede un'ulteriore personalizzazione, in termini di funzionalità, controllo, ecc., è questa piattaforma a fungere da base per qualsiasi ulteriore sviluppo.

Anche questo aspetto è cambiato nel corso degli anni, secondo Herrin. Mentre le piattaforme Danfoss erano in parte specifiche per ogni regione, gli ultimi sviluppi adottano una prospettiva globale, grazie alla prevalenza di alcune caratteristiche tecnologiche e alla presenza mondiale degli OEM di macchinari.

Alla domanda se gli OEM di diverse regioni stessero collaborando e progettando nuove macchine per utilizzare queste piattaforme, Herrin ha risposto: "I nostri clienti vogliono sempre la soluzione perfetta. Se possono utilizzare i nostri prodotti di piattaforma fin da subito, otterranno un time-to-market più rapido e un prezzo migliore, perché abbiamo una scalabilità su quel prodotto. Tuttavia, spesso vediamo concorrenti all'interno di una regione che offrono prodotti su misura per una determinata applicazione. Quindi è importante che le nostre piattaforme siano competitive a livello locale".

Questa concorrenza, però, non preoccupa Herrin: "Siamo preoccupati? No, non lo farei, possiamo ignorarla. Dobbiamo adattarci, a volte personalizzando la piattaforma in base al mercato locale, che a volte finisce per diventare un prodotto standard in quella regione".