مقدمة حول مزايا وعيوب محرك السلك المسطح، تحليل التطبيق وأفاق الاتجاه التنموي

في الوقت الحالي، تلقى المحركات السلكية المستوية اهتمامًا أكبر في الصين، لكن تطبيقاتها قليلة، وذلك بشكل رئيسي لأن سوق الطاقة الجديدة يمتلك وقت تطور قصير، وتركز الحصة السوقية الرئيسية في سوق السيارات الصغيرة. يتم استخدام المنتجات الناضجة للمحركات السلكية المستوية الأجنبية في المركبات التي تعمل بالطاقة الجديدة، خاصة في اليابان والشركات الأوروبية والأمريكية، حيث استخدمت شركتا تويوتا وجينرال موتورز المحركات السلكية المستوية. الأمثلة البارزة هي شيفروليه فولت (محرك ريمي) وتويوتا بريوس (دنسو)، وكلاهما يستخدم حلول التبريد بالنفط. بالإضافة إلى الموردين الأجانب مثل ريمي، ديسو وهيتاشي، فإن الموردين المحليين الذين لديهم شحنات مستقرة هم بشكل أساسي شركة هوا يو للإلكترونيات وشركة سونغ زهينغ موتور، وكذلك شركة فوندر موتور التي ستبدأ الإنتاج قريبًا.

يتكون محرك الدفع بشكل أساسي من مكونات الثابت، المجمع الدوار، الغطاء النهائي وأجزاء معيارية مساعدة، ويشمل لف الثابت النواة الحديدية، لف الأسلاك النحاسية، المواد العازلة وما إلى ذلك.

كما يوحي الاسم، يستخدم محرك السلك المسطح سلك النحاس المسطح في لف القاطع، أولاً يتم صنع اللفة على شكل مشط الشعر، ثم تُدخل في خنادق القاطع، وبعد ذلك يتم لحام نهاية المشط في الطرف الآخر.

مزايا محركات السلك المسطح

الميزة الأولى: نفس القوة، الحجم أصغر، المواد أقل، التكلفة أقل، أو نفس الحجم، معدل ملء الخزان يزيد، الكثافة الطاقوية تزداد. يتحول السلك الدائري إلى سلك مسطح. نظريًا، تحت شرط ثبات المساحة، يمكن للمحرك ذو السلك المسطح تحقيق معدل ملء يصل إلى 70٪ من الخندق، ويمكن زيادة النحاس الممتلئ بنسبة 20-30٪، مما ينتج حقلًا مغناطيسيًا أقوى، وهو ما يعادل في حد ذاته زيادة القوة بنسبة 20-30٪.

الميزة 2: أداء أفضل في درجات الحرارة. يصبح الفجوة الداخلية أقل، ومساحة الاتصال بين السلك المسطح والسلك المسطح كبيرة، مما يؤدي إلى تحسن في التبريد والتوصيل الحراري؛ يكون الاتصال بين لفائف الوinding والنواة أفضل، مما يؤدي إلى تحسين التوصيل الحراري، والمحرك حساس للغاية تجاه التبريد ودرجة الحرارة، ومع تحسن التبريد، سيعمل الأداء بشكل أفضل. من خلال محاكاة حقل درجة الحرارة، تم الاستنتاج أن ارتفاع درجة حرارة لفائف المحرك باستخدام سلك النحاس المسطح بنفس التصميم يكون أقل بنسبة 10٪ مقارنة بمحرك سلك النحاس الدائري.

الميزة 3: ضوضاء كهرومغناطيسية أقل. يتمتع سلك المحرك المسطح بمرونة عالية وصلابة كبيرة، مما يجعل الجرم له صلابة أفضل ويقلل من ضوضاء الجرم؛ يمكن استخدام حجم فتحة صغير نسبيًا، مما يقلل بشكل فعال من عزم القوة الناتج عن الفتحة، وبالتالي تقليل الضوضاء الكهرومغناطيسية للمحرك.

الميزة 4: نهاية قصيرة، توفير النحاس، تحسين الكفاءة. بالنسبة للمحرك التقليدي ذو السلك الدائري، بسبب مشاكل العملية، تكون نهايته عادة أطول نسبيًا، وإلا فمن السهل تلف السلك النحاسي أثناء العملية. أما بالنسبة للمحرك ذو السلك المسطح، بما أن الخطوط هي خطوط صلبة، يمكن أن تكون النهاية أصغر قليلاً عند المعالجة، وتقل حجم النهاية بنسبة 20٪ مقارنة بمحرك السلك الدائري، ويمكن تقليل المساحة بشكل أكبر، مما يقلل من حجم النظام ويحقق التصغير والخفيفة الوزن.

الميزة 5: نقطة الكفاءة العالية لمحرك السلك المسطح ليست بالضرورة أعلى بكثير من محرك السلك الدائري، ولكن يمكن توسيع منطقة الكفاءة العالية بشكل أكبر.

عيوب محركات السلك المسطح

العيب 1: تأثير جمع الجلد عالي السرعة. تتطلب المركبات ذات الطاقة الجديدة كثافة قوة عالية لسرعة عالية، سابقاً كان الهدف هو الوصول إلى 10,000 وحتى 12,000، الآن نحو 16,000 وحتى 20,000. هناك حاجة إلى بعض الطرق الجيدة لحلها أثناء تصميم المحرك، وهذا يعتبر نقطة سلبية.

العيب 2: متطلبات الأسلاك النحاسية مرتفعة، يتم إنتاج محركات الأسلاك الدائرية النحاسية من قبل الشركات المصنعة المحلية بشكل أكبر، وجودتها يمكن أن تكون جيدة للغاية. لا يوجد العديد من الشركات التي تستطيع تصنيع محركات الأسلاك المستوية، المتطلبات مرتفعة، ونحتاج للعمل معًا لحل المادة.

العيب 3: تحتوي أسلاك مستوية على العديد من عمليات المعالجة، وتتطلب دقة معدات عالية، والاستثمار الأولي كبير لأن إذا كانت دقتها غير مرتفعة، فإن موثوقية المنتج واتساقه سيكونان ضعيفين نسبياً. شركات السيارات قلقة أيضًا بشأن موثوقية واستقرار الجودة.

العيب 4: تصميم التسلسل صعب، يرغب المحرك في تقليل التكلفة، من الجيد القيام بالتسلسل، لكن تصميم التسلسل للمحرك الحالي بالسلك المسطح ليس جيدًا كما هو الحال مع المحرك بالسلك الدائري.

العيب 5: هناك عدد كبير من الحواجز البراءات. حاليًا، براءات الاختراع لمحرك السلك المسطح تتركز بشكل رئيسي في الشركات الأوروبية والأمريكية واليابانية. لدى الشركات الصينية براءات اختراع قليلة. لدينا تخطيط للبراءات، ولكنه غير مرضٍ.

العيب 6: متطلبات تشكيل الخطوط المستوية عالية وصعبة المعالجة. نظرًا لأن سلك النحاس لديه مرونة معينة، يجب أن يكون هناك هامش تشوه في التصميم.

العيب 7: ستتعرض طبقة العزل للانكماش والتغير بعد التجفيف. إذا كان السلك دائريًا، فإن الانكماش سيكون أكثر تناسقًا، بينما السلك المسطح يسهل تلفه، مما يؤدي إلى انخفاض نسبة الإنتاج الفعلية للسلك المسطح مقارنةً بالسلك الدائري.

عملية إنتاج محرك السلك المسطح

عملية الإنتاج الرئيسية للفاعل (stator) لمotor إصدار البطاقات تشمل تشكيل الأسلاك وتشكيل الورق وإدخال الورق، يتم تنفيذ هاتين العمليتين بشكل متزامن. بعد ذلك يدخل عملية إدراج الفاعل، ثم تواء الأسلاك، وبعد اكتمال التواء يتم تنفيذ عملية اللحام. بعد اكتمال اللحام، تنتهي العملية الأساسية للفاعل للمحرك، يتبعها الطلاء، ثم اختبار الأداء والتحقق. هذه هي العملية الأساسية، مع العديد من التفاصيل في المنتصف.

عملية إنتاج محرك السلك المسطح: تصنيع ورق الفتحة، حلقة إصدار البطاقات، معالجة العزل للحلقة الثابتة، اللحام، ربط النجمة

حالة استخدام محرك السلك المسطح

على المدى الطويل، ستكون التصغير والسرعة العالية هي الاتجاه الرئيسي لتطور محركات المركبات الكهربائية الجديدة، ويجب أن يتطلب التصغير تحسين كبير في كثافة قوة المحرك. من حيث المتطلبات التقنية، "خيارات أكثر حدة ونتائج أكثر خطورة في التخطيط" تقترح أن كثافة القوة الذروة لمحركات المركبات الكهربائية الجديدة يجب أن تصل إلى 4 kW / kg، وفي الوقت الحالي تصل هذه البيانات إلى 3.2-3.3 kW / kg فقط.

تم تطبيق محركات ملفات السلك المستوية بنجاح في شيفروليه فولت 2، ومركبات نيسان الكهربائية، وتويوتا بريوس الجيل الرابع من الشركات الأجنبية، وهو الاتجاه الحتمي لتطوير محركات السيارات الكهربائية الجديدة. بما في ذلك بي دي، سايغون، بكين، الدقة في دخول الطاقة الجديدة، صانعي السيارات وشركات إنتاج المحركات قد أطلقت الأبحاث المناسبة.

قبل عام 2020، لم يكن تأثير استبدال المحركات الدائرية بالمحركات المستوية واضحًا بما يكفي. بفضل ميزة الحجم الصغير للمحركات المستوية، سيتم تخصيص أولوية التطبيق على نطاق واسع لهذه المحركات في النماذج الهجينة، وخاصةً تلك القابلة للشحن. ومع ذلك، بسبب العوامل السياسية والسوقية المحلية، فإن نسبة النماذج القابلة للشحن كانت منخفضة نسبيًا. في مجال الكهرباء الخالصة، تم تجهيز SAIC Roewe ERX5 فقط بمحرك مستوي، وهو أقل استخدامًا.

عملية تطوير الجيل الثالث من المحركات المستوية العامة أعطتنا الإلهام

الجيل الأول من المحركات المستوية العامة

نظام Chevrolet Voltec (Chevrolet Voltec 4ET50-2011) هو نظام هيكلي ثنائي المحركات. المحرك B هو محرك مستوي شعري مع قوة 110 كيلوواط، عزم دوران 370 نيوتن متر، سرعة 9500 دورة في الدقيقة ونسبة خنادق 12 قطبًا و72 خندقًا.

يستخدم المحرك تقنية لف الشعر المستقيم الخاصة بخط السد العرضي، أي ما يسمى باللفة الشعر الواحد. هذه اللفة تجعل الترتيب في الكوع جدًا مرتبًا، مما يحسن بشكل كبير معدل ملء الكوع، بينما يمكن تعزيز التركيب النهائي. النتيجة النهائية لهذه التحسينات هي تقليل المقاومة المباشرة بنسبة 30 إلى 40%.

على الرغم من أن محرك الشعر المستقيم يمكن أن يقلل من المقاومة المباشرة، إلا أنه من السهل إحساس الحقل الكهربائي للتيار الدوامي ذي التردد العالي على اللفة عندما يكون التردد عاليًا، مما ينتج عنه تأثير الجلد.

استخدمت جنرال موتورز نموذج Voltec لحساب إحصائيات نقطة عمل المحرك، وحددت أن سرعة المحرك تكون أساسًا أقل من 6000 دورة في الدقيقة تحت ظروف المدينة والطريق السريع US06، ولا تتجاوز 8000 دورة في الدقيقة. وهذا يعني أن ميزة المقاومة المنخفضة للسلك المستوي يمكن استغلالها. من هذا المنطلق، فإن محرك السلك المستوي أكثر ملاءمة لتطبيقات السرعات المتوسطة والمنخفضة.

بعد انتهاء طلاء لفائف الخط الدائري، تصبح كتلة صلبة. من الصعب أن pentrate الزيت التبريد إلى الداخل. مع حرارة الموصل الطبقة الوسطى، فمن السهل تشكيل جزيرة حرارية داخل اللفائف. المحرك 4ET50 يستخدم تقنية التبريد بالحقن الزيتي عند النهاية، لأن هناك فجوة كبيرة بين موصلات الأسلاك المسطحة عند النهاية، يدخل الزيت مباشرة إلى نهاية اللفة السلكية المسطحة ويأخذ الحرارة من كل موصل. الجمع بين السلك المسطح والتبريد بالزيت عند النهاية يمكن أن يحسن بشكل كبير قدرة التبديد الحراري ويعزز كثافة الطاقة.

المحرك العام للجيل الثاني من الأسلاك المسطحة

تم إصدار Spark في عام 2014، والدفع الرئيسي هو محرك بقوة 105 كيلوواط وسرعة دورية منخفضة تبلغ 4500 دورة في الدقيقة. يتم استخدام مزيج التقنيات وهو: الإدراج المحوري للخط المسطح + هيكل عزم الدوران المزدوج V + تقنية التبريد بالحقن الزيتي.

تم تنفيذ العمل الخاص على المحرك بواسطة مختبر GM في ويكهام، وهي ضاحية من ديترويت، وللإنتاج الضخم في بالتيمور، ماريلاند.

زمن التشغيل للمحرك الكهربائي البحت / الهجين بטווח ممتد هو أطول بكثير من ذلك للمحرك الهجين الكامل / الهجين القابس، ومتطلبات العزم والقوة أعلى أيضًا. عادةً ما يختار الهجين بטווח إضافي بنية القيادة بالطاقة الموزعة، مع استخدام محرك B كمحرك القيادة الأساسي.

نظام القيادة لسيارة شفروليه ووكر يتم تشغيله بالكامل بواسطة محرك B، لذلك يجب أن يكون محرك B قادرًا على تلبية متطلبات التسارع والقيادة. تم تصميم محرك B ذو الشعر الدائم ومحرك A ذو اللفائف المركزية للمنتجات الأولية. اختيار اللفائف المركزية يعود أساسًا إلى قيود الفضاء.

ومع ذلك، يتم تقسيم متطلبات تشغيل هيكل السيارة فولت من الجيل الثاني بين المحركين A/B. تم تقليل حجم محرك النهاية B بشكل كبير. بسبب احتياجات العزم المنخفضة لمحرك A، تم تصميم محرك يحتوي على فريت.

بالإضافة إلى ذلك، يتم عادةً استخدام المركبات الكهربائية بالكامل مع نظام تشغيل بمحرك واحد، وبالتالي فإن محرك التشغيل يميل لأن يكون بسعة كبيرة لتلبية احتياجات تسارع السيارة وتشغيلها. اختارت جنرال موتورز محرك سيارة شيفروليه سبارك الكهربائية باستخدام IPM بسرعة منخفضة ونسبة تباطؤ صغيرة.

إذا تم استخدام التدوير القياسي للخط الدائري كمرجع للتحكم، فإن مقاومة الخط الدائري تكون 1.44 مرة أكثر من مقاومة الخط المستوي في Voltec، بينما تكون مقاومة الخط الدائري 1.56 مرة أكثر من مقاومة الخط المستوي في Spark. يعني ذلك أن مقاومة الخط المستوي في Spark تنخفض بشكل أسرع. بالإضافة إلى المعلمات نفسها، يستفيد هذا التقدم أيضًا من نضوج عملية الخط المستوي.

في محرك سبارك، يتم إجراء تشكيل وتشوه بطاقة الشعر بواسطة التحكم الدقيق باستخدام CNC + تشكيل القالب. في عملية التشكيل، يتم التحكم ليس فقط في مسافة السيرفو، ولكن أيضًا إغلاق حلقة التغذية الراجعة الزمنية الحقيقية. من خلال هذه الوسائل التقنية، يتم ضمان دقة تشكيل لفائف التدوير، ويمكن التحكم في الإجهاد على المجموعة اللولبية بحيث يكون جودة كل لفافة بالكامل متسقة.

عام 3 الجيل المحرك الأسلاك المستوية

في عام 2017، أطلقت GM شيفروليه بلوت، مع عزم دوران قدره 360 نيوتن متر، وقوة قدرها 150 كيلوواط، وسرعة قمة تصل إلى 8810 دورة في الدقيقة وتيار المحرك يصل إلى 400 أمبير.

يزداد نسبة تخفيض السرعة، ويزداد سرعة المحرك بمقدار حوالي ضعفين. عندما تزداد السرعة، يزداد تأثير جمع الطبقة في موصل المحرك ذو الأسلاك المستوية عند السرعات العالية، مما يؤدي إلى زيادة مقاومة التيار المتردد.