Úvod do výhod a nevýhod plochého vinutí motoru, analýza použití a vyhlídky vývojového trendu

V současnosti jsou ploché vinuté motory více diskutovány v Číně, ale jejich uplatnění je omezené, hlavně proto, že trh s novými zdroji energie existuje kratší dobu a hlavní tržní podíl je soustředěn na trhu s mikro osobními automobily. Zralé zahraniční produkty s plochým vinutím jsou používány v automobilech s novými zdroji energie, zejména v Japonsku, evropských a amerických firmách, Toyota a General Motors používají ploché vinuté motory. Reprezentativními příklady jsou Chevrolet VOLT (Remy Motor) a Toyota Prius (Denso), které oba využívají řešení s olejovým chlazením. Kromě zahraničních dodavatelů, jako jsou Remy, Dso a Hitachi, jsou hlavními domácími dodavateli s stabilním prodejem především Huayu Electric a Songzheng Motor, a také Founder Motor, který bude brzy uveden do výroby.

Pohonový motor je hlavně složen ze statorových komponent, rotorové sestavy, krytu a pomocných standardních dílů, přičemž statorové vinutí zahrnuje jádro, měděné vinutí, izolační materiály atd.

Jak název napovídá, plochým drátovým motorem se rozumí motor využívající ploché měděné dráty ve statorovém vinutí. Nejprve se vinutí vyrobí do tvaru podobného kartáči, poté se zasunou do statorových drážek a nakonec se konce kartáčů na druhé straně svaří.

Výhody plochých drátových motorů

Výhoda 1: stejný výkon, menší objem, méně materiálu, nižší náklady, nebo stejný objem, vyšší plnění drážek, zvýšená výkonová hustota. Kulatý drát se mění na plochý drát. Teoreticky za předpokladu stejného prostoru může plochým drátový motor dosáhnout plnění drážek až 70 %, množství vložené mědi se může zvýšit o 20–30 %, což vytváří silnější magnetické pole, což je v určitém smyslu ekvivalentní ke zvýšení výkonu o 20–30 %.

Výhoda 2: lepší tepelný výkon. Vnitřní mezera se zmenšuje, plocha styku mezi plochým vodičem a plochým vodičem je větší, chlazení a vedení tepla je lepší; styk vinutí s jádrem je lepší, vedení tepla je efektivnější a motor je velmi citlivý na chlazení a teplotu, čímž se při lepším chlazení zlepšuje výkon. Na základě simulace teplotního pole bylo zjištěno, že teplotní nárůst vinutí motoru s plochým měděným vodičem při stejném návrhu je o 10 % nižší než u motoru s kruhovým měděným vodičem.

Výhoda 3: nižší elektromagnetický hluk. Plochý motorový vodič má větší tuhost, větší tuhost konstrukce, větší tuhost kotvy potlačuje hluk kotvy; lze použít relativně menší rozměr drážky, čímž se efektivně sníží moment zubů a dále se sníží elektromagnetický hluk motoru.

Výhoda 4: krátký konec, úspora mědi, zvýšení účinnosti. Tradiční motor s kruhovým vinutím má kvůli výrobním problémům obvykle poměrně dlouhý konec, jinak je měděný drát během výroby náchylný k poškození. U plochého drátového motoru jsou vinutí tuhá, proto lze při výrobě zhotovit menší konec, velikost konce je o 20 % menší než u kruhového drátového motoru, prostor lze dále zredukovat, čímž se dosáhne dalšího zmenšení systému a dosažení miniaturizace a lehkosti.

Výhoda 5: bod vysoké účinnosti plochého vinutí nemusí být nutně výrazně vyšší než u kruhového vinutí, ale oblast vysoké účinnosti může být dále rozšířena.

Nevýhody plochého vinutí

Nevýhoda 1: Efekt sběru kůže při vysoké rychlosti. Nové energetické vozidlo má vysoké požadavky na výkonovou hustotu při vysoké rychlosti. Dříve bylo 10 000 nebo dokonce 12 000, nyní se směřuje k 16 000 nebo dokonce 20 000. V průběhu návrhu motoru je třeba najít nějaké dobré způsoby, jak tento problém vyřešit, což je nevýhoda.

Nevýhoda 2: Vysoké požadavky na měděný drát. Domácí výrobci kruhového drátu pro motory dělají hodně a kvalita může být velmi dobrá. Výrobci, kteří vyrábějí plochý drát pro motory, jsou však relativně málo a požadavky jsou poměrně vysoké. Je třeba společně vyřešit otázku materiálu.

Nevýhoda 3: Plochý drát má mnoho výrobních procesů, požadavky na přesnost zařízení jsou vysoké a počáteční investice jsou velké. Pokud není přesnost dostatečná, bude spolehlivost a konzistence produktu poměrně špatná. Automobilové společnosti se také obávají spolehlivosti a stabilitě kvality.

Nevýhoda 4: návrh sériové výroby je obtížný, motor má snížit náklady, dobré je provést sériování, návrh sériové výroby není u současných plochých cívek tak dobrý jako u kruhových cívek.

Nevýhoda 5: existuje příliš mnoho patentových bariér. V současnosti drží většinu patentů na ploché cívky evropské, americké a japonské firmy. Čínské firmy mají málo patentů. Máme sice patentové rozvržení, ale není uspokojivé.

Nevýhoda 6: požadavky na tvarování plochého vodiče jsou vysoké a výroba je obtížná. Protože měděný vodič má určitou pružnost, musí být ve výpočtu zahrnuta tolerance na deformaci.

Nevýhoda 7: izolační povlak se po usušení smrští. Pokud se jedná o kruhový vodič, smrštění bude rovnoměrnější, zatímco u plochého vodiče dochází k poškození snadněji, což má za následek nižší výtěžnost plochého vodiče ve srovnání s kruhovým vodičem.

Výrobní proces plochotvarného motoru

Hlavní výrobní proces statoru motorku pro vydávání karet, tvarování drátu a lisování papíru a vkládání papíru, tyto dva procesy probíhají současně. Poté následuje proces vkládání statoru a dále kroutící se drát, po dokončení kroutění následuje svařovací proces. Po dokončení svařování je základní proces statoru motoru hotov, následuje povrchová úprava a poté testování a ověření výkonu. Toto je základní proces, uprostřed něhož se nachází mnoho detailů.

Výrobní proces plochého drátového motoru: výroba drážkového papíru, izolace kroužku pro vydávání karet, svařování pevného kroužku, hvězdicové spojení

Aplikační situace plochého drátového motoru

Na dlouhou trať budou miniaturizace a vysoká rychlost hlavním vývojovým trendem motorů vozidel na nové energetické zdroje a miniaturizace bude muset vyžadovat výrazné zlepšení výkonové hustoty motoru. Z hlediska technických požadavků dokument „mnohem větší volby a závažnější důsledky při plánování“ stanovil nový cíl pro špičkovou výkonovou hustotu pohonového motoru vozidel na nové energetické zdroje na 4 kW/kg, zatímco nyní je tato hodnota pouze 3,2–3,3 kW/kg.

Motory s plochým drátem vinutí byly úspěšně aplikovány u zahraničních výrobců, jako je Chevrolet Volt 2, elektrická vozidla Nissanu a čtvrtá generace Toyota Prius. Jedná se o nezvratný trend vývoje motorů pro automobily na nové energetické zdroje. Včetně BYD, SAIC, Beijing, Precision a jiných výrobců nových energetických vozidel a výrobců motorů, kteří již zahájili příslušný výzkum.

Před rokem 2020 nebyl doposud dostatečně zřejmý náhradní efekt plochých motorů za kruhové motory. Díky výhodě malých rozměrů plochých motorů budou ploché motory preferovány pro rozsáhlé nasazení v hybridních modelech, zejména v modelech s pluginem. Kvůli domácím politickým a tržním faktorům však plug-in modely tvořily poměrně nízký podíl. V oblasti čisté elektřiny je pouze SAIC Roewe ERX 5 vybaven plochým drátovým motorem, což se používá méně často.

Vývojový proces třetí generace obecného plochého motoru nám dává inspiraci

Obecný plochý motor první generace

Chevrolet Voltec, Pohonový systém 4ET50 (Chevrolet Voltec 4ET50-2011) je systém s dvojitým motorem. Motor B je plochý drátový motor s výkonem 110 kW, točivým momentem 370 Nm, otáčkami 9500 rpm a poměrem drážek 12 pólů 72 drážek.

Motor využívá technologii čelního vinutí axiální zástrčné linky, tedy jednoduché čelní vinutí. Toto čelní vinutí umožňuje velmi úhledné uspořádání vinutí ve drážce, čímž se výrazně zvyšuje plnící faktor drážky. Zároveň lze posílit koncovou sestavu a konečným účinkem těchto dvou vylepšení je snížení stejnosměrného odporu o 30–40 %.

Ačkoli čelní motor snižuje stejnosměrný odpor, při vysoké frekvenci je na vinutí snadno generováno vířivé elektrické pole s vysokou frekvencí, což způsobuje skinefekt.

Společnost GM použila model Voltec k výpočtu statistiky rychlosti pracovního bodu motoru a zjistila, že rychlost motoru je v režimu městského provozu 2 a US06 základně níže než 6000 ot./min., maximálně do 8000 ot./min. Jinými slovy, lze plně využít výhodu nízkého odporu plochého vodiče. Z tohoto hlediska je plochým vinutím vybavený motor vhodnější pro střední a nízké otáčky.

Po dokončení vinutí na konci linky je vinutí natřeno a stane se z něj pevný celek. Chladicímu oleji je poté obtížné proniknout dovnitř. Uvnitř vinutí se tak může v důsledku tepla střední vrstvy vodiče snadno vytvořit teplotní ostrov. Motor 4ET50 využívá technologii chlazení olejem vstřikovaným na konci, protože mezi vodiči plochého drátu existuje dostatečná mezera. Stříkací tryska oleje přímo proniká do konce vinutí plochého drátu a odvádí teplo z každého vodiče. Kombinace plochého drátu a chlazení olejem na konci výrazně zvyšuje odvod tepla a zlepšuje výkonovou hustotu.

Obecný motor druhé generace s plochým drátem

Spark byl uveden v roce 2014 a hlavní pohon tvoří motor o výkonu 105 kW s nízkými otáčkami 4 500 ot./min. Kombinace technologií zahrnuje: axiální vložení plochého drátu + konstrukci s dvojitým V momentem + technologii chlazení vstřikováním oleje.

Speciální práce na motoru byla prováděna v GM laboratoři ve Wickham, předměstí Detroitu, a pro sériovou výrobu v Baltimoru ve státě Maryland.

Doba jízdy čistě elektrického / prodlouženého dojezdového hybridního motoru je mnohem delší než u plného / plug-in hybridního motoru a požadavky na točivý moment a výkon jsou také vyšší. Hybrid s prodlouženým dojezdem obecně využívá strukturu výkonového bočníku, kde B motor slouží jako hlavní pohonový motor.

Pohonný systém Chevrolet Walker je zcela poháněn B motorem, proto musí B motor splňovat požadavky na zrychlení a jízdní výkon. Pro první generaci produktů byly navrženy B motor s permanentním magnetem a výkonnými vlasovými cívkami a A motor s permanentním magnetem a centrálním vinutím. Volba koncentrovaného vinutí byla zejména omezena prostorem.

Avšak požadavky na pohon u vozidla druhé generace Volt jsou rozděleny mezi motory A/B. Velikost koncového motoru B byla výrazně zmenšena. Díky nízkým požadavkům na točivý moment motoru A byl navržen feritový motor.

Kromě toho se u čistě elektrických vozidel obvykle používá jednomotorový pohon, takže pohonný motor má tendenci mít větší výkon, aby vyhovoval požadavkům na zrychlení a pohon vozidla. U čistě elektrického Chevrolet Spark od společnosti GM byl zvolen nízkootáčkový IPM motor a malý převodový poměr.

Pokud je jako referenčního řízení použito standardního kruhového vinutí, odpor kruhového vinutí je u Voltec 1,44krát vyšší než odpor plochého vinutí, zatímco u Spark je kruhové vinutí 1,56krát vyšší než ploché vinutí. To znamená, že odpor plochého vinutí u Spark klesá prudčeji. Kromě samotných parametrů protokolu je tento pokrok také díky zralosti procesu s plochým vinutím.

U motoru Spark jsou tvarování a deformace kartáče prováděny pomocí CNC přesného řízení + formování formou. Během procesu formování je kromě řízení zdvihu servomotoru také uzavřena reálná zpětná vazba. Těmito technickými prostředky je dosaženo záruky přesnosti vinutí a zároveň je možné kontrolovat napětí vinutí, aby byla kvalita každého závitu cívky zcela stejná.

Obecný 3. generace plochého vinutého motoru

V roce 2017 uvedla GM model Chevrolet Blot s maximálním točivým momentem 360 Nm, maximálním výkonem 150 kW, maximálními otáčkami 8810 ot./min a maximálním proudem motoru 400 Arms.

Převodový poměr reduktoru se zvyšuje a otáčky motoru stoupají téměř dvojnásobně. Při zvyšování otáček se zvyšuje efekt skórování vodiče plochého motoru při vysokých otáčkách, což vede ke zvýšení střídavého odporu.