Εισαγωγή στα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της επίπεδης σύρματος μηχανής, ανάλυση εφαρμογών και προοπτικές αναπτυξιακής τάσης

Προς το παρόν, οι κινητήρες επίπεδου σύρματος αποτελούν αντικείμενο μεγαλύτερης εστίασης στην Κίνα, ωστόσό η εφαρμογή τους είναι περιορισμένη, κυρίως λόγω του μικρού χρονικού διαστήματος ανάπτυξης της αγοράς νέων ενεργειών, καθώς και της συγκέντρωσης το μερίδιο της αγοράς στην αγορά των μικρών επιβατικών αυτοκινήτων. Τα ώριμα προϊόντα κινητήρων επίπεδου σύρματος του εξωτερικού χρησιμοποιούνται σε οχήματα νέων ενεργειών, ιδιαίτερα στις ιαπωνικές, ευρωπαϊκές και αμερικανικές επιχειρήσεις, με τις Toyota και General Motors να χρησιμοποιούν κινητήρες επίπεδου σύρματος. Χαρακτηριστικά παραδείγματα είναι το Chevrolet VOLT (Remy Motor) και το Toyota Prius (Denso), τα οποία και τα δύο χρησιμοποιούν λύσεις ψύξης με λάδι. Εκτός από ξένους προμηθευτές, όπως τη Remy, Dso και Hitachi, οι εγχώριοι προμηθευτές με σταθερές παραδόσεις είναι κυρίως η Huayu Electric και η Songzheng Motor, καθώς και η Founder Motor, η οποία θα τεθεί σύντομα σε παραγωγή.

Ο κινητήρας οδήγησης αποτελείται κυρίως από εξαρτήματα στάτη, συναρμολόγηση ρότορα, καπάκι άκρου και βοηθητικά τυποποιημένα εξαρτήματα, ενώ η περιέλιξη του στάτη περιλαμβάνει πυρήνα, περιέλιξη από χάλκινο σύρμα, μονωτικά υλικά κ.λπ.

Όπως προκύπτει από την ονομασία του, ο κινητήρας επίπεδου σύρματος χρησιμοποιεί επίπεδο χάλκινο σύρμα στην περιέλιξη του στάτη, δημιουργώντας πρώτα την περιέλιξη σε σχήμα παρόμοιο με χτένα, διεισδύοντας στην αυλάκωση του στάτη, και στη συνέχεια συγκολλώντας το άκρο της χτένας στην άλλη άκρη.

Πλεονεκτήματα κινητήρων επίπεδου σύρματος

Πλεονέκτημα 1: Για την ίδια ισχύ, μικρότερος όγκος, λιγότερα υλικά, χαμηλότερο κόστος ή για τον ίδιο όγκο, αυξημένο ποσοστό πλήρωσης της αυλάκωσης, αυξημένη πυκνότητα ισχύος. Η στρογγυλή γραμμή μετατρέπεται σε επίπεδη γραμμή. Θεωρητικά, υπό την προϋπόθεση σταθερού χώρου, ο κινητήρας επίπεδης γραμμής μπορεί να επιτύχει ποσοστό πλήρωσης αυλάκωσης 70%, ενώ η ποσότητα του χαλκού που τοποθετείται μπορεί να αυξηθεί κατά 20-30%, παράγοντας ισχυρότερη μαγνητική ένταση, κάτι που είναι κατά κάποιον τρόπο ισοδύναμο με αύξηση της ισχύος κατά 20-30%.

Πλεονέκτημα 2: καλύτερη απόδοση σε σχέση με τη θερμοκρασία. Το εσωτερικό κενό μειώνεται, η επιφάνεια επαφής μεταξύ της επίπεδης γραμμής και της επίπεδης γραμμής είναι μεγαλύτερη, η απαγωγή θερμότητας και η διαρροή θερμότητας είναι καλύτερες. Η επαφή μεταξύ της περιέλιξης και της αυλάκωσης του πυρήνα είναι βελτιωμένη, η διαρροή θερμότητας είναι καλύτερη, και ο κινητήρας είναι πολύ ευαίσθητος στην απαγωγή θερμότητας και τη θερμοκρασία, η οποία βελτιώνεται με τη βελτίωση της απαγωγής θερμότητας και η απόδοση θα βελτιωθεί. Μέσω προσομοίωσης του θερμοκρασιακού πεδίου, συμπεραίνεται ότι η αύξηση θερμοκρασίας της περιέλιξης του κινητήρα με επίπεδο χάλκινο σύρμα, με τον ίδιο σχεδιασμό, είναι 10% χαμηλότερη από εκείνη του κινητήρα με στρογγυλό χάλκινο σύρμα.

Πλεονέκτημα 3: χαμηλότερος ηλεκτρομαγνητικός θόρυβος. Το επίπεδο σύρμα του κινητήρα έχει μεγαλύτερη δύναμη, μεγαλύτερη δυσκαμψία, ο αγωγός έχει καλύτερη δυσκαμψία, που καταπολεμά τον θόρυβο του αγωγού. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί σχετικά μικρότερο μέγεθος αυλάκωσης, μειώνοντας αποτελεσματικά τη ροπή αυλάκωσης και περαιτέρω μείωση του ηλεκτρομαγνητικού θορύβου του κινητήρα.

Πλεονέκτημα 4: Μικρό άκρο, εξοικονόμηση χαλκού, βελτίωση της απόδοσης. Οι παραδοσιακοί κινητήρες με στρογγυλό σύρμα, λόγω τεχνολογικών προβλημάτων, έχουν γενικά αρκετά μεγάλο άκρο, διαφορετικά υπάρχει κίνδυνος βλάβης του χάλκινου σύρματος κατά τη διαδικασία. Στους κινητήρες με επίπεδο σύρμα, επειδή τα σύρματα είναι σκληρά, το άκρο μπορεί να κατασκευαστεί λίγο μικρότερο κατά την επεξεργασία, με αποτέλεσμα το μέγεθος του άκρου να μειώνεται κατά 20% σε σχέση με τους κινητήρες με στρογγυλό σύρμα. Έτσι, το χώρος μπορεί να μειωθεί περαιτέρω, κάτι που επιτρέπει τη μείωση του όγκου του συστήματος και την επίτευξη μικροσκοπικών διαστάσεων και ελαφριάς κατασκευής.

Πλεονέκτημα 5: Το σημείο μέγιστης απόδοσης του κινητήρα με επίπεδο σύρμα δεν είναι απαραίτητα σημαντικά υψηλότερο σε σχέση με το στρογγυλό σύρμα, ωστόσο η περιοχή υψηλής απόδοσης μπορεί να επεκταθεί περαιτέρω.

Μειονεκτήματα των κινητήρων με επίπεδο σύρμα

Μειονέκτημα 1: Αποτέλεσμα υψηλής ταχύτητας συλλογής της επιφάνειας. Τα οχήματα νέας ενέργειας έχουν υψηλές απαιτήσεις πυκνότητας ισχύος σε υψηλές ταχύτητες. Παλαιότερα ήταν στις 10.000 ή ακόμα και 12.000, τώρα πηγαίνουν προς την κατεύθυνση των 16.000 ή ακόμα και 20.000. Υπάρχει ανάγκη για καλύτερους τρόπους επίλυσης αυτού κατά τη διάρκεια του σχεδιασμού του κινητήρα, το οποίο είναι ένα αρνητικό σημείο.

Μειονέκτημα 2: Οι απαιτήσεις σε χάλκινο σύρμα είναι υψηλές. Στους κινητήρες με στρογγυλό σύρμα οι εγχώριοι κατασκευαστές είναι πολλοί και η ποιότητα μπορεί να είναι πολύ καλή. Υπάρχουν όμως λίγοι κατασκευαστές που μπορούν να κατασκευάσουν κινητήρες με επίπεδο σύρμα, καθώς οι απαιτήσεις είναι σχετικά υψηλές, και χρειάζεται να δουλέψουμε μαζί για να επιλύσουμε τα θέματα υλικού.

Μειονέκτημα 3: Το επίπεδο σύρμα έχει πολλές διαδικασίες επεξεργασίας, οι απαιτήσεις σε ακρίβεια του εξοπλισμού είναι υψηλές και η αρχική επένδυση είναι μεγάλη, γιατί αν η ακρίβεια δεν είναι υψηλή, η αξιοπιστία και η συνέπεια του προϊόντος θα είναι σχετικά κακή. Οι εταιρείες αυτοκινήτων ανησυχούν επίσης για την αξιοπιστία και τη σταθερότητα της ποιότητας.

Μειονέκτημα 4: ο σχεδιασμός σειριοποίησης είναι δύσκολος, ο κινητήρας θέλει να μειώσει το κόστος, το καλό είναι να γίνει σειριοποίηση, ο σχεδιασμός σειριοποίησης είναι καλύτερος από τον κινητήρα με επίπεδο σύρμα, αυτή τη στιγμή ο κινητήρας με επίπεδο σύρμα δεν είναι τόσο καλός όσο ο κινητήρας με στρογγυλό σύρμα.

Μειονέκτημα 5: Υπάρχουν πολλά διπλώματα ευρεσιτεχνίας. Αυτή τη στιγμή, τα διπλώματα ευρεσιτεχνίας των κινητήρων με επίπεδο σύρμα βρίσκονται κυρίως σε επιχειρήσεις της Ευρώπης, της Αμερικής και της Ιαπωνίας. Οι κινέζικες επιχειρήσεις διαθέτουν λίγα διπλώματα ευρεσιτεχνίας. Έχουμε διάταξη διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας, αλλά δεν είναι ικανοποιητική.

Μειονέκτημα 6: οι απαιτήσεις σχηματοποίησης της επίπεδης γραμμής είναι υψηλές και η δυσκολία επεξεργασίας. Επειδή το χάλκινο σύρμα έχει ορισμένη ελαστικότητα, θα πρέπει να υπάρχει περιθώριο παραμόρφωσης στον σχεδιασμό.

Μειονέκτημα 7: το μονωτικό επίστρωμα θα παράγει συρρίκνωση μετά το στέγνωμα. Αν είναι στρογγυλή γραμμή, η συρρίκνωση θα είναι πιο ομοιόμορφη, και η επίπεδη γραμμή είναι εύκολο να υποστεί ζημιές, με αποτέλεσμα στην πραγματική επεξεργασία, η απόδοση της επίπεδης γραμμής να είναι πολύ χαμηλότερη από τη στρογγυλή γραμμή.

Διαδικασία παραγωγής κινητήρα επίπεδου σύρματος

Η κύρια διαδικασία παραγωγής του στάτη του κινητήρα διανομής καρτών, σχηματοποίηση σύρματος και μορφοποίηση χαρτιού και τοποθέτηση χαρτιού, αυτές οι δύο διαδικασίες πραγματοποιούνται ταυτόχρονα. Μπαίνετε στη διαδικασία τοποθέτησης στάτη, και στη συνέχεια στρίβετε το σύρμα, η ολοκλήρωση της στρίψης εκτελεί τη διαδικασία συγκόλλησης. Μετά την ολοκλήρωση της συγκόλλησης, έχει ολοκληρωθεί η βασική διαδικασία του στάτη του κινητήρα, ακολουθείται από τη διαδικασία επικάλυψης και στη συνέχεια από δοκιμή και επαλήθευση απόδοσης. Αυτή είναι η βασική διαδικασία, με πολλές λεπτομέρειες στη μέση.

Διαδικασία παραγωγής κινητήρα επίπεδου σύρματος: κατασκευή χαρτιού αυλάκων, διαμόρφωση δακτυλίου μόνωσης σταθερού δακτυλίου, συγκόλληση, σύνδεση αστέρα

Κατάσταση εφαρμογής του κινητήρα επίπεδου σύρματος

Στη μακροπρόθεσμη περίοδο, η μικρομηχανική και η υψηλή ταχύτητα θα αποτελέσουν την κύρια τάση ανάπτυξης της ηλεκτρικής μηχανής οχημάτων νέας ενέργειας, και η μικρομηχανική θα απαιτεί σίγουρα σημαντική βελτίωση της πυκνότητας ισχύος της ηλεκτρικής μηχανής. Από την τεχνική άποψη, "πολύ πιο σκληρές επιλογές και σοβαρότερες συνέπειες στον σχεδιασμό" έχουν θέσει ως στόχο την πυκνότητα της μέγιστης ισχύος της ηλεκτρικής μηχανής οχημάτων νέας ενέργειας να φτάσει τα 4kW/kg, όμως αυτή τη στιγμή το επίπεδο είναι μόνο 3,2-3,3kW/kg.

Οι ηλεκτρικές μηχανές με επίπεδη περιέλιξη έχουν εφαρμοστεί με επιτυχία στο Chevrolet Volt 2, στα ηλεκτρικά οχήματα της Nissan και στην τέταρτη γενιά Prius της Toyota. Είναι η αναπόφευκτη τάση ανάπτυξης των ηλεκτρικών μηχανών οχημάτων νέας ενέργειας. Επιπλέον, εταιρείες όπως η BYD, SAIC, Βερολίνο, Precision New Energy, καθώς και επιχειρήσεις παραγωγής ηλεκτρικών μηχανών έχουν ήδη ξεκινήσει τη σχετική έρευνα.

Πριν το 2020, το αντικαταστατικό αποτέλεσμα των επίπεδων κινητήρων στους κυκλικούς κινητήρες δεν ήταν ακόμη αρκετά εμφανές. Χάρη στο πλεονέκτημα των μικρών διαστάσεων των κινητήρων με επίπεδο σύρμα, οι κινητήρες αυτοί θα προτιμηθούν για μεγάλης κλίμακας εφαρμογές σε υβριδικά μοντέλα, κυρίως σε plug-in μοντέλα. Ωστόσο, λόγω εσωτερικής πολιτικής και αγοραίων παραγόντων, τα plug-in μοντέλα είχαν σχετικά μικρή αναλογία. Στον τομέα της καθαρής ηλεκτρικής ενέργειας, μόνο το SAIC Roewe ERX 5 διαθέτει κινητήρα με επίπεδο σύρμα, και η χρήση τους είναι περιορισμένη.

Η διαδικασία ανάπτυξης της τρίτης γενιάς γενικών κινητήρων με επίπεδο σύρμα μας δίνει έμπνευση

Γενική 1ης γενιάς κινητήρας με επίπεδο σύρμα

Chevrolet Voltec, το σύστημα 4ET50 (Chevrolet Voltec 4ET50-2011) είναι ένα σύστημα διπλού κινητήρα. Ο κινητήρας Β είναι κινητήρας με επίπεδο σύρμα σε μορφή καρφιού με ισχύ 110 kW, ροπή 370 Nm, ταχύτητα 9500 rpm και λόγο διαίρεσης 12 πόλων και 72 αυλών.

Ο κινητήρας υιοθετεί την τεχνολογία των αξονικών εισόδων, δηλαδή την τεχνολογία μονής αγκύλης. Η τεχνολογία αυτή εξασφαλίζει πολύ καλή διάταξη των σπειρών μέσα στην αυλάκωση, αυξάνοντας σημαντικά τον συντελεστή πλήρωσης της αυλάκωσης, ενώ παράλληλα ενισχύεται η συναρμολόγηση των άκρων. Το τελικό αποτέλεσμα αυτών των δύο βελτιώσεων είναι η μείωση της συνεχούς αντίστασης κατά 30~40%.

Παρότι ο κινητήρας με αγκύλες μπορεί να μειώσει την αντίσταση συνεχούς ρεύματος, είναι εύκολο να δημιουργηθεί υψηλής συχνότητας ηλεκτρικό πεδίο επαγωγής στις σπείρες όταν η συχνότητα είναι υψηλή, με αποτέλεσμα το φαινόμενο της επιδερμικής αντίστασης (skin effect).

Η GM χρησιμοποίησε το μοντέλο Voltec για τον υπολογισμό των στατιστικών ταχυτήτων των σημείων λειτουργίας του κινητήρα και διαπίστωσε ότι η ταχύτητα του κινητήρα είναι σχεδόν πάντα κάτω από 6000 σ.α.λ. στις περιπτώσεις urban2 και US06, και δεν ξεπερνά τις 8000 σ.α.λ. Δηλαδή, μπορεί να αξιοποιηθεί πλήρως το πλεονέκτημα της χαμηλής αντίστασης των επίπεδων αγωγών. Από αυτή την άποψη, ο κινητήρας με επίπεδο σύρμα είναι πιο κατάλληλος για εφαρμογές μεσαίων και χαμηλών ταχυτήτων.

Μετά την ολοκλήρωση της επανειλημμένης τύλιξης, το τύλιγμα βάφεται και μετατρέπεται σε στερεό σύνολο. Είναι δύσκολο για το λάδι ψύξης να διεισδύσει στο εσωτερικό. Με τη θερμότητα του μεσαίου αγωγού, δημιουργείται εύκολα ένα θερμικό νησί στο εσωτερικό του τυλίγματος. Ο κινητήρας 4ET50 υιοθετεί τεχνολογία ψύξης με έγχυση λαδιού στο άκρο, διότι υπάρχει μεγάλο κενό ανάμεσα στους αγωγούς στο άκρο του επίπεδου σύρματος, το λάδι από το ακροφύσιο διεισδύει απευθείας στο άκρο του τυλίγματος του επίπεδου σύρματος και απομακρύνει τη θερμότητα από κάθε αγωγό. Ο συνδυασμός της τεχνολογίας του επίπεδου σύρματος και της ψύξης με λάδι στο άκρο, βελτιώνει σημαντικά τη δυνατότητα απαγωγής θερμότητας και αυξάνει την πυκνότητα ισχύος.

Κινητήρας επίπεδου σύρματος 2ης γενιάς

Το Spark κυκλοφόρησε το 2014, και ο κύριος κινητήρας είναι ένας κινητήρας 105 kW με χαμηλή ταχύτητα 4.500 σ.α.λ. Ο συνδυασμός τεχνολογίας είναι ο εξής: επίπεδο σύρμα με αξονική τοποθέτηση + δομή ροπής με διπλό V + τεχνολογία ψύξης με έγχυση λαδιού.

Το ειδικό έργο στον κινητήρα διεξήχθη στο εργαστήριο της GM στο Wickham, μια προάστια περιοχή του Detroit, και για την παρτίδα παραγωγής στην Baltimore, Maryland.

Ο χρόνος λειτουργίας του καθαρά ηλεκτρικού / υβριδικού κινητήρα με επεκταμένη εμβέλεια είναι πολύ μεγαλύτερος από αυτόν του πλήρους / υβριδικού κινητήρα με φις, ενώ τα αιτήματα στροφικής ροπής και ισχύος είναι επίσης υψηλότερα. Το πρόσθετο υβριδικό σύστημα επιλέγει κυρίως δομή κίνησης με διακλάδωση ισχύος, με τον κινητήρα B ως κύριο κινητήρα κίνησης.

Το σύστημα κίνησης του Chevrolet Walker είναι πλήρως προπελωτικό που τροφοδοτείται από τον κινητήρα B, γι' αυτό ο κινητήρας B πρέπει να καλύπτει τις απαιτήσεις επιτάχυνσης και κίνησης. Για πρώιμα προϊόντα σχεδιάστηκαν ένας επίμονος μαγνήτης B κινητήρα με σπειροειδές τύλιγμα και ένας επίμονος μαγνήτης A κινητήρα με κεντρικό τύλιγμα. Η επιλογή τύλιγμα με συγκεκριμένο περιορισμό χώρου έγινε κυρίως λόγω περιορισμένου χώρου.

Ωστόσο, οι απαιτήσεις κίνησης της αρχιτεκτονικής του οχήματος της δεύτερης γενιάς Volt χωρίζονται στους κινητήρες Α/Β. Το μέγεθος του κινητήρα Β μειώθηκε σημαντικά. Λόγω των χαμηλών απαιτήσεων στροφορμής του κινητήρα Α, σχεδιάστηκε ένας κινητήρας με φερρίτη.

Επιπλέον, τα πλήρως ηλεκτρικά οχήματα χρησιμοποιούνται συνήθως με σύστημα κίνησης μονού κινητήρα, έτσι ο κινητήρας κίνησης τείνει να έχει μεγάλη χωρητικότητα για να καλύπτει τις ανάγκες επιτάχυνσης και κίνησης του οχήματος. Ο κινητήρας της πλήρως ηλεκτρικής Chevrolet Spark της GM επέλεξε έναν κινητήρα IPM χαμηλής ταχύτητας και μικρό λόγο επιβράδυνσης.

Εάν η τυποποιημένη περιέλιξη κυκλικής γραμμής χρησιμοποιείται ως έλεγχος αναφοράς, η αντίσταση της κυκλικής γραμμής είναι 1,44 φορές αυτή της αντίστασης της επίπεδης γραμμής στο Voltec, ενώ η αντίσταση της κυκλικής γραμμής είναι 1,56 φορές αυτή της αντίστασης της επίπεδης γραμμής στο Spark. Αυτό σημαίνει ότι η αντίσταση της επίπεδης γραμμής του Spark μειώνεται πιο απότομα. Εκτός από τις ίδιες τις παραμέτρους του πρωτοκόλλου, αυτή η πρόοδος οφείλεται επίσης στην ωρίμανση της διαδικασίας της επίπεδης γραμμής.

Στη μηχανή Spark, η διαμόρφωση και η παραμόρφωση της κάρτας των μαλλιών πραγματοποιείται με ακριβή ελεγχόμενη CNC + διαμόρφωση με χρήση καλουπιού. Κατά τη διαδικασία διαμόρφωσης, ελέγχεται όχι μόνο η διαδρομή του σερβομηχανισμού, αλλά επίσης πραγματοποιείται και πραγματική ανατροφοδότηση. Μέσω αυτών των τεχνικών μέσων, εξασφαλίζεται η ακρίβεια της διαδικασίας τυλίγματος και επίσης ελέγχεται η τάση της ομάδας τυλίγματος, ώστε η ποιότητα κάθε σπείρας να είναι πλήρως συνεπής.

Γενικής χρήσης μηχανή επίπεδου σύρματος 3ης γενιάς

Το 2017, η GM κυκλοφόρησε το Chevrolet Blot, με μέγιστη ροπή 360 Nm, μέγιστη ισχύ 150kW, μέγιστη ταχύτητα 8810rpm και μέγιστο ρεύμα της μηχανής 400 Arms.

Ο λόγος μείωσης της ταχύτητας αυξάνεται και η ταχύτητα της μηχανής αυξάνεται κατά προσέγγιση δύο φορές. Όταν η ταχύτητα αυξάνεται, το φαινόμενο επιφανειακής συλλογής του επίπεδου αγωγού της μηχανής αυξάνεται σε υψηλές ταχύτητες, με αποτέλεσμα την αύξηση της εναλλασσόμενης αντίστασης.