Introducción de las ventajas y desventajas del motor de alambre plano, análisis de aplicación y prospectiva de tendencia de desarrollo

Actualmente, los motores de alambre plano generan mayor interés en China, pero su aplicación es limitada, principalmente debido a que el mercado de nuevas energías tiene un tiempo de desarrollo corto, y la mayor parte de la cuota de mercado está concentrada en el mercado de automóviles compactos. En productos extranjeros maduros de motores de alambre plano utilizados en vehículos de nueva energía, especialmente en empresas de Japón, Europa y Estados Unidos, Toyota y General Motors han adoptado motores de alambre plano. Ejemplos representativos son el Chevrolet VOLT (motor Remy) y el Toyota Prius (Denso), ambos emplean soluciones refrigeradas por aceite. Además de proveedores extranjeros como Remy, Dso y Hitachi, los proveedores nacionales con envíos estables son principalmente Huayu Electric y Songzheng Motor, así como Founder Motor, cuya producción está próxima a iniciarse.

El motor de accionamiento está compuesto principalmente por componentes del estator, conjunto del rotor, tapa de extremo y piezas estándar auxiliares, y el devanado del estator incluye núcleo de hierro, bobinado de cable de cobre, materiales de aislamiento, etc.

Como su nombre lo indica, el motor de alambre plano utiliza alambre de cobre plano en el devanado del estator; primero se fabrica el bobinado con forma similar a una tarjeta de peine, se inserta en las ranuras del estator y luego se sueldan los extremos de la tarjeta de peine en el otro extremo.

Ventajas de los motores de alambre plano

Ventaja 1: misma potencia, menor volumen, menos materiales, menor costo, o mismo volumen, mayor tasa de llenado de ranura, mayor densidad de potencia. La línea redonda se convierte en línea plana. Teóricamente, bajo la premisa de espacio constante, el motor de línea plana puede alcanzar el 70% de tasa de llenado de ranura, y la cantidad de cobre rellenado puede aumentarse en un 20-30%, produciendo una mayor intensidad del campo magnético, lo cual equivale en cierta medida a aumentar la potencia en un 20-30%.

Ventaja 2: mejor rendimiento térmico. La brecha interna se reduce, el área de contacto entre el hilo plano y el hilo plano es mayor, por lo que la disipación y conducción del calor son mejores; el contacto entre el devanado y la ranura del núcleo es mejor, lo que permite una conducción térmica más eficiente. Además, el motor es muy sensible a la disipación del calor y a la temperatura, por lo que una mejor disipación térmica mejora el rendimiento. A través de simulaciones del campo térmico, se concluye que la elevación de temperatura en los devanados del motor con hilo de cobre plano es un 10% menor que en los motores con hilo de cobre circular con el mismo diseño.

Ventaja 3: menor ruido electromagnético. El hilo plano del motor tiene mayor rigidez y resistencia, lo que proporciona mayor rigidez al inducido y suprime el ruido del inducido; también permite utilizar ranuras de tamaño relativamente menor, reduciendo eficazmente el par de ranura y, por ende, el ruido electromagnético del motor.

Ventaja 4: extremo corto, ahorra cobre, mejora la eficiencia. En el motor tradicional de alambre redondo, debido a problemas de proceso, su extremo generalmente es relativamente largo; de lo contrario, es fácil dañar el alambre de cobre durante el proceso. En el motor de alambre plano, debido a que los alambres son rígidos, el extremo puede hacerse un poco más pequeño durante el procesamiento, y el tamaño del extremo se reduce un 20% en comparación con el motor de alambre redondo, y el espacio puede reducirse aún más, lo que permite disminuir el volumen del sistema y lograr miniaturización y ligereza.

Ventaja 5: el punto de alta eficiencia del motor de alambre plano no necesariamente es mucho más alto que el del alambre redondo, pero el área de alta eficiencia puede ampliarse aún más.

Desventajas de los motores de alambre plano

Desventaja 1: Efecto de colecta de la piel a alta velocidad. Los vehículos de nueva energía requieren una alta densidad de potencia para alcanzar altas velocidades; antes se trabajaba a 10,000 o incluso 12,000, ahora se apunta hacia 16,000 o incluso 20,000. Durante el proceso de diseño del motor, deben encontrarse buenas formas de resolver este problema, lo cual representa un inconveniente.

Desventaja 2: Requisitos elevados para el cable de cobre. Los fabricantes nacionales producen más comúnmente cables redondos para motores eléctricos, y la calidad puede ser muy buena. Sin embargo, hay pocos fabricantes capaces de producir cables planos, ya que los requisitos son relativamente más altos, por lo que necesitamos trabajar juntos para resolver los temas relacionados con los materiales.

Desventaja 3: El cable plano involucra muchos procesos de fabricación, requiere una alta precisión en el equipo y una inversión inicial considerable, ya que si la precisión no es suficiente, la confiabilidad y la consistencia del producto serán relativamente pobres. Las empresas automotrices también están preocupadas por la fiabilidad y estabilidad de la calidad.

Desventaja 4: el diseño de serialización es difícil, el motor desea reducir costos, lo ideal es hacerlo mediante serialización, pero el diseño de serialización actual no es tan bueno en motores de alambre plano como en los de alambre redondo.

Desventaja 5: existen demasiadas barreras de patentes. Actualmente, las patentes para motores de alambre plano están principalmente en empresas europeas, estadounidenses y japonesas. Las empresas chinas poseen pocas patentes. Tenemos un diseño de patentes, pero no es del todo satisfactorio.

Desventaja 6: los requisitos para el formado de alambre plano son altos y su procesamiento es difícil. Debido a que el alambre de cobre tiene cierta elasticidad, debe incluirse una tolerancia para deformación en el diseño.

Desventaja 7: el recubrimiento de aislamiento produce deformación por contracción después del secado. Si se trata de un alambre redondo, la contracción será más uniforme, mientras que el alambre plano es más propenso a dañarse, lo que hace que en el procesamiento real, el rendimiento del alambre plano sea considerablemente menor al del alambre redondo.

Proceso de fabricación del motor de alambre plano

El proceso principal de producción del estator del motor de emisión de tarjetas incluye el conformado del alambre y el moldeado del papel, así como la inserción del papel; estas dos operaciones se realizan simultáneamente. Luego se entra en el proceso de inserción del estator, seguido del torcido del alambre y, una vez terminado el torcido, se lleva a cabo el proceso de soldadura. Al finalizar la soldadura, se completa básicamente el proceso del estator del motor, le sigue el recubrimiento y después la prueba y verificación de rendimiento. Este es el proceso básico, con muchos detalles intermedios.

Proceso de producción del motor de alambre plano: fabricación de papel aislante para ranuras, tratamiento de aislamiento del anillo de emisión de tarjetas, soldadura del anillo fijo y conexión en estrella

Situación de aplicación del motor de alambre plano

A largo plazo, la miniaturización y la alta velocidad serán la principal tendencia de desarrollo del motor para vehículos de nueva energía, y la miniaturización requerirá que la densidad de potencia del motor mejore significativamente. Desde el punto de vista técnico, "muchas opciones más estrictas y consecuencias más graves en la planificación" plantean que la densidad de potencia pico del motor de tracción para vehículos de nueva energía alcance los 4 kW/kg, y actualmente este valor solo alcanza entre 3,2 y 3,3 kW/kg.

El motor con bobinado plano se ha aplicado con éxito en vehículos eléctricos de fabricantes extranjeros como el Chevrolet Volt 2, Nissan y la cuarta generación del Toyota Prius, y representa la tendencia inevitable en el desarrollo de motores para automóviles de nueva energía. Empresas como BYD, SAIC, Beijing, Precision y otras empresas fabricantes de vehículos de nueva energía, así como empresas productoras de motores, ya han iniciado investigaciones al respecto.

Antes de 2020, el efecto de reemplazo de los motores de alambre plano sobre los motores circulares aún no era lo suficientemente evidente. Gracias a la ventaja del tamaño reducido de los motores de alambre plano, estos motores serán priorizados para aplicaciones a gran escala en modelos híbridos, especialmente en modelos enchufables. Sin embargo, debido a factores políticos y del mercado doméstico, los modelos enchufables representaron una proporción relativamente baja. En el ámbito de la electricidad pura, solo el SAIC Roewe ERX 5 está equipado con motor de alambre plano, por lo que su uso es menor.

El proceso de desarrollo del motor de alambre plano general de tercera generación nos brinda inspiración

Motor de alambre plano general de 1.ª generación

Chevrolet Voltec, El sistema de tracción 4ET50 (Chevrolet Voltec 4ET50-2011) es un sistema de arquitectura dual motor. El motor B es un motor de alambre plano tipo hairpin con potencia de 110 kW, torque de 370 Nm, velocidad de 9500 rpm y relación de ranuras de 12 polos y 72 ranuras.

El motor adopta la tecnología de bobinado en forma de horquilla mediante hilo axial, es decir, el bobinado de una sola horquilla. Este tipo de bobinado hace que el arreglo en la ranura sea muy ordenado, lo que mejora considerablemente la tasa de llenado de la ranura, mientras que el conjunto del extremo puede ser reforzado. El efecto final de estas dos mejoras es reducir la resistencia de corriente continua en un 30~40%.

Aunque el motor de horquilla puede reducir la resistencia de corriente continua, es propenso a generar un campo eléctrico de corriente parásita de alta frecuencia en el bobinado cuando la frecuencia es elevada, produciendo el efecto piel.

GM utilizó el modelo Voltec para calcular la estadística de la velocidad del punto de funcionamiento del motor y determinó que la velocidad del motor es básicamente inferior a 6000 rpm bajo los ciclos urban2 y US06, y no supera las 8000 rpm. Es decir, se puede aprovechar la ventaja de baja resistencia del hilo plano. Desde este punto de vista, el motor de hilo plano es más adecuado para aplicaciones de velocidad media y baja.

Después de finalizar el bobinado de la línea redonda, se pinta y se convierte en un conjunto sólido. Es difícil que el aceite de refrigeración penetre en el interior. Con el calor del conductor de la capa intermedia, fácilmente se forma una isla térmica dentro del bobinado. El motor 4ET50 adopta la tecnología de refrigeración por inyección de aceite en el extremo, ya que existe un gran espacio entre los conductores extremos del hilo plano; el aceite del pulverizador penetra directamente en el extremo del bobinado del hilo plano y elimina el calor de cada conductor. La combinación del hilo plano y la refrigeración con aceite en los extremos puede mejorar considerablemente la capacidad de disipación de calor y aumentar la densidad de potencia.

Motor plano de 2.ª generación general

El Spark se lanzó en 2014, y su propulsión principal es un motor de 105 kW con una velocidad baja de 4500 rpm. La combinación tecnológica es: hilo plano insertado axialmente + estructura de par doble en V + tecnología de refrigeración por inyección de aceite.

El trabajo especial en el motor fue realizado por el laboratorio de GM en Wickham, un suburbio de Detroit, y para la producción en masa en Baltimore, Maryland.

El tiempo de funcionamiento del motor eléctrico puro/híbrido de autonomía extendida es mucho más largo que el del motor híbrido completo/enchufable, y también son más altos los requisitos de par y potencia. El híbrido adicional generalmente elige la estructura de transmisión por desvío de potencia, con el motor B como motor principal de tracción.

El sistema de propulsión del Chevrolet Walker es totalmente impulsado por el motor B, por lo tanto, el motor B necesita cumplir con los requisitos de aceleración y conducción. Para productos iniciales se diseñaron un motor B de imán permanente con devanado tipo horquilla y un motor A de imán permanente con devanado centralizado. La elección del devanado concentrado se debe principalmente a limitaciones de espacio.

Sin embargo, los requisitos de conducción de la arquitectura del vehículo de segunda generación Volt se dividen entre los motores A / B. El tamaño del motor del extremo B se redujo significativamente. Debido a los bajos requisitos de par del motor A, se diseñó un motor de ferrita.

Además, los vehículos eléctricos puros suelen utilizarse con un sistema de propulsión de un solo motor, por lo que el motor de tracción tiende a tener una gran capacidad para satisfacer las necesidades de aceleración y conducción del vehículo. El motor eléctrico puro de Chevrolet Spark de GM eligió un IPM de baja velocidad y una relación de reducción pequeña.

Si se utiliza el bobinado circular estándar como control de referencia, la resistencia del hilo circular es 1,44 veces la resistencia del hilo plano en Voltec, mientras que la resistencia del hilo circular es 1,56 veces la resistencia del hilo plano en Spark. Eso significa que la resistencia del hilo plano de Spark disminuye aún más. Además de los propios parámetros del protocolo, este avance también se beneficia de la madurez del proceso de hilo plano.

En el motor Spark, el moldeo y la distorsión de la tarjeta de cabello son realizados mediante control CNC de precisión + moldeo por moldes. En el proceso de moldeo, no solo se controla el recorrido del servomotor, sino también se cierra el bucle de retroalimentación en tiempo real. A través de estos medios técnicos, se garantiza la precisión del bobinado y se puede controlar el esfuerzo del grupo de bobinado, logrando una calidad completamente consistente en cada espira de la bobina.

Motor plano general de 3.ª generación

En 2017, GM lanzó el Chevrolet Blot, con un par máximo de 360 Nm, potencia máxima de 150 kW, velocidad máxima de 8810 rpm y corriente máxima del motor de 400 Arms.

La relación de velocidad del reductor aumenta, y la velocidad del motor sube casi al doble. Cuando la velocidad aumenta, el efecto de proximidad del conductor del motor de conductor plano también aumenta a altas velocidades, provocando un incremento en la resistencia AC.