معرفی مزایا و معایب موتور سیم تخت، تحلیل کاربرد و دیدگاه روند توسعه

در حال حاضر موتورهای سیم مخصوص در چین مورد توجه بیشتری قرار دارند، اما کاربرد آنها کمتر است. این امر عمدتاً به دلیل بازار نوین انرژی با زمان توسعه کوتاه و سهم عمده بازار در بخش خودروهای سبک است. محصولات بامатур مخصوص خارجی در خودروهای نوین انرژی، به ویژه در شرکت‌های ژاپنی، اروپایی و آمریکایی مانند تویوتا و جنرال موتورز استفاده می‌شوند. نمونه‌های برجسته موتورهای شرکت‌های رمی در خودروی شورلت وولت و دنسو در خودروی تویوتا پریوس هستند که هر دو از راه‌حل خنک‌کننده روغنی استفاده می‌کنند. علاوه بر تأمین‌کنندگان خارجی مانند رمی، دسو و هیتاچی، تأمین‌کنندگان داخلی با صادرات پایدار عمدتاً شامل هوا یو الکتریک و موتور سونگژنگ و همچنین موتور فاندر که به زودی وارد مرحله تولید خواهد شد، می‌باشند.

موتور الکتریکی عمدتاً از قطعات استاتور، مونتاژ روتور، پوشش انتهایی و قطعات استاندارد کمکی تشکیل شده است و سیم‌پیچ استاتور شامل هسته آهنی، سیم مسی پیچشی و مواد عایقی است.

همان‌طور که نام آن اشاره می‌کند، موتور فلت وایر (سیم مخصوص) از سیم مسی تخت در سیم‌پیچی استاتور استفاده می‌کند، ابتدا سیم‌پیچی را به شکلی شبیه به یک دسته سیم (هیرکد) در می‌آورند، سپس آن را در شیار استاتور قرار می‌دهند و در نهایت انتهای دسته سیم‌ها را در سوی دیگر می‌جوشانند.

مزایای موتورهای سیم تخت

مزیت اول: در همان توان، حجم کمتر، مواد کمتر، هزینه پایین‌تر، یا در همان حجم، نرخ پر شدن شیار بیشتر، افزایش چگالی توان. سیم گرد به سیم تخت تبدیل می‌شود. اصولاً با فرض ثابت بودن فضا، موتور سیم تخت می‌تواند به 70٪ پر شدن شیار دست یابد و مقدار مس پر شده را 20 تا 30 درصد افزایش دهد، در نتیجه میدان مغناطیسی قوی‌تری تولید می‌شود که تا حدی معادل افزایش توان 20 تا 30 درصدی است.

مزیت ۲: عملکرد دمایی بهتر. شکاف داخلی کمتر می‌شود، سطح تماس بین خط صاف و خط صاف بزرگ است، اتلاف گرما و هدایت گرما بهتر است؛ تماس سیم‌پیچ و شیار هسته بهتر است، هدایت گرما بهتر است و موتور نسبت به اتلاف گرما و دما بسیار حساس است، اتلاف گرما بهتر است، عملکرد بهبود می‌یابد. از طریق شبیه‌سازی میدان دما، نتیجه گرفته می‌شود که افزایش دما در سیم‌پیچ موتور سیم مسی تخت با طراحی مشابه ۱۰٪ کمتر از موتور سیم مسی دایره‌ای است.

مزیت ۳: نویز الکترومغناطیسی کمتر. سیم موتور تخت دارای تنش زیاد و استحکام زیاد است، آرمیچر سفتی بهتری دارد و نویز آرمیچر را سرکوب می‌کند؛ می‌تواند اندازه شیار نسبتاً کوچکی را اشغال کند، گشتاور شیار را به طور مؤثر کاهش دهد و نویز الکترومغناطیسی موتور را بیشتر کاهش دهد.

مزیت ۴: انتهای کوتاه، صرفه‌جویی در مس، بهبود راندمان. موتور سیم گرد سنتی، به دلیل مشکلات فرآیند، انتهای آن عموماً نسبتاً بلند است، در غیر این صورت آسیب دیدن سیم مسی در فرآیند آسان است. برای موتور سیم تخت، به دلیل اینکه خطوط، خطوط سخت هستند، می‌توان انتهای آن را هنگام پردازش کمی کوچک‌تر کرد و اندازه انتهای آن در مقایسه با موتور سیم گرد ۲۰٪ کاهش می‌یابد و می‌توان فضا را بیشتر کاهش داد که می‌تواند حجم سیستم را بیشتر کاهش دهد و به کوچک‌سازی و سبکی دست یابد.

مزیت ۵: نقطه راندمان بالای موتور خط صاف لزوماً خیلی بالاتر از خط گرد نیست، اما می‌توان ناحیه راندمان بالا را بیشتر گسترش داد.

معایب موتورهای سیم تخت

معایب ۱: اثر جمع‌آوری پوست در سرعت بالا. خودروهای انرژی جدید به دلیل نیاز به توانایی تراکم بالا در سرعت‌های بالا، قبلاً به ۱۰ هزار یا حتی ۱۲ هزار دور می‌رسیدند، اکنون به سمت ۱۶ هزار یا حتی ۲۰ هزار دور پیش می‌روند. در طول فرآیند طراحی موتور نیاز به راه‌های خوبی برای حل این مشکل است، که این یک نقطه ضعیف محسوب می‌شود.

معایب ۲: نیازمندی‌های سیم مسی بسیار بالاست. سیم گرد موتور را بیشتر تولیدکنندگان داخلی می‌توانند تولید کنند و کیفیت آن بسیار خوب است. تعداد کمی از تولیدکنندگان می‌توانند موتور سیم مخصوص (فلت لاین) تولید کنند، نیازمندی‌ها نسبتاً بالاست و ما باید با همکاری یکدیگر در حل مشکل مواد بکوشیم.

معایب ۳: فلت لاین فرآیندهای پردازش زیادی دارد، نیازمند دقت بالای تجهیزات و سرمایه‌گذاری اولیه زیاد است، زیرا اگر دقت آن کافی نباشد، قابلیت اطمینان و یکنواختی محصول نسبتاً ضعیف خواهد بود. شرکت‌های خودروسازی هم نگران قابلیت اطمینان و ثبات کیفیت هستند.

معایب چهارم: طراحی سریالیزه دشوار است، موتور تمایل دارد هزینه را کاهش دهد، کار خوب این است که آن را سریالیزه کنید، طراحی سریالیزه موتور سیم مسطح فعلی نسبت به موتور سیم گرد بهتر نیست.

معایب پنجم: موانع اختراع بسیار زیاد است. در حال حاضر، اختراعات موتور سیم مسطح عمدتاً در شرکت‌های اروپایی، آمریکایی و ژاپنی است. شرکت‌های چینی اختراعات کمی دارند. ما چیدمان اختراع داریم، اما رضایت‌بخش نیست.

معایب ششم: الزامات شکل‌دهی خط تخت بالاست و دشواری در پردازش. چون سیم مسی دارای انعطاف‌پذیری مشخصی است، بنابراین در طراحی باید اجازه تغییر شکل داده شود.

معایب هفتم: پوشش عایقی پس از خشک شدن دچار تغییر شکل انقباضی می‌شود. اگر سیم گرد باشد، انقباض یکنواخت‌تر است و سیم مسطح آسیب‌پذیرتر است، در نتیجه در پردازش واقعی، بازده سیم مسطح بسیار پایین‌تر از سیم گرد است.

فرآیند تولید موتور سیم مسطح

فرآیند اصلی تولید استاتور موتور صادرکننده کارت، شکل‌دهی سیم و قالب‌گیری کاغذ و قرار دادن کاغذ، این دو فرآیند به‌صورت همزمان انجام می‌شوند. وارد فرآیند قرار دادن استاتور شوید، سپس سیم را بپیچید، پس از اتمام پیچش فرآیند جوشکاری را انجام دهید. پس از اتمام جوشکاری، فرآیند اساسی استاتور موتور تکمیل می‌شود، سپس روکش‌کاری انجام شود و پس از آن آزمایش و تأیید عملکرد صورت می‌گیرد. این فرآیند اساسی است، در میان آن بسیاری از جزئیات وجود دارد.

فرآیند تولید موتور سیم تخت: ساخت کاغذ شیار، حلقه عایقی موتور صادرکننده کارت، درمان انتهای ثابت، جوشکاری اتصال ستاره

وضعیت کاربرد موتور سیم تخت

در بلندمدت، کوچک‌سازی و سرعت بالا روند اصلی توسعه موتور خودروهای انرژی جدید خواهد بود و کوچک‌سازی حتماً نیازمند بهبود چشمگیر چگالی توان موتور است. از دیدگاه الزامات فنی، "انتخاب‌های بسیار جدی‌تر و پیامدهای سنگین‌تر در برنامه‌ریزی" به این معناست که چگالی توان اوج موتورهای خودروهای انرژی جدید به 4 کیلووات بر کیلوگرم برسد، در حالی که این داده در حال حاضر تنها به 3.2 تا 3.3 کیلووات بر کیلوگرم می‌رسد.

موتورهای سیم‌پیچی تخت (Flat line winding) در نسل دوم خودروهای برقی شورولت وولت، خودروهای الکتریکی نیسان و نسل چهارم پریوس تویوتا توسط تولیدکنندگان خارجی به‌خوبی به کار گرفته شده است و این سمت‌الگرایی، روندی اجتناب‌ناپذیر در توسعه موتور خودروهای انرژی جدید محسوب می‌شود. این موضوع شامل شرکت‌های داخلی مانند BYD، SAIC، پکینگ، دقت در انرژی جدید و همچنین سازندگان موتور و شرکت‌های تولیدکننده موتور نیز می‌شود که تحقیقات مربوطه را آغاز کرده‌اند.

قبل از سال 2020، اثر جایگزینی موتورهای مسطح به جای موتورهای دایره‌ای هنوز به‌اندازه‌ی کافی آشکار نبوده است. بسته به مزیت ابعاد کوچک موتورهای سیم مسطح، این موتورها در ابتدا در مدل‌های هیبریدی و به‌ویژه در مدل‌های دارای قابلیت شارژ خارجی به‌صورت گسترده‌ای به کار گرفته خواهند شد. با این حال، به دلیل سیاست‌ها و عوامل بازار داخلی، مدل‌های دارای قابلیت شارژ خارجی سهم نسبتاً کمی داشته‌اند. در حوزه‌ی خودروهای کاملاً برقی، تنها SAIC Roewe ERX5 با موتور سیم مسطح تجهیز شده است و استفاده از این موتور در این حوزه کمتر بوده است.

فرآیند توسعه‌ی نسل سوم موتور مسطح عمومی الهام‌بخش ما شده است

موتور عمومی نسل اول سیم مسطح

Chevrolet Voltec، سیستم محرکه 4ET50 (Chevrolet Voltec 4ET50-2011) یک سیستم با معماری دو موتوره است. موتور B یک موتور موشکی سیم مسطح با توان 110 کیلووات، گشتاور 370 نیوتن متر، سرعت 9500 دور در دقیقه و نسبت شیار به قطب 12 قطب و 72 شیار است.

موتور از تکنولوژی سیم‌پیچی شانه‌ای محوری استفاده می‌کند، به عبارت دیگر، از سیم‌پیچی تک شانه‌ای. این نوع سیم‌پیچی باعث می‌شود قرارگیری در شیار بسیار مرتب باشد، که به طور قابل توجهی نرخ پرکنندگی شیار را افزایش می‌دهد، در عین حال مونتاژ انتهایی می‌تواند تقویت شود، و اثر نهایی این دو بهبود این است که مقاومت DC را 30~40% کاهش دهد.

اگرچه موتور شانه‌ای می‌تواند مقاومت DC را کاهش دهد، اما در فرکانس بالا، ایجاد میدان الکتریکی جریان گردابی با فرکانس بالا در سیم‌پیچی آسان است و اثر پوستی ایجاد می‌کند.

شرکت جنرال موتورز (GM) از مدل Voltec برای محاسبه آمار سرعت نقطه کار موتور استفاده کرد و مشخص شد که سرعت موتور در حالت شهری2 و US06 عموماً زیر 6000 دور در دقیقه است و بیش از 8000 دور در دقیقه نمی‌شود. به عبارت دیگر، مزیت مقاومت کم سیم تخت می‌تواند به خوبی به کار گرفته شود. از این دیدگاه، موتور سیم تخت برای کاربردهای متوسط و سرعت پایین مناسب‌تر است.

پس از پایان پیچش خط دوره‌ای، رنگ‌آمیزی انجام می‌شود و قطعه یک کل جامد را تشکیل می‌دهد. در این حالت نفوذ روغن خنک‌کننده به داخل دشوار است. با توجه به گرمای هادی لایه میانی، تشکیل جزیره گرمایی در داخل پیچش آسان می‌گردد. موتور 4ET50 از تکنولوژی خنک‌کنندگی تزریق روغن در انتها استفاده می‌کند، زیرا فاصله زیادی بین هادی‌های مقطع مربعی در انتها وجود دارد. نوکل این روغن به صورت مستقیم به داخل انتهای پیچش مقطع مربعی نفوذ کرده و گرمای هر یک از هادی‌ها را می‌گیرد. ترکیب استفاده از سیم مربعی و خنک‌کاری انتهایی با روغن، ظرفیت دفع گرما را به طور قابل توجهی افزایش داده و چگالی توان را بهبود می‌بخشد.

موتور سیم مربعی نسل دوم عمومی

اسپارک در سال 2014 روانه بازار شد و درایو اصلی آن یک موتور 105 کیلوواتی با سرعت پایین 4,500 دور در دقیقه است. ترکیب تکنولوژی‌های به کار رفته در آن عبارت است از: سیم مربعی با قرارگیری محوری + ساختار گشتاور دابل V + تکنولوژی خنک‌کاری با تزریق روغن.

کار خاص روی موتور توسط آزمایشگاه جنرال موتورز در ویکهام، یک منطقهٔ شهری دیترویت، انجام شد و برای تولید انبوه در بالتیمور، مریلند.

مدت زمان کارکرد موتور الکتریکی خالص/هیبریدی با برد افزوده شده بسیار بیشتر از موتور هیبریدی کامل/قابل شارژ است و نیازمندی‌های گشتاور و توان نیز بالاتر است. عموماً هیبرید برد اضافی از ساختار محرکهٔ شانت توان انتخاب می‌کند، با موتور B به عنوان موتور اصلی محرکه.

سیستم محرکهٔ چیورلت واکر کاملاً با موتور B تأمین می‌شود، بنابراین موتور B باید نیازمندی‌های شتاب و محرکه را برآورده کند. برای محصولات اولیه یک موتور B دائمی آهنربایی شیاری و یک موتور A دائمی آهنربایی با سیم‌پیچ متمرکز طراحی شده است. انتخاب سیم‌پیچ متمرکز عمدتاً به دلیل محدودیت فضایی است.

با این حال، نیازهای محرکه در معماری نسل دوم خودروی Volt بین موتورهای A و B تقسیم شده است. اندازه موتور B به طور قابل توجهی کاهش یافته است. با توجه به نیاز به گشتاور پایین در موتور A، یک موتور فریتی طراحی شده است.

علاوه بر این، خودروهای برقی کاملاً (BEV) معمولاً با سیستم محرکه تک موتوره استفاده می شوند، بنابراین موتور محرکه تمایل دارد دارای ظرفیت بزرگتری باشد تا نیازهای شتاب گیری و رانش خودرو را برآورده کند. موتور خودروی برقی کاملاً Chevrolet Spark شرکت جنرال موتورز (GM) یک موتور IPM کم سرعت و یک نسبت کاهنده کوچک را انتخاب کرده است.

اگر پیچش استاندارد خط دایره ای به عنوان کنترل مرجع استفاده شود، مقاومت خط دایره ای در Voltec 1.44 برابر مقاومت خط مسطح است، در حالی که مقاومت خط دایره ای در Spark 1.56 برابر مقاومت خط مسطح است. این بدان معناست که مقاومت خط مسطح Spark به شدت کاهش می یابد. علاوه بر خود پارامترهای پروتکل، این پیشرفت همچنین از بلوغ فرآیند خط مسطح نیز بهره می برد.

در موتور اسپارک، قالب‌گیری و تغییر شکل کارت مو توسط کنترل دقیق CNC + قالب‌گیری انجام می‌شود. در فرآیند قالب‌گیری، تنها حرکت سروو کنترل نمی‌شود، بلکه حلقه فیدبک در زمان واقعی نیز بسته می‌شود. از طریق این روش‌های تکنیکی، دقت در شکل‌گیری پیچش تضمین می‌شود و می‌توان تنش گروه پیچش را کنترل کرد، به گونه‌ای که کیفیت هر سیم‌پیچ کاملاً یکسان باشد.

موتور سیم مخصوص نسل سوم عمومی

در سال 2017، جنرال موتورز خودروی شورلت بولت را منتشر کرد که دارای گشتاور اوج 360 نیوتن متر، توان اوج 150 کیلووات، سرعت اوج 8810 دور در دقیقه و جریان اوج موتور 400 آمپر RMS است.

نسبت سرعت کاهنده افزایش می‌یابد و سرعت موتور تقریباً دو برابر می‌شود. هنگامی که سرعت افزایش می‌یابد، اثر جمع‌آوری پوستی در هادی موتور سیم مخصوص در سرعت‌های بالا افزایش یافته و منجر به افزایش مقاومت AC می‌شود.