Présentation des avantages et inconvénients du moteur à fil plat, analyse de l'application et perspectives de développement

Actuellement, les moteurs à fil plat suscitent beaucoup d'intérêt en Chine, mais leur application est encore limitée, principalement parce que le marché de l'énergie nouvelle est récent et que la principale part de marché se concentre sur le segment des voitures particulières légères. Des produits matures de moteurs à fil plat étrangers sont utilisés dans les véhicules électriques, notamment au Japon ainsi que chez des entreprises européennes et américaines, comme Toyota et GENERAL Motors, qui ont adopté des moteurs à fil plat. Des exemples représentatifs incluent la Chevrolet VOLT (moteur Remy) et la Toyota Prius (Denso), qui utilisent toutes deux des solutions de refroidissement par huile. En plus des fournisseurs étrangers tels que Remy, Denso et Hitachi, les principaux fournisseurs nationaux avec des expéditions stables sont Huayu Electric et Songzheng Motor, ainsi que Founder Motor, qui devrait bientôt entrer en production.

Le moteur électrique est principalement constitué de composants statiques, d'assemblages rotatifs, de carter et de pièces standards auxiliaires, et l'enroulement statique comprend le noyau en fer, l'enroulement en fil cuivré, les matériaux d'isolation, etc.

Comme son nom l'indique, le moteur à fil plat utilise un fil en cuivre plat dans l'enroulement du stator. D'abord, l'enroulement est façonné en une forme ressemblant à un peigne, puis il est inséré dans la rainure du stator, et ensuite, l'extrémité du peigne est soudée à l'autre extrémité.

Avantages des moteurs à fil plat

Avantage 1 : pour une même puissance, le volume est plus petit, il y a moins de matériaux, et donc un coût réduit, ou bien pour un même volume, le taux de remplissage augmente, augmentant ainsi la densité de puissance. Le fil rond devient un fil plat. Théoriquement, sous réserve d'un espace constant, le moteur à fil plat peut atteindre un taux de remplissage de 70 % de la rainure, et la quantité de cuivre peut être augmentée de 20 à 30 %, générant un champ magnétique plus fort, ce qui équivaut dans une certaine mesure à une augmentation de la puissance de 20 à 30 %.

Avantage 2 : meilleures performances en température. L'écart interne devient plus petit, la surface de contact entre le fil plat et le fil plat est grande, la dissipation thermique et la conduction sont meilleures ; le contact entre l'enroulement et la rainure du noyau est meilleur, avec une meilleure conduction thermique, et le moteur est très sensible à la dissipation thermique et à la température, une meilleure dissipation améliore les performances. Par simulation du champ thermique, il a été conclu que l'augmentation de température de l'enroulement du moteur à fil cuivre plat avec la même conception est de 10 % inférieure à celle du moteur à fil cuivre rond.

Avantage 3 : bruit électromagnétique réduit. Le fil moteur plat a une grande contrainte, une grande rigidité, l'armature a une meilleure rigidité, et réprime le bruit de l'armature ; on peut prendre une taille de rainure relativement petite, ce qui réduit efficacement le couple de rainure, et diminue encore davantage le bruit électromagnétique du moteur.

Avantage 4 : extrémité courte, économiser du cuivre, améliorer l'efficacité. Pour un moteur à fil rond traditionnel, en raison de problèmes de procédé, son extrémité est généralement relativement longue, sinon il est facile d'endommager le fil de cuivre pendant le processus. Pour le moteur à fil plat, comme les lignes sont des lignes rigides, l'extrémité peut être un peu plus petite lors du traitement, et la taille de l'extrémité est réduite de 20 % par rapport au moteur à fil rond, et l'espace peut être encore réduit, ce qui peut encore diminuer le volume du système et atteindre une miniaturisation et une légèreté.

Avantage 5 : le point d'efficacité élevé du moteur à fil plat n'est pas nécessairement beaucoup plus élevé que celui du fil rond, mais la zone d'efficacité élevée peut être élargie davantage.

Inconvénients des moteurs à fil plat

Inconvénient 1 : Effet de collecte de peau à haute vitesse. Les véhicules à énergie nouvelle doivent répondre aux exigences de haute densité de puissance à haute vitesse, auparavant c'était pour faire 10 000 ou même 12 000, maintenant c'est dans la direction de 16 000 ou même 20 000. Il faut trouver de bonnes solutions pendant la conception du moteur, ce qui est un point négatif.

Inconvénient 2 : Les exigences pour les fils en cuivre sont élevées, les fabricants nationaux font plus de moteurs avec des fils ronds et la qualité peut être très bonne. Il y a peu de fabricants capables de produire des moteurs à fil plat, les exigences sont relativement élevées, et nous devons travailler ensemble pour résoudre le problème du matériau.

Inconvénient 3 : Le fil plat nécessite de nombreux processus de traitement, la précision des équipements est élevée et l'investissement initial est important, car si sa précision n'est pas suffisante, la fiabilité et la cohérence du produit seront relativement mauvaises. Les entreprises automobiles s'inquiètent également de la fiabilité et de la stabilité de la qualité.

Inconvénient 4 : la conception en série est difficile, le moteur cherche à réduire les coûts, il est bon de le concevoir en série, mais la conception en série des moteurs à fil plat n'est pas aussi bonne que celle des moteurs à fil rond.

Inconvénient 5 : Il y a trop d'obstacles liés aux brevets. Actuellement, les brevets des moteurs à fil plat sont principalement détenus par des entreprises européennes, américaines et japonaises. Les entreprises chinoises possèdent peu de brevets. Nous avons un déploiement de brevets, mais il n'est pas satisfaisant.

Inconvénient 6 : les exigences de formation des fils plats sont élevées et la difficulté de traitement importante. Comme le fil en cuivre a une certaine élasticité, il doit y avoir une marge de déformation dans la conception.

Inconvénient 7 : le revêtement isolant subit une déformation de rétraction après séchage. Si c'est un fil rond, la rétraction sera plus uniforme, tandis que le fil plat est facilement endommagé, ce qui entraîne une bien moindre rentabilité lors du traitement du fil plat par rapport au fil rond.

Procédé de production du moteur à fil plat

Le principal processus de production du stator du moteur d'émission de cartes consiste en la formation du fil et le moulage et l'insertion du papier. Ces deux processus sont réalisés simultanément. Ensuite, on entre dans le processus d'insertion du stator, puis on tord le fil, et après torsion, on effectue le processus de soudure. Une fois la soudure terminée, le processus de base du stator du moteur est complet, suivi de l'application de revêtement, puis des tests et vérifications de performance. C'est le processus de base, avec beaucoup de détails intermédiaires.

Processus de production du moteur à fil plat : fabrication du papier de fente, traitement de l'isolation du cercle d'émission de carte, soudure de l'extrémité fixe du cercle, jonction en étoile

Situation d'application du moteur à fil plat

À long terme, la miniaturisation et la haute vitesse seront les principales tendances de développement des moteurs de véhicules à énergie nouvelle, et la miniaturisation nécessitera une amélioration significative de la densité de puissance du moteur. Du point de vue des exigences techniques, « des choix beaucoup plus tranchés et des conséquences plus graves dans la planification » ont proposé que la densité de puissance maximale du moteur de traction des véhicules à énergie nouvelle atteigne 4kW/kg, alors que ces données ne parviennent actuellement qu'à 3,2-3,3kW/kg.

Le moteur à enroulement linéaire plat a été appliqué avec succès dans le Chevrolet Volt 2, les véhicules électriques Nissan, ainsi que dans la quatrième génération de la Prius chez Toyota. C'est une tendance inévitable dans le développement des moteurs pour véhicules à énergie nouvelle. Y compris BYD, SAIC, Beijing Precision, qui entrent dans le domaine de l'énergie nouvelle, les fabricants et entreprises de production de moteurs ont lancé des recherches correspondantes.

Avant 2020, l'effet de remplacement des moteurs linéaires sur les moteurs circulaires n'était pas encore suffisamment évident. Grâce à l'avantage de la petite taille des moteurs à fil plat, ces derniers seront prioritaires pour une application à grande échelle dans les modèles hybrides, en particulier pour les modèles rechargeables. Cependant, en raison de facteurs politiques et de marché nationaux, les modèles rechargeables représentaient une proportion relativement faible. Dans le domaine de l'électricité pure, seuls le SAIC Roewe ERX 5 est équipé d'un moteur à fil plat, ce qui est peu utilisé.

Le processus de développement de la troisième génération de moteurs à fil plat général nous donne des idées

Moteur à fil plat général de première génération

Chevrolet Voltec, Le système de propulsion 4ET50 (Chevrolet Voltec 4ET50-2011) est un système à architecture double moteur. Le moteur B est un moteur à fil plat en forme de cheveu avec une puissance de 110 kW, un couple de 370 NM, une vitesse de 9500 tr/min et un rapport de fentes de 12 pôles 72 rainures.

Le moteur adopte la technologie de bobinage en épinglette axiale par insertion, c'est-à-dire le bobinage en épinglette unique. Ce type de bobinage rend l'agencement dans les fentes très ordonné, ce qui améliore considérablement le taux de remplissage des fentes, tout en renforçant l'assemblage des extrémités. L'effet cumulé de ces deux améliorations est une réduction de 30 à 40 % de la résistance DC.

Bien que le moteur à épinglette puisse réduire la résistance DC, il est facile de capter le champ électrique des courants de Foucault à haute fréquence sur les bobines lorsque la fréquence est élevée, entraînant un effet de peau.

GM a utilisé le modèle Voltec pour calculer les statistiques du point de fonctionnement de la vitesse du moteur et a déterminé que la vitesse du moteur reste généralement en dessous de 6000 tr/min en conditions urbaines et US06, sans dépasser 8000 tr/min. Cela signifie que l'avantage de faible résistance de la ligne plate peut être pleinement exploité. D'un point de vue général, le moteur à fil plat est donc plus adapté aux applications à vitesse moyenne et basse.

Après la fin du bobinage en ligne ronde peinte, elle devient un tout solide. Il est difficile pour l'huile de refroidissement de pénétrer à l'intérieur. Avec la chaleur du conducteur de la couche intermédiaire, il est facile de former une île thermique à l'intérieur du bobinage. Le moteur 4ET50 adopte la technologie de refroidissement par injection d'huile à l'extrémité, car il y a un grand espace entre les conducteurs à l'extrémité du fil plat, l'huile injectée par le buse pénètre directement dans l'extrémité du bobinage en fil plat et emporte la chaleur de chaque conducteur. La combinaison de fil plat et de refroidissement par injection d'huile à l'extrémité peut considérablement améliorer la capacité de dissipation de chaleur et augmenter la densité de puissance.

Moteur à fil plat de 2ᵉ génération général

La Spark a été lancée en 2014, et la motorisation principale est un moteur de 105 kW avec une faible vitesse de 4 500 tr/min. La combinaison des technologies est : insertion axiale de fil plat + structure de couple double V + technologie de refroidissement par injection d'huile.

Les travaux spéciaux sur le moteur ont été menés par le laboratoire de GM à Wickham, une banlieue de Détroit, et pour la production de masse à Baltimore, dans le Maryland.

Le temps de fonctionnement du moteur électrique pur / hybride à autonomie étendue est beaucoup plus long que celui du moteur hybride complet / hybride rechargeable, et les exigences en couple et en puissance sont également plus élevées. L'hybride à autonomie étendue choisit généralement une structure de transmission en dérivation de puissance, avec le moteur B comme principal moteur de traction.

Le système de propulsion de la Chevrolet Walker est entièrement propulsé par le moteur B, donc ce dernier doit répondre aux exigences d'accélération et de traction. Un moteur B à aimant permanent à cheveux et un moteur A à aimant permanent à enroulement centralisé ont été conçus pour les premiers produits. Le choix de l'enroulement centralisé est principalement dû à des contraintes d'espace.

Cependant, les exigences de fonctionnement de l'architecture du véhicule Volt de deuxième génération sont réparties entre les moteurs A/B. La taille du moteur B a été considérablement réduite. En raison des faibles exigences en couple du moteur A, un moteur en ferrite a été conçu.

De plus, les véhicules électriques traditionnels utilisent généralement un système de propulsion à un seul moteur, ce qui pousse le moteur de traction à avoir une grande capacité pour répondre aux besoins d'accélération et de conduite du véhicule. Le moteur du Chevrolet Spark électrique de GM a choisi un moteur IPM à vitesse réduite et un petit rapport de réduction.

Si l'on prend la bobine circulaire standard comme référence de contrôle, la résistance de la bobine circulaire est 1,44 fois supérieure à celle de la bobine plate dans Voltec, tandis que la résistance de la bobine circulaire est 1,56 fois supérieure à celle de la bobine plate dans Spark. Cela signifie que la résistance de la bobine plate de Spark diminue beaucoup plus rapidement. Outre les paramètres protocoles eux-mêmes, cette avancée bénéficie également de la maturité du processus de fabrication des bobines plates.

Dans le moteur Spark, la mise en forme et la déformation de la carte cheveux sont réalisées par un contrôle précis CNC + mise en forme par moule. Dans le processus de mise en forme, non seulement le déplacement du servomoteur est contrôlé, mais aussi une boucle de rétroaction en temps réel est fermée. Grâce à ces moyens techniques, non seulement la précision de la mise en forme des enroulements est assurée, mais il est également possible de contrôler la contrainte des groupes d'enroulement, de manière à ce que la qualité de chaque bobine soit complètement uniforme.

Génération générale 3 de moteur à fil plat

En 2017, GM a lancé Chevrolet Blot, avec un couple maximal de 360 Nm, une puissance maximale de 150 kW, une vitesse maximale de 8810 tr/min et un courant maximal du moteur de 400 Arms.

Le rapport de réduction augmente, ainsi que la vitesse du moteur qui double presque. Lorsque la vitesse augmente, l'effet de collecte de surface du conducteur du moteur à fil plat s'intensifie à haute vitesse, entraînant une augmentation de la résistance alternative.