Uvod u prednosti i nedostatke motora s ravnim žicom, analiza primjene i izgled razvojnog trenda

Trenutno su ravni žičani motori više u fokusu u Kini, ali primjena je manja, prije svega zato što tržište obnovljivih izvora energije ima kratko razdoblje razvoja, a glavni udio tržišta je koncentriran na tržištu mikro putničkih automobila. Zreli proizvodi stranih ravni žice koriste se u vozilima na obnovljivu energiju, posebno u Japanu, europskim i američkim poduzećima, Toyota i General Motors koriste ravni žičani motor. Primjeri su Chevrolet VOLT (Remy Motor) i Toyota Prius (Denso), koji oba koriste hlađenje uljem. Osim stranih dobavljača poput Remyja, Dso i Hitachija, domaći dobavljači s stabilnim isporukama uglavnom su Huayu Electric i Songzheng Motor, te Founder Motor koji će uskoro biti pušten u proizvodnju.

Pogonski motor sastoji se uglavnom od komponenti statora, rotorske sklopke, krajnje ploče i pomoćnih standardnih dijelova, a statorsko namotavanje uključuje magnetski krug, namotaj od bakrenog žice, izolacijske materijale itd.

Kao što samo ime govori, motor s ravnom žicom koristi ravnu bakrenu žicu u statoru, prvo se namotaji oblikuju poput četke, zatim se provode u statorske utora, a na kraju se zavari kraj četke na drugoj strani.

Prednosti motora s ravnom žicom

Prednost 1: ista snaga, manja veličina, manje materijala, niža cijena, ili ista veličina, povećana ispunjenost utora, povećana gustoća snage. Okrugla žica postaje ravna žica. Teoretski, uz pretpostavku nepromijenjenog prostora, motor s ravnom žicom može postići 70% ispunjenosti utora, a bakar koji se puni može se povećati za 20–30%, čime se postiže jače magnetsko polje, što je do određene mjere jednako povećanju snage za 20–30%.

Prednost 2: bolje termalno učinak. Unutarnji razmak je manji, površina kontakta između ravne žice i ravne žice je veća, hlađenje i vođenje topline su bolji; namotaj i utor u jezgri bolje su povezani, bolje vođenje topline, a motor je vrlo osjetljiv na hlađenje i temperaturu, što bolje hlađenje poboljšava učinak. Kroz simulaciju temperaturnog polja zaključeno je da povećanje temperature namotaja motora od ravne bakrene žice s istim dizajnom za 10% je niže u odnosu na motor s okruglom bakrenom žicom.

Prednost 3: niži elektromagnetski šum. Ravna žica motora ima veliki napon, veliku krutost, armatura ima bolju krutost, što potiskuje šum armature; moguće je koristiti relativno manju veličinu utora, učinkovito smanjiti moment u utoru i dodatno smanjiti elektromagnetski šum motora.

Prednost 4: kratki kraj, ušteda u bakru, poboljšana učinkovitost. Tradicionalni motor s okruglim žicom zbog procesnih problema obično ima relativno dugi kraj, inače je žica sklonija oštećenju tijekom procesa. Za motor s plosnatom žicom, budući da su žice krute, kraj može biti malo kraći tijekom izrade, a veličina kraja smanjena je za 20% u usporedbi s motorom s okruglom žicom, što dodatno smanjuje prostor i omogućuje daljnje smanjenje volumena sustava, postižući miniaturizaciju i olakšanje.

Prednost 5: točka visoke učinkovitosti plosnate žice nije nužno znatno viša od one kod okrugle žice, ali područje visoke učinkovitosti može se dodatno proširiti.

Nedostaci motora s plosnatom žicom

Nedostatak 1: Učinak prikupljanja zraka pri visokim brzinama. Električna vozila zahtijevaju visoku gustoću snage pri visokim brzinama, prije su bila 10.000 ili čak 12.000, sada ide u smjeru 16.000 ili čak 20.000. U procesu projektiranja motora potrebno je pronaći neka dobra rješenja za to, što je loša strana.

Nedostatak 2: Zahtjevi za bakrenom žicom su visoki, proizvođači okrugle žice za motor imaju ih više, a kvaliteta može biti vrlo dobra. Proizvođača ravnih žica za motor nema mnogo, zahtjevi su relativno visoki, pa je potrebno zajedno riješiti pitanje materijala.

Nedostatak 3: Ravnim žicama potreban je velik broj procesa obrade, zahtjev za točnošću opreme je visok, a početna ulaganja su velika, jer ako točnost nije visoka, pouzdanost i dosljednost proizvoda bit će relativno loše. Automoobilski proizvođači također brinu za pouzdanost i stabilnost kvalitete.

Nedostatak 4: dizajn serijalizacije je težak, motor treba smanjiti troškove, dobro je napraviti serijalizaciju, dizajn serijalizacije je trenutno kod ravnog motora slabiji nego kod motora s okruglim žicom.

Nedostatak 5: Previše je patentnih prepreka. Trenutno su patenti za motore s ravnim žicama uglavnom u vlasništvu europskih, američkih i japanskih poduzeća. Kineska poduzeća imaju malo patenata. Mi imamo raspored patenata, ali nije zadovoljavajući.

Nedostatak 6: zahtjevi za oblikovanje ravne žice su visoki i složeni u izradi. Budući da bakrena žica ima određenu elastičnost, mora postojati dopuštenje za deformaciju u dizajnu.

Nedostatak 7: nakon sušenja, izolacijski premaz će se skupiti. Ako je žica okrugla, skupljanje će biti ravnomjernije, dok je kod ravne žice lako oštetiti, što u praksi rezultira time da je prinos ravne žice znatno niži od prinosa okrugle žice.

Proces proizvodnje motora s ravnim žicama

Glavni proizvodni proces statora motora za izdavanje kartica, oblikovanje žice i prešanje papira te umetanje papira, ova dva procesa se izvode istovremeno. Nakon toga slijedi proces umetanja statora, zatim uvijanje žice i nakon uvijanja proces zavarivanja. Kada se zavarivanje dovrši, osnovni proces statora motora je završen, nakon čega slijedi premazivanje, te testiranje i verifikacija performansi. To je osnovni proces, s mnogo detalja u sredini.

Proizvodni proces plosnatog žičanog motora: izrada papirnog uloška za žlijeb, izolacijska obrada prstena, fiksiranje zvjezdastog spoja

Primjena plosnatog žičanog motora

Na duži rok, miniaturizacija, visoka brzina će biti glavni trend razvoja motora za vozila na alternativnu energiju, a miniaturizacija nužno zahtijeva da gustoća snage motora bude znatno poboljšana, s tehničkog gledišta, "mnogo važniji izbori i ozbiljnije posljedice u planiranju" postavljaju novi zahtjev da vršna gustoća snage pogonskog motora vozila na alternativnu energiju dostigne 4 kW/kg, a trenutno ove vrijednosti dostižu samo 3,2-3,3 kW/kg.

Motor s ravnom žicom u Chevrolet Volt 2, Nissan električnim vozilima, Toyota četvrte generacije Prius, strani proizvođači već su uspješno primijenili ovu tehnologiju, što je neizbježan trend u razvoju motora za vozila na alternativnu energiju, uključujući BYD, SAIC, Beijing, Precision u novu energiju, proizvođače i proizvođače motora lansirali su odgovarajuća istraživanja.

Prije 2020. godine, učinak zamjene ravni motorima na kružne motore još uvijek nije dovoljno izražen. Zahvaljujući prednosti male veličine ravnih žica motora, ravni žičani motori prvenstveno će se koristiti u hibridnim modelima, posebno u utikačima. Međutim, zbog domaćih političkih i tržišnih čimbenika, modeli s utikačem imali su relativno nizak udio. U području čiste energije, samo SAIC Roewe ERX 5 opremljen je motorom s ravnom žicom, što se manje koristi.

Proces razvoja treće generacije općenitih motora s ravnom žicom daje nam inspiraciju

Općeniti motor s ravnom žicom prve generacije

Chevrolet Voltec, 4ET50 sustav pogona (Chevrolet Voltec 4ET50-2011) je sustav s dvostrukim motorom. Motor B je motor s ravnom žicom oblika klinčića s snagom 110 kW, okretnim momentom 370 Nm, brzinom 9500 okretaja u minuti i omjerom utora 12 polova 72 utora.

Motor koristi tehnologiju zavoja u obliku štapića aksijalne utičnice, to jest, pojedinačni zavoj u obliku štapića. Ovaj zavoj u obliku štapića omogućuje vrlo uredan raspored u žljebovima, što znatno poboljšava koeficijent ispunjenosti žljebova, dok se može poboljšati i završna montaža. Konačni učinak ove dvije poboljšanja je smanjenje istosmjerne otpornosti za 30~40%.

Iako motor s štapićastim zavojem može smanjiti istosmjernu otpornost, kod visoke frekvencije lako se uočava visokofrekventno vrtložno električno polje na zavojima, pri čemu se javlja kožni efekt.

GM je koristio Voltec model za izračunavanje statistike brzine rada motora i utvrdio da je brzina motora u gradskom ciklusu (urban2) i US06 režimu uglavnom ispod 6000 okretaja u minuti, a ne više od 8000 okretaja u minuti. To znači da se prednost niske otpornosti ravne žice može iskoristiti. S ovog aspekta, motor s ravnim žicama prikladniji je za primjene srednjih i niskih brzina.

Nakon završetka namota s krajnjim žicama, nanosi se sloj laka koji čini čvrstu cjelinu. Hlađenje uljem postaje teško jer ulje ne može prodrijeti u unutrašnjost. Zbog topline koju stvara srednji sloj vodiča, unutar namota se lako formira toplinski otok. Motor 4ET50 koristi tehnologiju hlađenja uljem s kraja, jer postoji veliki razmak između krajnjih vodiča ravne žice, a mlaznice direktno dovode ulje u kraj ravne žice namota i odvode toplinu s pojedinačnih vodiča. Kombinacija ravne žice i hlađenja uljem na krajevima značajno poboljšava sposobnost hlađenja i povećava snovnu gustoću.

Opći motor druge generacije s ravnom žicom

Spark je pušten 2014. godine, a glavni pogon je motor od 105 kW s niskom brzinom od 4500 okretaja u minuti. Kombinacija tehnologija uključuje: aksijalno umetanje ravne žice + strukturu torka s dvostrukim V + tehnologiju hlađenja uljem.

Posebni rad na motoru obavila je GM-ova laboratorija u Wickhamu, predgrađu Detroita, a za masovnu proizvodnju u Baltimoru, Maryland.

Vrijeme rada čisto električnog/hibridnog motora s produljenim dometom znatno je dulje u odnosu na puni/priključni hibridni motor, a i zahtjevi u pogledu okretnog momenta i snage su veći. Hibrid s dodatnim dometom generalno odabire strukturu pogona s razdjelom snage, dok je B motor glavni pogonski motor.

Pogonski sustav Chevroleta Walkera potpuno je pokretan B motorom, pa B motor mora zadovoljiti zahtjeve ubrzanja i vožnje. Za rane proizvode dizajnirani su B motor s trajnim magnetom i B motor s koncentriranim namotom i trajnim magnetom. Odabir koncentriranog namota u glavnom je zbog ograničenja prostora.

Međutim, zahtjevi vožnje za arhitekturu vozila druge generacije Volta podijeljeni su na A / B motore. Veličina krajnjeg B motora znatno je smanjena. Zbog niskih zahtjeva okretnog momenta A motora, dizajniran je feritni motor.

Osim toga, kod čistih električnih vozila najčešće se koristi jednomotorni pogonski sustav, pa pogonski motori imaju tendenciju veće nosivosti kako bi zadovoljili potrebe ubrzanja i vožnje vozila. Kod čisto električnog vozila Chevrolet Spark tvrtke GM odabran je niskobrzinski IPM i mali omjer usporenja.

Ako se standardna kružna žica uzme kao referentna kontrola, otpor kružne žice u Voltecu je 1,44 puta veći od otpora ravne žice, dok je otpor kružne žice u Sparku 1,56 puta veći od otpora ravne žice. To znači da otpor ravne žice u Sparku pada strmije. Osim samih protokolarnih parametara, ovaj napredak je također posljedica zrelosti procesa ravne žice.

Kod motora Spark, oblikovanje i deformacija kardna vrši se pomoću CNC preciznog upravljanja + oblikovanja pomoću kalupa. Tijekom procesa oblikovanja, ne samo da se kontrolira hod servomotora, već se i zatvara stvarna petlja povratne informacije. Kroz ove tehničke mjere, osigurava se točnost oblikovanja namota, a istovremeno se može kontrolirati naprezanje skupine namota, tako da je kvaliteta svakog zavoja zavojnice potpuno dosljedna.

Opći motor ravnim žicom treće generacije

Godine 2017. GM je lansirao Chevrolet Bolt, s maksimalnim okretnim momentom od 360 Nm, maksimalnom snagom od 150 kW, maksimalnom brzinom od 8810 okretaja u minuti i maksimalnom strujom motora od 400 Arms.

Prijenosni omjer reduktora se povećao, a brzina motora povećala se za gotovo 2 puta. Kada se brzina poveća, efekt površinskog prikupljanja kod vodiča motora ravnim žicom poveća se pri visokoj brzini, što dovodi do povećanja izmjeničnog otpora.