Introduzione ai vantaggi e agli svantaggi del motore con filo piatto, analisi delle applicazioni e prospettive di sviluppo

Attualmente, in Cina i motori a filo piatto suscitano maggior interesse, ma le applicazioni sono limitate, principalmente a causa del breve periodo di sviluppo del mercato dell'energia nuova, con la maggior parte della quota di mercato concentrata nel settore delle automobili utilitarie. I prodotti maturi a filo piatto esteri vengono utilizzati nei veicoli a energia nuova, in particolare in Giappone e nelle aziende di Europa e Stati Uniti; Toyota e General Motors impiegano motori a filo piatto. Esempi rappresentativi sono la Chevrolet VOLT (Remy Motor) e la Toyota Prius (Denso), entrambe dotate di soluzioni raffreddate a olio. Oltre ai fornitori esteri come Remy, Dso e Hitachi, tra i fornitori interni con spedizioni regolari figurano principalmente Huayu Electric e Songzheng Motor, mentre Founder Motor entrerà presto in produzione.

Il motore di trazione è principalmente composto da componenti dello statore, gruppo rotore, coperchio terminale e parti standard ausiliarie; l'avvolgimento dello statore include nucleo di ferro, avvolgimento in filo di rame, materiali isolanti, ecc.

Come suggerisce il nome, il motore con filo piatto utilizza il filo di rame piatto nell'avvolgimento dello statore; dapprima si forma l'avvolgimento come una spazzola, lo si inserisce nella scanalatura dello statore e successivamente si salda l'estremità della spazzola all'altra estremità.

Vantaggi dei motori con filo piatto

Vantaggio 1: stessa potenza, volume ridotto, minori materiali, costo inferiore, oppure stesso volume, maggiore riempimento della scanalatura, aumento della densità di potenza. Il filo rotondo diventa filo piatto. Teoricamente, a parità di spazio disponibile, un motore con filo piatto può raggiungere una percentuale di riempimento della scanalatura pari al 70%, e la quantità di rame riempito può aumentare del 20-30%, generando una maggiore intensità del campo magnetico, che in una certa misura equivale ad un aumento della potenza del 20-30%.

Vantaggio 2: migliore prestazione termica. Il gap interno diventa minore, l'area di contatto tra il filo piatto e il filo piatto è maggiore, la dissipazione e la conduzione del calore sono migliori; il contatto tra avvolgimento e cave del nucleo è migliore, conduzione termica superiore, e il motore è molto sensibile alla dissipazione del calore e alla temperatura, una migliore dissipazione termica comporta un miglioramento delle prestazioni. Attraverso la simulazione del campo termico, si conclude che l'innalzamento di temperatura degli avvolgimenti del motore con filo di rame piatto con lo stesso progetto è del 10% inferiore rispetto a quello del motore con filo di rame circolare.

Vantaggio 3: rumore elettromagnetico inferiore. Il filo piatto del motore ha una maggiore rigidità e sforzo, l'armatura presenta una migliore rigidità, riducendo il rumore dell'armatura; è possibile utilizzare dimensioni di cava relativamente minori, riducendo efficacemente la coppia di cava e ulteriormente il rumore elettromagnetico del motore.

Vantaggio 4: terminale corto, risparmia rame, migliora l'efficienza. Il motore tradizionale con filo rotondo, a causa di problemi di processo, ha generalmente un terminale piuttosto lungo, altrimenti il filo di rame potrebbe danneggiarsi durante il processo. Per il motore con filo piatto, poiché i fili sono rigidi, il terminale può essere realizzato leggermente più piccolo durante la lavorazione e la dimensione del terminale è ridotta del 20% rispetto al motore con filo rotondo; lo spazio può essere ulteriormente ridotto, permettendo di diminuire il volume del sistema e ottenere miniaturizzazione e leggerezza.

Vantaggio 5: il punto di alta efficienza del motore con filo piatto non è necessariamente molto più alto rispetto a quello con filo rotondo, ma l'area di alta efficienza può essere ulteriormente ampliata.

Svantaggi dei motori con filo piatto

Svantaggio 1: Effetto di raccolta della superficie ad alta velocità. I veicoli a nuova energia richiedono una densità di potenza elevata per funzionare a velocità elevate; in passato si arrivava a 10.000 o addirittura 12.000 giri, oggi si tende verso i 16.000 o persino 20.000. Durante la progettazione del motore è necessario adottare soluzioni adeguate per risolvere questo problema, che rappresenta una criticità.

Svantaggio 2: I requisiti per il filo di rame sono molto elevati. I produttori nazionali realizzano frequentemente motori con filo rotondo, garantendo una qualità molto buona. Tuttavia, non sono molte le aziende in grado di produrre motori con filo piatto, poiché i requisiti tecnici sono relativamente più severi; occorre collaborare per risolvere le problematiche relative ai materiali.

Svantaggio 3: Il filo piatto richiede numerosi processi di lavorazione, con alte esigenze di precisione degli impianti e un investimento iniziale consistente. Se la precisione non è sufficiente, la prodotto risulterà poco affidabile e con scarse caratteristiche di consistenza. Le case automobilistiche sono inoltre preoccupate per la qualità, la stabilità e l'affidabilità del prodotto.

Svantaggio 4: la progettazione in serie è difficile, il motore vuole ridurre i costi; è preferibile realizzarla in serie, ma la progettazione in serie attuale non è all'altezza dei motori con filo rotondo.

Svantaggio 5: ci sono troppe barriere legate ai brevetti. Al momento, i brevetti per motori con filo piatto sono principalmente detenuti da aziende europee, americane e giapponesi. Le aziende cinesi possiedono pochi brevetti. Abbiamo una distribuzione dei brevetti, ma non è soddisfacente.

Svantaggio 6: i requisiti per la formatura del filo piatto sono elevati e la lavorazione è difficoltosa. Poiché il filo di rame presenta una certa elasticità, nel progetto è necessario prevedere un margine di deformazione.

Svantaggio 7: il rivestimento isolante subisce una deformazione da ritiro dopo l'essiccazione. Nel caso di filo rotondo, il ritiro è più uniforme, mentre il filo piatto è più soggetto a danni, con una resa produttiva molto inferiore rispetto al filo rotondo.

Processo produttivo del motore con filo piatto

Il processo principale di produzione dello statore del motore per l'emissione delle carte include la formatura del filo e la modellatura e l'inserimento della carta; queste due operazioni vengono eseguite contemporaneamente. Successivamente si entra nel processo di inserimento dello statore e si effettua la torsione del filo; al termine della torsione si procede con il processo di saldatura. Una volta completata la saldatura, è ultimata la produzione di base dello statore del motore; segue quindi la verniciatura e in seguito il test e la verifica delle prestazioni. Questo è il processo base, all'interno del quale vi sono molti dettagli.

Processo di produzione del motore con filo piatto: fabbricazione della carta isolante per scanalature, isolamento dell'anello terminale fisso, saldatura dell'anello terminale, collegamento a stella

Situazione applicativa del motore con filo piatto

A lungo termine, la miniaturizzazione e l'alta velocità saranno la principale tendenza di sviluppo del motore per veicoli elettrici. La miniaturizzazione richiederà un notevole miglioramento della densità di potenza del motore. Dal punto di vista dei requisiti tecnici, "scelte molto più decisive e conseguenze più gravi nella pianificazione" hanno richiesto che la densità di potenza di picco del motore per veicoli elettrici raggiungesse 4 kW/kg, mentre oggi questo valore è soltanto di 3,2-3,3 kW/kg.

Il motore con avvolgimento piano è stato applicato con successo nella Chevrolet Volt 2, nei veicoli elettrici Nissan e nella quarta generazione Prius di Toyota. Questo rappresenta una tendenza inevitabile nello sviluppo dei motori per veicoli elettrici. Produttori e aziende di motori come BYD, SAIC, Beijing e Precision hanno avviato ricerche specifiche nel settore dei nuovi veicoli energetici.

Prima del 2020, l'effetto di sostituzione dei motori a piatto rispetto ai motori circolari non era ancora abbastanza evidente. Grazie al vantaggio delle dimensioni ridotte dei motori a piatto, questi saranno prioritariamente utilizzati su larga scala nei modelli ibridi, in particolare nei modelli plug-in. Tuttavia, a causa di politiche interne e fattori di mercato, i modelli plug-in hanno rappresentato una percentuale relativamente bassa. Nel settore della pura elettricità, solo la SAIC Roewe ERX 5 è equipaggiata con un motore a piatto, con un utilizzo limitato.

Il processo di sviluppo della terza generazione di motori a piatto generali ci offre un'ispirazione

Motore a piatto di prima generazione General

Chevrolet Voltec, Il sistema di trazione 4ET50 (Chevrolet Voltec 4ET50-2011) è un sistema a doppio motore. Il motore B è un motore a spina piatta con potenza di 110 kW, coppia di 370 Nm, velocità di 9500 giri/min e rapporto di scansione di 12 poli e 72 cave.

Il motore adotta la tecnologia di avvolgimento a spillo della linea assiale, ovvero l'avvolgimento singolo a spillo. Questo tipo di avvolgimento rende l'organizzazione nella scanalatura molto ordinata, aumentando notevolmente il tasso di riempimento della scanalatura, mentre l'assemblaggio dell'estremità può essere migliorato. L'effetto finale di questi due miglioramenti è la riduzione della resistenza continua del 30~40%.

Sebbene il motore a spillo possa ridurre la resistenza continua, è facile che si generi un campo elettrico di corrente parassita ad alta frequenza sull'avvolgimento quando la frequenza è elevata, producendo l'effetto pelle.

GM ha utilizzato il modello Voltec per calcolare le statistiche sulla velocità del punto di lavoro del motore, determinando che la velocità del motore è sostanzialmente al di sotto dei 6000 giri/min in condizioni di guida urbana e US06, e non supera gli 8000 giri/min. In altre parole, può sfruttare appieno il vantaggio della bassa resistenza del filo piatto. Da questo punto di vista, il motore con filo piatto è più adatto per applicazioni a velocità media e bassa.

Dopo la fine dell'avvolgimento a linea tonda, viene dipinto e diventa un blocco unico. È difficile che l'olio di raffreddamento penetri all'interno. Con il calore del conduttore dello strato intermedio, si forma facilmente un'isola di calore all'interno dell'avvolgimento. Il motore 4ET50 adotta la tecnologia di raffreddamento con iniezione di olio sull'estremità, poiché esiste un ampio spazio tra i conduttori terminali del filo piatto, l'ugello permette all'olio di penetrare direttamente nell'estremità dell'avvolgimento del filo piatto e di dissipare il calore di ogni conduttore. La combinazione tra filo piatto e raffreddamento con olio sull'estremità migliora notevolmente la capacità di dissipazione del calore e la densità di potenza.

Motore flat wire di seconda generazione standard

La Spark è stata lanciata nel 2014, la trazione principale è un motore da 105 kW con un regime minimo di 4.500 giri/min. La combinazione tecnologica è: filo piatto con inserimento assiale + struttura a coppia doppio V + tecnologia di raffreddamento con iniezione di olio.

Il lavoro speciale sul motore è stato eseguito dal laboratorio della GM a Wickham, un sobborgo di Detroit, e per la produzione di massa a Baltimora, Maryland.

La durata del motore elettrico puro/ibrido a autonomia estesa è molto maggiore rispetto a quella del motore ibrido completo/plug-in, e anche i requisiti di coppia e potenza sono superiori. L'ibrido con autonomia aggiuntiva sceglie generalmente una struttura di trasmissione con deviazione di potenza, con il motore B come motore principale.

Il sistema di propulsione del Chevrolet Walker è interamente alimentato dal motore B, quindi il motore B deve soddisfare i requisiti di accelerazione e di guida. Per i primi prodotti sono stati progettati un motore B a magnete permanente con avvolgimento a spina e un motore A a magnete permanente con avvolgimento centralizzato. La scelta dell'avvolgimento concentrato è principalmente dovuta a limitazioni di spazio.

Tuttavia, i requisiti di guida dell'architettura del veicolo della seconda generazione Volt sono suddivisi tra i motori A / B. La dimensione del motore B è stata notevolmente ridotta. A causa dei ridotti requisiti di coppia del motore A, è stato progettato un motore a ferrite.

Inoltre, nei veicoli elettrici puri viene normalmente utilizzato un sistema di trazione con un solo motore, quindi il motore di trazione tende ad avere una capacità maggiore per soddisfare le esigenze di accelerazione e di guida del veicolo. Il motore del veicolo elettrico puro Chevrolet Spark di GM ha scelto un IPM a bassa velocità e un rapporto di decelerazione ridotto.

Se si utilizza l'avvolgimento circolare standard come controllo di riferimento, la resistenza del filo circolare è 1,44 volte quella del filo piatto in Voltec, mentre la resistenza del filo circolare è 1,56 volte quella del filo piatto in Spark. Questo significa che la resistenza del filo piatto di Spark diminuisce in modo ancora più netto. Oltre ai parametri stabiliti dal protocollo, questo progresso beneficia anche della maturazione del processo del filo piatto.

Nel motore Spark, la formatura e la deformazione della scheda dei capelli vengono realizzate tramite controllo CNC preciso + stampaggio a stampo. Nel processo di stampaggio, non solo viene controllata la corsa del servomotore, ma viene anche chiuso un circuito di feedback in tempo reale. Attraverso questi mezzi tecnici, si garantisce la precisione della formatura dell'avvolgimento e si riesce a controllare la tensione del gruppo di avvolgimento, in modo che la qualità di ogni spira della bobina sia completamente uniforme.

Motore planare di terza generazione

Nel 2017, GM ha lanciato la Chevrolet Blot, con coppia massima di 360 Nm, potenza massima di 150 kW, velocità massima di 8810 giri/min e corrente massima del motore di 400 Arms.

Il rapporto di riduzione aumenta e la velocità del motore cresce di quasi 2 volte. Quando la velocità aumenta, l'effetto di raccolta della pelle del conduttore del motore a piatto aumenta ad alta velocità, causando un aumento della resistenza in corrente alternata.