フラットワイヤーモーターの長所と短所、応用分析、開発動向の展望の紹介

現在、中国ではフラットワイヤーモーターに対する関心が高まっていますが、応用はまだ少なく、主に新エネルギー市場の発展期間が短く、主な市場シェアがマイクロ乗用車市場に集中しているためです。海外の成熟したフラット線モータ製品は新エネルギー車両、特に日本、欧米企業において使用されており、トヨタやゼネラルモータースはフラットワイヤーモーターを採用しています。代表的な例はシボレーVOLT（Remyモーター）とトヨタ・プリウス（デンソー）で、どちらも油冷式ソリューションを採用しています。Remy、Dso、日立などの海外サプライヤーに加え、国内で安定した出荷実績があるサプライヤーは主に華域電機（Huayu Electric）と松正モーター（Songzheng Motor）、近日中に生産が開始される予定のFounder Motorです。

駆動モーターは主に固定子コンポーネント、回転子アセンブリ、端子カバー、補助的な標準部品から構成されており、固定子巻線には鉄心、銅線巻線、絶縁材料などが含まれます。

名前の通り、フラットワイヤーモーターは固定子巻線に平角銅線を使用し、最初に巻線をヘアピンのような形状に作り、それを固定子スロットに挿入し、その後、反対側のヘアピンの端部を溶接します。

フラットワイヤーモーターの利点

利点1：同じ出力で小型・軽量化が可能であり、使用材料が少なく、コストを低く抑えることができる。または同じ体積でスロット充填率が向上し、高出力密度を実現できます。丸線をフラット線に変更することで、理論的にはスペースが一定の条件下で、フラット線モーターはスロット充填率70％に達成可能であり、充填銅量を20〜30％増加させることができ、より強い磁界を生み出し、ある意味では出力を20〜30％増加させることに相当します。

利点2: 温度性能が優れている。内部の隙間が小さくなり、平角線と平角線の接触面積が大きくなるため、放熱性および熱伝導性に優れている。また、コイルとコアスロットの接触が良好で熱伝導性が良く、モーターは放熱性と温度に対して非常に敏感であり、放熱性が良いほど性能が向上する。温度分布のシミュレーションを通じて、同一設計において平角銅線モータの巻線の温度上昇は丸銅線モータに比べて10%低いことが分かった。

利点3: 電磁ノイズが少ない。平角線モータは応力が大きく剛性も高いことから、アーマチュアの剛性が向上し、アーマチュアノイズを抑制できる。また、比較的小さなスロット寸法を採用することで、かご形トルクを効果的に低減し、モータの電磁ノイズをさらに抑えることができる。

利点4：端部が短く、銅を節約し、効率を向上させます。従来の丸線モーターは工程上の問題により、端部が一般的に比較的長くなければならず、そうでなければ工程中に銅線が損傷しやすくなります。一方、フラット線モーターは線材が硬いため、加工時に端部をやや小さく製作でき、丸線モーターよりも端部サイズを20％削減でき、スペースをさらに縮小することが可能であり、システムの小型化・軽量化を実現します。

利点5：フラット線モーターの高効率ポイントは必ずしも丸線モターよりも大幅に高いわけではありませんが、高効率領域をさらに広げることができます。

フラット線モーターの欠点

不利点1: 高速時のスキニング効果。新エネルギー車両は高出力密度の要求から高速化が求められ、以前は10,000回転、あるいは12,000回転まで行っていたが、現在では16,000回転、あるいは20,000回転まで向かっている。モーター設計の過程でこれを解決する良い方法が必要であり、不利な点である。

不利点2: 銅線への要求が厳しい。丸線モーターの銅線は国内メーカーが多数製造しており、品質も非常に良い。フラット線モーターを製造できるメーカーはそれほど多くなく、要求が比較的高く、材料面での共同開発が必要である。

不利点3: フラット線は加工工程が多く、設備の精度要求が高く、初期投資が大きい。精度が高くなければ、製品の信頼性や一貫性が比較的低下する。自動車メーカーも品質の信頼性と安定性を懸念している。

不利点4：シリアル設計が難しく、モーターのコスト削減にはシリアル化が好ましいが、現在のフラット線モーターは丸線モーターほどシリアル設計が優れていない。

不利点5：特許の壁が多く存在している。現在、フラット線モーターに関する特許は主に欧米および日本の企業にあり、中国企業の保有特許は少ない。我々も特許のポジショニングはあるが、満足できるレベルには達していない。

不利点6：フラット線の成形要求が高く、加工が難しい。銅線にはある程度の弾性があるため、設計上、変形余裕を設ける必要がある。

不利点7：絶縁コーティングは乾燥後に収縮変形を生じる。もし丸線であれば収縮はより均一であるが、フラット線は損傷しやすく、実際の加工においてフラット線の歩留まりが丸線に比べて大幅に低下する原因となる。

フラット線モーターの製造プロセス

カード発行モーターのスターターの主な製造工程は、線形成と紙成型および紙挿入であり、これらの2つの工程は同時に実施されます。次にスターター挿入工程に入り、その後で配線をより合わせ、より合わせ完了後に溶接工程を行います。溶接が完了すると、モーターの基本的なスターター工程は終了し、その後コーティング工程を行い、性能試験および検証を行います。これが基本的な工程であり、その中には多くの詳細工程があります。

フラットワイヤーモーターの製造工程：スロット紙製造、カード発行リング絶縁処理、固定端リング溶接、スター接合

フラットワイヤーモーターの適用状況

長期的には、小型化・高速化が新エネルギー車モーターの主要な発展トレンドとなる。小型化には、モーターの出力密度が大幅に向上することが必要不可欠である。技術要件の観点から、「計画における選択肢の大幅な増加と深刻な結果」が新エネルギー車駆動用モーターのピーク出力密度が4kW/kgに達することを提起しているが、現時点でのこの数値は3.2〜3.3kW/kgにとどまっている。

フラット線巻きモーターは、Chevrolet Volt 2や日産の電気自動車、トヨタの第4世代プリウスなど海外メーカーで既に成功裏に適用されており、新エネルギー自動車モーター開発の必然的な発展方向である。比亜迪（BYD）、上海汽車（SAIC）、北京、精密進新エネルギーなど自動車メーカーおよびモーター製造企業もこれに基づく関連研究を開始している。

2020年以前には、フラット線モーターが円形モーターに与える置き換え効果は、まだ十分には現れていない。フラット線モーターの小型化という利点により、ハイブリッドモデル、特にプラグインモデルにおいて大規模な応用が優先される見込みである。しかし、国内の政策および市場要因により、プラグインモデルが占める割合は比較的低かった。純粋電気自動車分野では、上汽ロウェ・ERX5のみがフラット線モーターを搭載しており、応用例は少ない。

第3世代汎用フラット線モーターの開発過程は我々に多くの示唆を与えてくれる

汎用 第1世代 フラット線モーター

シボレー・ボルテック、4ET50ドライブシステム（シボレー・ボルテック 4ET50-2011）はデュアルモーターアーキテクチャーシステムである。モーターBは出力110kW、トルク370NM、回転数9500rpm、スロット比12極72スロットのフラット線ピンモーターである。

モーターは、軸方向プラグラインのハープィン巻線技術、つまり単一ハープィン巻線方式を採用しています。このハープィン巻線により、スロット内での配列が非常に整然となり、スロット充填率を大幅に向上させることができます。また、エンドアセンブリを強化することが可能となり、これらの2つの改良の最終的な効果として、直流抵抗を30〜40％低減することが可能です。

ハープィンモーターは直流抵抗を低減することが可能ですが、周波数が高くなると巻線上で高周波渦電流による電界を感じやすく、肌効果を生じることがあります。

GMはボルテックモデルを使用してモーターの作動点速度の統計を算出し、都市部2およびUS06運転モードにおいて、モーター回転速度が基本的に6000rpm以下であり、8000rpmを超えないことを確認しました。これは、フラット線の低抵抗特性を十分に発揮できることを意味しています。この観点から見ると、フラット線モーターは中低速用途にさらに適しています。

巻線端部の平角線の巻き終わり後、塗装により全体が固形の塊となるため、冷却オイルが内部に浸透しにくくなります。中間層導体からの熱により、巻線内部で容易にヒートアイランドが形成されます。4ET50モーターは端面オイル噴射冷却技術を採用しています。これは、平角線の端部導体間には大きな隙間があるため、ノズルからのオイルが直接平角線巻線の端部に浸透し、各導体の熱を効果的に除去することができるからです。平角線と端面オイル冷却の組み合わせにより、放熱能力を大幅に向上させ、電力密度を高めることができます。

一般的な2世代平角線モーター

Sparkは2014年に発売され、主駆動モーターは4,500rpmの低速で105kWのモーターを搭載しています。採用された技術の組み合わせは、軸方向挿入型平角線＋二重V型トルク構造＋オイル噴射冷却技術です。

モーターに関する特殊な作業は、デトロイトの郊外にあるGMのウィックハム研究所で行われ、マサチューセッツ州ボルチモアでの量産が進められました。

純粋な電気／航続距離延長型ハイブリッドモーターの作動時間は、フル／プラグインハイブリッドモーターよりもはるかに長く、トルクおよび出力の要件も高くなります。追加の航続距離用ハイブリッドは一般的にパワーシャント駆動方式を採用し、Bモーターが主駆動モーターとなります。

シボレー・ウォーカーの駆動システムはすべてBモーターによる推進力で動作するため、Bモーターは加速および駆動性能を満たす必要があります。初期製品向けにはハイトラップ永久磁石Bモーターと集中巻線型永久磁石Aモーターが設計されました。集中巻線方式の選定は主にスペースの制限によるものです。

ただし、2 世代目バージョン Volt 車両アーキテクチャ駆動要求は A/B モーターに分割されている。エンド B 側モーターのサイズは大幅に縮小された。A モーターのトルク要求が低いことから、フェライトモーターが設計された。

さらに、電気自動車では一般的にシングルモータードライブシステムが使用されるため、駆動モーターは車両の加速および駆動のニーズを満たすために大容量化傾向にある。GM の電気自動車「Chevrolet Spark」のモーターには低速 IPM と小さな減速比が選定された。

標準的な丸線巻線を基準制御として使用する場合、Voltec における丸線抵抗はフラット線抵抗の 1.44 倍であるのに対し、Spark では丸線抵抗はフラット線抵抗の 1.56 倍である。これは Spark のフラット線抵抗がより急激に低下したことを意味する。プロトコルパラメータ自体に加えて、この進歩はフラットラインプロセスの成熟にも起因している。

Sparkモータでは、ハリカードの成形および歪みは、CNC精密制御＋金型成形によって行われます。成形工程においては、サーボストロークを制御するだけでなく、リアルタイムフィードバックループを閉じています。これらの技術的手法を通じて、巻線成形の精度を確保すると共に、巻線グループの応力を制御することが可能となり、各ターンコイルの品質を完全に一致させます。

一般 第3世代フラットワイヤーモータ

2017年、GMはChevrolet Blotを発表し、最大トルク360Nm、最大出力150kW、最大回転速度8810rpm、モータのピーク電流は400 Armsです。

リデューサーの減速比が増加し、モータ速度はほぼ2倍になります。速度が上昇すると、フラット線モータ導体の表皮効果が高速域で増加し、これにより交流抵抗が増加します。