Omówienie zalet i wad silnika z płaskim drutem, analiza zastosowań oraz perspektywy rozwojowe

Obecnie w Chinach większą uwagę zwraca się na silniki z flat wire, jednak zastosowanie jest ograniczone, głównie z powodu krótkiego czasu rozwoju rynku energii nowej, a główny udział w rynku koncentruje się na rynku mikrosamochodów osobowych. Dojrzałe, zagraniczne produkty z flat wire są stosowane w pojazdach z nowych źródeł energii, szczególnie w Japonii, firmach z Europy i Ameryki, Toyota i General Motors wykorzystują właśnie silniki z flat wire. Przykładami są Chevrolet VOLT (Remy Motor) i Toyota Prius (Denso), w których zastosowano chłodzenie olejowe. Oprócz zagranicznych dostawców takich jak Remy, Dso i Hitachi, głównymi dostawcami krajowymi, z stabilnymi dostawami są Huayu Electric i Songzheng Motor, a także Founder Motor, który niedługo wejdzie w fazę produkcji.

Silnik napędowy składa się głównie z zespołu stojana, zespołu wirnika, pokrywy końcowej oraz elementów standardowych pomocniczych, a uzwojenie stojana obejmuje rdzeń, uzwojenie miedziane, materiały izolacyjne itp.

Zgodnie z nazwą, silnik płaskoprzewodowy wykorzystuje płaski drut miedziany w uzwojeniu stojana. Najpierw uzwojenie jest formowane w kształcie przypominającym grzebyk, następnie wsuwane w żłobki stojana, a na końcu spawane końce grzebyka po drugiej stronie.

Zalety silników płaskoprzewodowych

Zaleta 1: przy tej samej mocy mniejsze gabaryty, mniej materiałów, niższy koszt, lub przy tej samej objętości wyższe wypełnienie żłobków, większa gęstość mocy. Okrągły przewód staje się płaskim. Teoretycznie przy stałej przestrzeni silnik płaskoprzewodowy może osiągnąć współczynnik wypełnienia żłobków na poziomie 70%, a ilość miedzi wypełnionej w żłobkach może wzrosnąć o 20-30%, co generuje silniejsze pole magnetyczne, co w pewnym przybliżeniu odpowiada zwiększeniu mocy o 20-30%.

Zaleta 2: lepsza wydajność termiczna. Odstęp wewnętrzny staje się mniejszy, powierzchnia kontaktu między przewodem płaskim a przewodem płaskim jest większa, co poprawia odprowadzanie ciepła i jego przewodzenie; kontakt między uzwojeniem a żłobkiem rdzenia jest lepszy, co umożliwia lepsze przewodzenie ciepła. Silnik jest bardzo wrażliwy na odprowadzanie ciepła i temperaturę – im lepsze odprowadzanie ciepła, tym wyższa wydajność. Na podstawie symulacji pola temperaturowego stwierdzono, że wzrost temperatury uzwojenia silnika z drutu miedzianego płaskiego przy tym samym projekcie jest o 10% niższy niż w przypadku silnika z drutu miedzianego okrągłego.

Zaleta 3: niższy poziom hałasu elektromagnetycznego. Przewód płaski w silniku charakteryzuje się dużym naprężeniem i dużą sztywnością, co poprawia sztywność twornika i tłumienie hałasu twornika; można zastosować stosunkowo mniejsze wymiary żłobków, skutecznie zmniejszając moment żłobkowania i dalej obniżając poziom hałasu elektromagnetycznego silnika.

Zaleta 4: krótki koniec, oszczędność miedzi, poprawa wydajności. W przypadku tradycyjnych silników z drutem okrągłym z powodu problemów technologicznych ich końce są zazwyczaj dość długie, w przeciwnym razie istnieje ryzyko uszkodzenia drutu miedzianego w procesie produkcji. W przypadku silnika z drutem płaskim, ponieważ przewody są sztywne, końce można wykonać nieco mniejsze podczas obróbki, a rozmiar końców jest o 20% mniejszy w porównaniu z silnikiem z drutem okrągłym, co pozwala dalej zmniejszyć zajmowaną przestrzeń, a tym samym skrócić wymiary całego systemu, umożliwiając jego miniaturyzację i zwiększenie lekkości.

Zaleta 5: punkt maksymalnej sprawności silnika z drutu płaskiego niekoniecznie jest znacznie wyższy niż w przypadku drutu okrągłego, jednak obszar wysokiej sprawności można dodatkowo poszerzyć.

Wady silników z drutem płaskim

Wada 1: Efekt zbierania skóry przy wysokiej prędkości. Nowe pojazdy napędzane energią elektryczną wymagają wysokiej gęstości mocy przy dużych prędkościach. Dawniej było to 10 000 lub nawet 12 000 obrotów, obecnie kierunek zmierza ku 16 000 lub nawet 20 000. W procesie projektowania silnika trzeba znaleźć dobre rozwiązania, co stanowi pewną wadę.

Wada 2: Wysokie wymagania stawiane miedzianej życe. Producenci krajowi potrafią wykonać więcej miedzianej żyły okrągłej, a jej jakość może być bardzo dobra. Nie ma wielu producentów potrafiących wykonać żyłę płaską, ponieważ wymagania są stosunkowo wysokie, a my musimy wspólnie rozwiązać kwestię materiału.

Wada 3: Żyła płaska ma wiele procesów produkcyjnych, wymagana jest duża dokładność urządzeń, a inwestycja początkowa jest duża, ponieważ jeśli dokładność nie jest wystarczająca, niezawodność i spójność produktu będą stosunkowo słabe. Firmy samochodowe obawiają się również niezawodności oraz stabilności jakości.

Wada 4: projektowanie znormalizowane jest trudne, silnik chce obniżyć koszty, najlepsze jest wykonanie go w wersji znormalizowanej, projektowanie znormalizowane obecne silniki z drutu płaskiego nie są lepsze niż silniki z drutu okrągłego.

Wada 5: zbyt wiele barier patentowych. Obecnie patenty na silniki z drutu płaskiego należą głównie do przedsiębiorstw europejskich, amerykańskich i japońskich. Chińskie firmy posiadają niewiele patentów. Mamy rozmieszczenie patentów, ale nie jest ono zadowalające.

Wada 6: wymagania dotyczące formowania drutu płaskiego są wysokie i trudne w obróbce. Ponieważ drut miedziany ma pewną sprężystość, w projekcie należy uwzględnić rezerwę na odkształcenia.

Wada 7: po wyschnięciu powłoka izolacyjna może ulec odkształceniom skurczowym. Jeżeli jest to drut okrągły, skurcz będzie bardziej równomierny, natomiast drut płaski łatwo ulega uszkodzeniom, w wyniku czego przy rzeczywistej obróbce współczynnik wydajności drutu płaskiego jest znacznie niższy niż drutu okrągłego.

Proces produkcyjny silnika z drutu płaskiego

Główny proces produkcji stojana silnika do wydawania kart, formowanie drutu i formowanie papieru oraz wkładanie papieru, te dwa procesy odbywają się równocześnie. Następnie następuje proces wkładania stojana i skręcania drutu, po zakończeniu skręcania przeprowadza się proces lutowania. Po zakończeniu lutowania podstawowy proces stojana silnika jest zakończony, następuje następnie proces powlekania, a potem test i weryfikacja parametrów. To jest podstawowy proces, w środku występuje wiele szczegółów.

Proces produkcji silnika z drutem płaskim: produkcja papieru do wałkowania, izolacja pierścienia wydawniczego, lutowanie końcówki, łączenie gwiazdowe

Zastosowanie silnika z drutem płaskim

W długoterminowej perspektywie miniaturyzacja oraz wysoka prędkość będą głównymi trendami rozwojowymi silników pojazdów z napędem hybrydowym lub elektrycznym. Miniaturyzacja będzie wymagała znacznego wzrostu gęstości mocy silnika. Z technicznego punktu widzenia, „znacznie większe wyzwania i poważniejsze konsekwencje w planowaniu” wymagają, aby szczytowa gęstość mocy silnika napędowego pojazdów z nowymi źródłami energii osiągnęła 4 kW/kg. Obecnie wartość ta wynosi jedynie 3,2–3,3 kW/kg.

Silniki z płaskim uzwojeniem znajdują zastosowanie w pojazdach takich producentów jak Chevrolet Volt 2, Nissan i Toyota (czwarta generacja Priusa). Są one nieodłącznym trendem w rozwoju silników pojazdów z nowymi źródłami energii. Producentów takich jak BYD, SAIC, Pekin oraz specjaliści od nowych źródeł energii, zarówno producenci pojazdów, jak i silników, rozpoczęli już odpowiednie badania.

Przed 2020 rokiem zastępowanie silników kolistych przez silniki płaskoprzewodowe nie było jeszcze wystarczająco widoczne. Dzięki zaletom małych rozmiarów silników płaskoprzewodowych, będą one preferowane w zastosowaniach na dużą skalę w modelach hybrydowych, szczególnie w modelach plug-in. Jednak ze względu na politykę krajową i czynniki rynkowe, modele plug-in miały stosunkowo niski udział. W dziedzinie samochodów całkowicie elektrycznych, jedynie SAIC Roewe ERX5 wyposażony jest w silnik płaskoprzewodowy, co oznacza ograniczone zastosowanie.

Proces rozwojowy trzeciej generacji ogólnych silników płaskoprzewodowych dostarcza nam inspiracji

Ogólny silnik płaskoprzewodowy pierwszej generacji

Chevrolet Voltec, System napędowy 4ET50 (Chevrolet Voltec 4ET50-2011) to system z architekturą podwójnego silnika. Silnik B to silnik płaskoprzewodowy typu hairpin o mocy 110 kW, momencie obrotowym 370 Nm, prędkości obrotowej 9500 rpm i stosunku żłobków 12 biegunów do 72 żłobków.

Silnik wykorzystuje technologię uzwojenia typu hairpin w konfiguracji osiowej, znaną również jako pojedyncze uzwojenie hairpin. Uzwojenie to umożliwia bardzo staranne ułożenie przewodów w żłobkach, znacznie zwiększając współczynnik wypełnienia żłobków, a także umożliwia wzmocnienie zespołu końcowego. Ostatecznym efektem tych dwóch udoskonaleń jest obniżenie rezystancji stałoprądowej (DC) o 30–40%.

Chociaż silnik hairpin pozwala zmniejszyć rezystancję stałoprądową, to przy wysokiej częstotliwości łatwo pojawia się efekt prądów wirowych w uzwojeniu, powodując zjawisko skórkowości.

Firma GM wykorzystała model Voltec do obliczenia statystyk prędkości pracy silnika i ustaliła, że prędkość silnika w warunkach jazdy miejskiej (urban2) oraz w teście US06 mieści się głównie poniżej 6000 obr./min, maksymalnie nie przekraczając 8000 obr./min. Oznacza to, że można w pełni wykorzystać przewagę niskiej rezystancji przewodu płaskiego. W świetle tych danych silnik z przewodem płaskim jest bardziej odpowiedni do zastosowań w zakresie średnich i niskich prędkości.

Po zakończeniu nawijania uzwojenia na końcach linii nanosi się farbę, w wyniku czego tworzy się spójną całość. Trudno jest, aby olej chłodzący mógł przedostać się do wnętrza. Pod wpływem ciepła przewodnika warstwy środkowej łatwo powstaje wyspa cieplna wewnątrz uzwojenia. Silnik 4ET50 wykorzystuje technologię chłodzenia przez wtrysk oleju na końcach. Ze względu na duże przerwy między przewodnikami drutu płaskiego, olej z dysz bezpośrednio przenika do końców nawiniętego drutu płaskiego i odprowadza ciepło z każdego przewodnika. Połączenie drutu płaskiego i chłodzenia olejowego na końcach znacznie poprawia zdolność odprowadzania ciepła i zwiększa gęstość mocy.

Ogólna konstrukcja silnika z płaskim drutem drugiej generacji

Samochód Spark został zaprezentowany w 2014 roku, a jego główny napęd stanowi silnik o mocy 105 kW z prędkością obrotową 4500 obr/min. Kombinacja zastosowanych technologii to: osiowe wkładanie drutu płaskiego + konstrukcja momentu podwójnego V + technologia chłodzenia przez wtrysk oleju.

Specjalne prace nad silnikiem prowadzono w laboratorium GM w Wickham, przedmieściu Detroit, a także w Baltimore, w stanie Maryland, dla potrzeb produkcji seryjnej.

Czas działania silnika elektrycznego/hybrydowego z zasięgiem wydłużonym jest znacznie dłuższy niż w przypadku silnika hybrydowego pełnego/ładowanego, a także wymagania dotyczące momentu obrotowego i mocy są wyższe. Hybryda z dodatkowym zasięgiem wybiera zazwyczaj strukturę napędową typu power split, w której głównym silnikiem napędowym jest silnik B.

System napędowy Chevroleta Walkera całkowicie wykorzystuje napęd elektryczny z silnika B, dlatego silnik B musi spełniać wymagania dotyczące przyspieszenia i jazdy. Dla wczesnych produktów zaprojektowano silnik B z magnesami trwałymi typu hairpin oraz silnik A z magnesami trwałymi i uzwojeniem centralnym. Wybór uzwojenia koncentrycznego wynika przede wszystkim z ograniczeń przestrzennych.

Jednak wymagania dotyczące napędu architektury drugiej generacji pojazdu Volt są podzielone pomiędzy silniki A/B. Wielkość silnika końcowego-B została znacznie zmniejszona. Ze względu na niskie wymagania dotyczące momentu obrotowego silnika A, zaprojektowano silnik ferrytowy.

Dodatkowo pojazdy elektryczne są zazwyczaj wyposażone w system napędu z jednym silnikiem, dlatego silnik napędowy ma tendencję do posiadania większej pojemności w celu zaspokojenia potrzeb przyspieszania i jazdy pojazdu. Silnik elektrycznego Chevroleta Spark firmy GM wykorzystuje niskoprędkościowy IPM oraz mały współczynnik redukcji prędkości.

Jeśli jako odniesienia kontrolnego użyje się standardowego uzwojenia okrągłego przewodu, opór przewodu okrągłego będzie 1,44 razy większy niż opór przewodu płaskiego w systemie Voltec, podczas gdy opór przewodu okrągłego będzie 1,56 razy większy niż opór przewodu płaskiego w systemie Spark. Oznacza to, że opór przewodu płaskiego w Spark spada bardziej gwałtownie. Oprócz samych parametrów protokołu, ten postęp wynika również z dojrzałości procesu produkcji przewodów płaskich.

W silniku Spark formowanie i odkształcenie karty magnesu są realizowane poprzez precyzyjną kontrolę CNC oraz formowanie za pomocą formy. W procesie formowania kontrolowany jest nie tylko skok serwomechanizmu, ale także zamykana jest pętla sprzężenia zwrotnego w czasie rzeczywistym. Dzięki tym środkom technicznym zapewnia się dokładność formowania uzwojenia oraz kontrolę naprężenia zespołu uzwojeniowego, co umożliwia uzyskanie całkowitej zgodności jakości każdej cewki.

Ogólna konstrukcja silnika płaskim drutem trzeciej generacji

W 2017 roku GM zaprezentował Chevroleta Blot, którego maksymalny moment obrotowy wynosił 360 Nm, maksymalna moc 150 kW, prędkość szczytowa 8810 rpm, a prąd szczytowy silnika 400 Arms.

Stosunek przełożenia reduktora rośnie, a prędkość silnika zwiększa się o prawie 2 razy. Wraz ze wzrostem prędkości efekt zbierania powierzchniowego przewodnika silnika płaskim drutem zwiększa się przy wysokiej prędkości, co prowadzi do wzrostu oporu prądu zmiennego.