Introdução das vantagens e desvantagens do motor de fio plano, análise de aplicação e perspectiva de tendência de desenvolvimento

Atualmente, os motores de fio plano despertam mais interesse na China, porém a aplicação ainda é limitada, principalmente devido ao curto tempo de desenvolvimento do mercado de nova energia, cuja maior participação está concentrada no mercado de carros utilitários leves. Produtos maduros de motores com fio plano no exterior já são aplicados em veículos de nova energia, especialmente em empresas do Japão, Europa e Estados Unidos, como Toyota e General Motors, que utilizam motores de fio plano. Exemplos representativos são o Chevrolet VOLT (Remy Motor) e o Toyota Prius (Denso), ambos empregando soluções resfriadas a óleo. Além de fornecedores estrangeiros como Remy, Dso e Hitachi, os fornecedores nacionais com embarques estáveis são principalmente Huayu Electric e Songzheng Motor, além da Founder Motor, que em breve entrará em produção.

O motor de acionamento é composto principalmente por componentes do estator, conjunto do rotor, tampa traseira e peças padrão auxiliares, e o enrolamento do estator inclui núcleo de ferro, enrolamento de fio de cobre, materiais isolantes, etc.

Como o nome sugere, o motor de fio plano utiliza o fio de cobre plano no enrolamento do estator; primeiro, o enrolamento é moldado como um pente de cabelo, inserido na ranhura do estator e, em seguida, a extremidade do pente é soldada na outra extremidade.

Vantagens dos motores de fio plano

Vantagem 1: mesma potência, menor volume, menos materiais, menor custo ou mesmo volume, taxa de preenchimento da ranhura aumentada, maior densidade de potência. A linha redonda torna-se uma linha plana. Teoricamente, mantido o mesmo espaço, o motor de linha plana pode atingir 70% de taxa de preenchimento da ranhura, e a quantidade de cobre preenchida pode aumentar em 20-30%, gerando uma intensidade de campo magnético mais forte, o que é, em certo grau, equivalente ao aumento da potência em 20-30%.

Vantagem 2: melhor desempenho em relação à temperatura. O espaço interno torna-se menor, a área de contato entre o fio plano e o núcleo é maior, a dissipação e a condução de calor são melhores; o contato entre o enrolamento e o entalhe do núcleo é melhor, proporcionando uma condução térmica superior, e o motor é muito sensível à dissipação de calor e à temperatura, logo, uma melhor dissipação de calor resulta em um desempenho aprimorado. Através da simulação do campo térmico, conclui-se que a elevação de temperatura do enrolamento do motor com fio de cobre plano, com o mesmo projeto, é 10% menor do que a do motor com fio de cobre circular.

Vantagem 3: menor ruído eletromagnético. O fio plano do motor possui maior rigidez e tensão, o que confere ao armadura maior rigidez, suprimindo o ruído do armadura; pode-se utilizar um tamanho de entalhe relativamente menor, reduzindo efetivamente o torque de reação e, consequentemente, o ruído eletromagnético do motor.

Vantagem 4: extremidade curta, economiza cobre e melhora a eficiência. O motor tradicional de fio redondo, devido a problemas de processo, geralmente tem uma extremidade relativamente longa; caso contrário, o fio de cobre pode ser facilmente danificado durante o processo. No motor de fio plano, como os fios são rígidos, a extremidade pode ser um pouco menor durante o processamento, e seu tamanho é reduzido em 20% em comparação com o motor de fio redondo, e o espaço pode ser ainda mais reduzido, o que permite diminuir o volume do sistema, alcançando miniaturização e leveza.

Vantagem 5: o ponto de alta eficiência do motor de fio plano não é necessariamente muito mais alto do que o do motor de fio redondo, mas a área de alta eficiência pode ser ainda mais ampliada.

Desvantagens dos motores de fio plano

Desvantagem 1: Efeito de coleta de pele em alta velocidade. Os veículos elétricos exigem alta densidade de potência para altas velocidades; antes, giravam a 10.000 ou até 12.000 RPM, agora tendendo para 16.000 ou até 20.000. É necessário encontrar boas soluções durante o processo de projeto do motor, o que representa um inconveniente.

Desvantagem 2: Os requisitos para o fio de cobre são elevados. Fabricantes nacionais produzem bastante fio redondo para motores, com qualidade muito boa. Porém, poucos fabricantes conseguem produzir fio plano, pois os requisitos são relativamente altos, e é necessário trabalhar em conjunto para resolver questões relativas ao material.

Desvantagem 3: O fio plano envolve muitos processos de fabricação, exige alta precisão dos equipamentos e representa um investimento inicial elevado, pois, se a precisão não for suficiente, a confiabilidade e a consistência do produto serão relativamente ruins. As montadoras também estão preocupadas com a confiabilidade e a estabilidade da qualidade.

Desvantagem 4: o design de serialização é difícil, o motor deseja reduzir custos, sendo vantajoso fazê-lo em série, mas o design de serialização atual dos motores de fio plano não é tão bom quanto o dos motores de fio redondo.

Desvantagem 5: existem muitas barreiras patenteadas. Atualmente, as patentes de motores de fio plano estão principalmente em empresas europeias, americanas e japonesas. As empresas chinesas possuem poucas patentes. Temos uma estrutura de patentes, mas ela não é satisfatória.

Desvantagem 6: os requisitos para formação do fio plano são elevados e o processamento é difícil. Como o fio de cobre possui certa elasticidade, deve haver uma folga para deformação no projeto.

Desvantagem 7: o revestimento de isolamento pode gerar deformação por retração após a secagem. Se for um fio redondo, a contração será mais uniforme; já no fio plano, é fácil ocorrer danos, resultando em um rendimento muito menor do que o do fio redondo durante o processamento real.

Processo de fabricação do motor de fio plano

O principal processo de produção do estator do motor de emissão de cartões, formação do fio e moldagem do papel e inserção do papel, esses dois processos são realizados simultaneamente. Entra-se no processo de inserção do estator e, em seguida, torce-se o fio, concluindo o processo de soldagem após a torção. Após a conclusão da soldagem, o processo básico do estator do motor está concluído, seguindo-se então o revestimento e, posteriormente, o teste e verificação de desempenho. Este é o processo básico, com muitos detalhes no meio.

Processo de produção do motor de fio plano: fabricação do papel de ranhura, anel de isolamento do anel fixo, tratamento de isolamento, soldagem do ponto estrela

Situação de aplicação do motor de fio plano

A longo prazo, a miniaturização e a alta velocidade serão as principais tendências de desenvolvimento do motor de veículos elétricos, e a miniaturização exigirá necessariamente uma melhoria significativa na densidade de potência do motor. Do ponto de vista dos requisitos técnicos, "escolhas muito mais difíceis e consequências mais graves no planejamento" propuseram que a densidade de potência de pico do motor de acionamento de veículos elétricos alcance 4 kW/kg, e atualmente esse valor atinge apenas 3,2-3,3 kW/kg.

O motor com enrolamento plano já foi aplicado com sucesso no Chevrolet Volt 2, em veículos elétricos da Nissan e na quarta geração do Prius da Toyota. Trata-se de uma tendência inevitável no desenvolvimento dos motores para automóveis elétricos. Fabricantes e empresas de produção de motores como BYD, SAIC, Pequim e Precision já ingressaram no setor de novas energias e têm desenvolvido pesquisas correspondentes.

Antes de 2020, o efeito substitutivo dos motores planos sobre os motores circulares ainda não era suficientemente evidente. Graças à vantagem do tamanho reduzido dos motores de fio plano, esses motores serão priorizados para aplicação em larga escala em modelos híbridos, especialmente nos modelos plug-in. No entanto, devido a fatores políticos e de mercado domésticos, os modelos plug-in representavam uma proporção relativamente baixa. No campo da eletricidade pura, apenas o SAIC Roewe ERX 5 foi equipado com motor de fio plano, sendo pouco utilizado.

O processo de desenvolvimento da terceira geração de motores planos gerais nos dá inspiração

Motor plano geral da 1ª geração

Chevrolet Voltec, O sistema de acionamento 4ET50 (Chevrolet Voltec 4ET50-2011) é um sistema de arquitetura duplo motor. O motor B é um motor de cobre plano com potência de 110 kW, torque de 370 Nm, velocidade de 9500 rpm e relação de ranhura de 12 polos e 72 ranhuras.

O motor adota a tecnologia de enrolamento em forma de pinça de linha axial, ou seja, o enrolamento simples em forma de pinça. Esse enrolamento em forma de pinça permite que o arranjo na ranhura seja muito organizado, aumentando significativamente a taxa de preenchimento da ranhura, enquanto o conjunto final pode ser reforçado e o efeito final dessas duas melhorias é reduzir a resistência CC em 30~40%.

Embora o motor de pinça possa reduzir a resistência CC, é fácil sentir o campo elétrico da corrente parasita de alta frequência no enrolamento quando a frequência é elevada, produzindo o efeito pelicular.

A GM utilizou o modelo Voltec para calcular estatísticas da velocidade do ponto de operação do motor e determinou que a velocidade do motor é basicamente inferior a 6000 rpm sob urban2 e US06, não excedendo 8000 rpm. Ou seja, a vantagem da baixa resistência do fio plano pode ser aproveitada. Sob este aspecto, o motor de fio plano é mais adequado para aplicações de média e baixa velocidade.

Após o término do enrolamento da linha circular, é pintado e transforma-se numa peça sólida. É difícil que o óleo de arrefecimento penetre no interior. Com o calor proveniente do condutor da camada média, facilmente se forma uma ilha térmica no interior do enrolamento. O motor 4ET50 adota a tecnologia de arrefecimento por injeção de óleo na extremidade, pois existe um grande espaço entre os condutores das extremidades do fio plano, permitindo que o óleo pulverizado atravesse diretamente as extremidades do enrolamento do fio plano e remova o calor de cada condutor. A combinação entre o fio plano e o arrefecimento por óleo nas extremidades melhora significativamente a capacidade de dissipação de calor e aumenta a densidade de potência.

Motor plano de 2ª geração geral

O Spark foi lançado em 2014, e o motor principal é de 105 kW com uma rotação baixa de 4.500 rpm. A combinação tecnológica é: linha plana axial + estrutura de binário em duplo V + tecnologia de arrefecimento por injeção de óleo.

O trabalho especial no motor foi realizado pelo laboratório da GM em Wickham, um subúrbio de Detroit, e para a produção em massa em Baltimore, Maryland.

O tempo de funcionamento do motor puramente elétrico/híbrido de autonomia estendida é muito maior do que o do motor totalmente híbrido/híbrido plug-in, e os requisitos de torque e potência também são mais elevados. O híbrido de autonomia adicional geralmente escolhe a estrutura de transmissão por desvio de potência, com o motor B como motor principal de acionamento.

O sistema de acionamento do Chevrolet Walker é totalmente movido pelo motor B, portanto, o motor B precisa atender aos requisitos de aceleração e condução. Um motor B de ímã permanente com bobinagem em forma de pinça e um motor A de ímã permanente com bobinagem centralizada foram projetados para os primeiros produtos. A escolha da bobinagem concentrada se deve principalmente a limitações de espaço.

No entanto, os requisitos de condução da arquitetura do veículo da segunda geração Volt são divididos entre os motores A / B. O tamanho do motor traseiro B foi significativamente reduzido. Devido aos baixos requisitos de torque do motor A, foi projetado um motor de ferrite.

Além disso, os veículos elétricos puros normalmente utilizam um sistema de acionamento com um único motor, portanto, o motor de tração tende a ter uma capacidade maior para atender às necessidades de aceleração e condução do veículo. O motor do Chevrolet Spark elétrico puro da GM optou por um IPM de baixa velocidade e uma pequena proporção de desaceleração.

Se o enrolamento padrão de linha circular for usado como controle de referência, a resistência da linha circular é 1,44 vezes a resistência da linha plana no Voltec, enquanto a resistência da linha circular é 1,56 vezes a resistência da linha plana no Spark. Isso significa que a resistência da linha plana do Spark cai de forma ainda mais acentuada. Além dos próprios parâmetros do protocolo, esse avanço também se beneficia da maturação do processo de linha plana.

No motor Spark, a moldagem e distorção do cartão de cabelo são feitas por controle CNC de precisão + moldagem por molde. No processo de moldagem, não apenas o curso do servo é controlado, mas também é fechado um loop de feedback em tempo real. Através desses meios técnicos, consegue-se garantir a precisão da formação do enrolamento e controlar a tensão do grupo de enrolamentos, de modo que a qualidade de cada espira da bobina seja completamente consistente.

Motor de fio plano de 3ª geração em geral

Em 2017, a GM lançou o Chevrolet Blot, com torque máximo de 360 Nm, potência máxima de 150 kW, velocidade máxima de 8810 rpm e corrente de pico do motor de 400 Arms.

A relação de redução aumenta e a velocidade do motor cresce em quase 2 vezes. Quando a velocidade aumenta, o efeito de coleta da corrente alternada no condutor do motor de fio plano também aumenta em alta velocidade, levando ao aumento da resistência AC.