Introducerea avantajelor și dezavantajelor motorului cu fir plat, analiza aplicațiilor și perspectivele tendințelor de dezvoltare

În prezent, în China se acordă o mai mare atenție motorului cu fir plat, însă aplicațiile sunt mai puține, în principal din cauza perioadei scurte de dezvoltare a pieței energiei noi, iar ponderea principală a pieței este concentrată pe piața mașinilor mici. Produsele mature cu fir plat de la furnizori străini sunt utilizate în vehiculele cu energie nouă, în special în Japonia, companiile din Europa și America, Toyota și GENERAL Motors folosind motoare cu fir plat. Exemple reprezentative sunt Chevrolet VOLT (Remy Motor) și Toyota Prius (Denso), ambele folosind soluții răcite cu ulei. În afară de furnizori străini precum Remy, Dso și Hitachi, furnizorii interni cu livrări stabile sunt în principal Huayu Electric și Songzheng Motor, iar Founder Motor va urma să intre în producție în curând.

Motorul de acționare este compus în principal din componentele statorului, ansamblul rotor, capacul posterior și piesele standard auxiliare, iar înfășurarea statorului include miezul magnetic, înfășurarea din sârmă de cupru, materiale izolante etc.

După cum îi spune și numele, motorul cu sârmă plată utilizează sârmă de cupru plată în înfășurarea statorului; mai întâi se realizează înfășurarea sub forma unei perii, apoi se introduce în crestătura statorului și, în final, se sudează capetele înfășurării la celălalt capăt.

Avantajele motoarelor cu sârmă plată

Avantajul 1: la aceeași putere, volum mai mic, materiale mai puține, costuri mai reduse sau, pentru același volum, rata de umplere a crestăturii este mai mare, crește densitatea de putere. Sârma rotundă devine sârmă plată. Teoretic, în condiții de spațiu constant, motorul cu sârmă plată poate atinge o rată de umplere de 70%, iar cuprul încorporat poate crește cu 20-30%, generând o intensitate mai mare a câmpului magnetic, ceea ce este echivalent, într-o oarecare măsură, cu o creștere a puterii cu 20-30%.

Avantajul 2: performanță mai bună la temperatură. Jocul intern devine mai mic, suprafața de contact dintre linia plană și linia plană este mare, disiparea și conducerea căldurii sunt mai bune; contactul dintre înfășurare și crestătura miezului este mai bun, conducția termică este mai bună, iar motorul este foarte sensibil la disiparea căldurii și temperatură, astfel că o disipare mai bună a căldurii va îmbunătăți performanța. Prin simularea câmpului termic, s-a concluzionat că creșterea de temperatură a înfășurării motorului cu sârmă plană de cupru, având același design, este cu 10% mai mică decât în cazul motorului cu sârmă rotundă de cupru.

Avantajul 3: zgomot electromagnetic mai scăzut. Sârma plană a motorului are o rigiditate mare, este mai rigidă, ceea ce conferă o mai bună rigiditate a armăturii și reduce zgomotul armăturii; se poate folosi o crestătură de dimensiune mai mică, ceea ce reduce eficient cuplul de crestătură și, în consecință, zgomotul electromagnetic al motorului.

Avantajul 4: capăt scurt, economisește cupru, îmbunătățește eficiența. Motorul tradițional cu sârmă rotundă, din cauza problemelor de proces, are în general capătul destul de lung, altfel este ușor să deterioreze sârma de cupru în timpul procesului. În cazul motorului cu sârmă turtită, deoarece firele sunt rigide, capătul poate fi realizat mai mic la prelucrare, iar dimensiunea capătului este redusă cu 20% în comparație cu motorul cu sârmă rotundă, spațiul putând fi redus ulterior, ceea ce permite reducerea volumului sistemului și realizarea miniaturizării și ușurării.

Avantajul 5: punctul de eficiență ridicată al motorului cu sârmă turtită nu este neapărat semnificativ mai mare decât al celui cu sârmă rotundă, dar zona de eficiență ridicată poate fi extinsă mai mult.

Dezavantajele motoarelor cu sârmă turtită

Dezavantaj 1: Efectul de colectare a pielii la viteze mari. Vehiculele noi cu energie electrică necesită o densitate mare de putere pentru funcționarea la viteze mari; anterior se ajungea la 10.000 sau chiar 12.000 de rotații pe minut, iar acum se tinde spre 16.000 sau chiar 20.000. Trebuie găsite soluții bune în procesul de proiectare a motorului pentru a rezolva această problemă, ceea ce reprezintă un dezavantaj.

Dezavantaj 2: Cerințele privind sârma de cupru sunt ridicate. Producătorii interni de sârmă rotundă realizează multe astfel de produse, iar calitatea poate fi foarte bună. Există puțini producători care pot realiza motoare cu sârmă plată, cerințele fiind relativ mari, iar pentru aceasta trebuie colaborat pentru a rezolva problema materialelor.

Dezavantaj 3: Sârma plată implică multe procese de prelucrare, necesită o precizie ridicată a echipamentelor, iar investiția inițială este mare, deoarece dacă precizia nu este suficient de mare, fiabilitatea și consistența produsului vor fi relativ slabe. Companiile auto sunt îngrijorate și de fiabilitatea și stabilitatea calității.

Dezavantajul 4: proiectarea serializată este dificilă, motorul dorește reducerea costurilor, este bine să fie realizată serializarea, iar proiectarea serializată este în prezent mai slabă la motorul cu fir plat comparativ cu motorul cu fir rotund.

Dezavantajul 5: există prea multe bariere de brevet. În prezent, brevetele pentru motoarele cu fir plat sunt deținute în principal de companii europene, americane și japoneze. Companiile chineze dețin puține brevete. Avem o structură de brevete, dar nu este satisfăcătoare.

Dezavantajul 6: cerințele privind formarea firului plat sunt mari și dificil de prelucrat. Deoarece sârma de cupru are o anumită elasticitate, în proiectare trebuie să existe un adaos pentru deformare.

Dezavantajul 7: învelișul izolator va produce o deformare de contracție după uscare. Dacă este un fir rotund, contracția va fi mai uniformă, iar firul plat se deteriorează ușor, ceea ce duce la un randament mai scăzut al firului plat comparativ cu firul rotund în procesul real de prelucrare.

Procesul de producție al motorului cu fir plat

Procesul principal de producere a statorului motorului de emitere a cardurilor, formarea sârmei și modelarea hârtiei precum și introducerea hârtiei, aceste două procese fiind efectuate simultan. Urmând procesul de introducere a statorului, apoi torsiunea sârmei, după finalizarea torsiunii are loc procesul de sudare. După finalizarea sudării, procesul de bază al statorului motorului este încheiat, urmând apoi procesul de acoperire, iar în final testarea și verificarea performanțelor. Acesta este procesul de bază, cu multe detalii în mijloc.

Procesul de producție al motorului cu sârmă plată: fabricarea hârtiei pentru sloturi, inelul de izolare al inelului de emitere a cardurilor, tratarea de capăt fix, sudarea, conectarea în stea

Situația aplicării motorului cu sârmă plată

Pe termen lung, miniaturizarea, viteza mare vor fi principalele tendințe de dezvoltare ale motorului de vehicul electric, iar miniaturizarea va necesita în mod cert o îmbunătățire semnificativă a densității de putere a motorului. Din punct de vedere al cerințelor tehnice, "alegeri mult mai dificile și consecințe mai grave în planificare" au impus o nouă cerință privind densitatea de putere maximă a motorului de acționare a vehiculului electric, anume atingerea valorii de 4 kW/kg, iar în prezent această valoare ajunge doar la 3,2-3,3 kW/kg.

Motorul cu înfășurare plană este deja aplicat cu succes de producători străini precum Chevrolet Volt 2, vehiculele electrice Nissan și a patra generație Toyota Prius. Acesta este trendul firesc al dezvoltării motorului pentru automobilele noi cu energie alternativă. Atât companii precum BYD, SAIC, Beijing, cât și întreprinzătorii și producătorii din domeniul energiei alternative au lansat deja cercetări corespunzătoare.

Înainte de 2020, efectul de înlocuire a motorelor plate față de motoarele circulare nu era încă suficient de evident. Datorită avantajului dimensiunilor reduse al motoarelor cu sârmă plată, acestea vor fi prioritare pentru aplicații la scară largă în modelele hibride, în special în modelele plug-in. Cu toate acestea, din cauza politicilor și factorilor de piață interni, modelele plug-in aveau o pondere relativ scăzută. În domeniul electric pur, doar SAIC Roewe ERX 5 este echipat cu motor cu sârmă plată, fiind mai puțin utilizat.

Procesul de dezvoltare al celei de-a treia generații de motor general cu sârmă plată ne oferă nouă inspirație

Motor general cu sârmă plată de generația 1

Chevrolet Voltec, Sistemul de acționare 4ET50 (Chevrolet Voltec 4ET50-2011) este un sistem cu arhitectură dublu-motor. Motorul B este un motor cu sârmă plată tip hairpin având o putere de 110 kW, un cuplu de 370 Nm, o viteză de 9500 rpm și un raport de crestături de 12 poli la 72 de crestături.

Motorul utilizează tehnologia de înfășurare tip hairpin a liniei axiale, adică înfășurarea simplă hairpin. Această înfășurare tip hairpin face ca aranjamentul în crestătură să fie foarte ordonat, ceea ce îmbunătățește semnificativ rata de umplere a crestăturii, iar asamblul de capăt poate fi, de asemenea, întărit. Efectul final al acestor două îmbunătățiri este reducerea rezistenței electrice continue cu 30~40%.

Deși motorul hairpin poate reduce rezistența electrică continuă, este sensibil la apariția câmpului electric turbionar de înaltă frecvență în înfășurare atunci când frecvența este ridicată, producând efectul pelicular.

GM a utilizat modelul Voltec pentru a calcula statistica punctelor de funcționare ale motorului și a determinat că viteza motorului este în esență sub 6000 rpm în condițiile urbane2 și US06, nu depășind 8000 rpm. Cu alte cuvinte, poate fi valorificată avantajul rezistenței reduse al conductorului plat. Din acest punct de vedere, motorul cu fir plat este mai potrivit pentru aplicații la viteze medii și joase.

După finalizarea bobinării cu conductori rotunzi, aceasta este vopsită, devenind o structură solidă. Este dificil ca uleiul de răcire să pătrundă în interior. Datorită căldurii degajate de conductorul din stratul mijlociu, se poate forma ușor un insula termică în interiorul bobinajului. Motorul 4ET50 adoptă tehnologia de răcire prin injecție de ulei în capete, deoarece există un spațiu mare între capetele conductoarelor plate; astfel, uleiul pulverizat ajunge direct în capătul bobinajului cu sârmă plată și evacuează căldura fiecărui conductor. Combinarea sârmei plate cu răcirea cu ulei în capete poate îmbunătăți semnificativ capacitatea de disipare termică și poate crește densitatea de putere.

Motor general cu sârmă plată de generația a 2-a

Spark a fost lansat în 2014, iar propulsia principală este un motor de 105 kW cu o turație joasă de 4.500 rpm. Combinarea tehnologiilor este următoarea: sârmă plată insert axial + structură de cuplu dublu V + tehnologie de răcire prin injecție de ulei.

Lucrările speciale privind motorul au fost efectuate de laboratorul GM din Wickham, un suburb din Detroit, iar pentru producția în masă, în Baltimore, Maryland.

Timpul de funcționare al motorului electric pur/hibrid cu rază extinsă este mult mai lung decât cel al motorului hibrid complet/plug-in, iar cerințele privind cuplul și puterea sunt, de asemenea, mai mari. Hibridul cu rază suplimentară alege în general o structură de acționare cu derivare de putere, cu motorul B ca motor principal de acționare.

Sistemul de acționare al vehiculului Chevrolet Walker este propulsat integral de către motorul B, deci motorul B trebuie să îndeplinească cerințele privind accelerarea și deplasarea. Pentru primele produse au fost proiectate un motor B cu magnet permanent tip hairpin și un motor A cu magnet permanent și înfășurare concentrată. Alegerea înfășurării concentrate este determinată în principal de limitările de spațiu.

Cu toate acestea, cerințele privind arhitectura celui de-al doilea model Volt sunt împărțite între motoarele A/B. Dimensiunea motorului de la capătul B a fost redusă semnificativ. Datorită cerințelor reduse de cuplu ale motorului A, a fost proiectat un motor cu ferrit.

În plus, vehiculele electrice pure sunt de obicei utilizate cu un sistem de propulsie cu un singur motor, astfel încât motorul de tracțiune tinde să aibă o capacitate mare pentru a satisface cerințele de accelerare și de mers ale vehiculului. Motorul Chevrolet Spark electric pur al GM utilizează un IPM cu viteză redusă și un raport mic de reducere.

Dacă înfășurarea standard cu fir rotund este utilizată ca referință de control, rezistența firului rotund este de 1,44 ori mai mare decât rezistența firului plat din Voltec, în timp ce rezistența firului rotund este de 1,56 ori mai mare decât rezistența firului plat din Spark. Aceasta înseamnă că rezistența firului plat din Spark scade mai abrupt. În afară de parametrii protocolului în sine, acest progres beneficiază și de maturizarea procesului de utilizare a firului plat.

În motorul Spark, modelarea și deformarea cardului de păr sunt realizate prin control precis CNC + modelare cu matriță. În procesul de modelare, nu doar că este controlat cursa servomotorului, ci și este închis un buclă de feedback în timp real. Prin aceste mijloace tehnice, se asigură precizia formării înfășurării și se poate controla tensiunea grupului de înfășurări, astfel încât calitatea fiecărei spire a bobinei să fie complet consistentă.

Motor cu sârmă plată de generație a 3-a generală

În 2017, GM a lansat Chevrolet Blot, cu un cuplu maxim de 360 Nm, o putere maximă de 150 kW, o viteză maximă de 8810 rpm și un curent maxim al motorului de 400 Arms.

Raportul de reducere crește, iar viteza motorului crește cu aproape de 2 ori. Atunci când viteza crește, efectul de colectare a pielii conductorului motorului cu sârmă plată crește la viteze mari, determinând creșterea rezistenței alternative.