Описание преимуществ и недостатков мотора с плоским проводом, анализ применения и перспективы развития

В настоящее время в Китае большее внимание уделяется плоским проводным двигателям, но их применение пока ограничено, в основном из-за того, что рынок новых видов энергии развивается недавно, и основная рыночная доля сосредоточена на рынке микроавтобусов. Зрелые иностранные продукты с плоскими проводами используются в транспортных средствах на новых видах энергии, особенно в Японии, европейских и американских компаниях, Toyota и GENERAL Motors используют плоские проводные двигатели. Показательными примерами являются Chevrolet VOLT (Remy Motor) и Toyota Prius (Denso), в которых обе модели используют масляное охлаждение. Помимо иностранных поставщиков, таких как Remy, Dso и Hitachi, стабильные поставки отечественных поставщиков осуществляют в основном Huayu Electric и Songzheng Motor, а также Founder Motor, который скоро будет запущен в производство.

Двигатель состоит в основном из статорных компонентов, роторной сборки, крышки и вспомогательных стандартных деталей, а статорная обмотка включает сердечник, медный провод обмотки, изоляционные материалы и т.д.

Как следует из названия, двигатель с плоской обмоткой использует плоский медный провод в обмотке статора. Сначала обмотку формируют в виде, похожий на гребенку, затем вставляют в пазы статора, после чего концы гребенки приваривают с другой стороны.

Преимущества двигателей с плоской обмоткой

Преимущество 1: при одинаковой мощности двигатель имеет меньший объем, требует меньше материалов, обходится дешевле, либо при том же объеме повышается коэффициент заполнения пазов, увеличивая плотность мощности. Круглый провод заменяется на плоский. Теоретически, при неизменном пространстве, двигатель с плоским проводом может достичь 70% заполнения пазов, а количество заполненной меди может быть увеличено на 20–30%, что создает более сильное магнитное поле, что в определенной степени эквивалентно увеличению мощности на 20–30%.

Преимущество 2: улучшенная температурная производительность. Внутренний зазор становится меньше, площадь контакта между плоским проводом и плоским проводом больше, теплоотвод и теплопроводность лучше; контакт между обмоткой и пазом сердечника улучшается, теплопроводность повышается, а двигатель очень чувствителен к теплоотводу и температуре, поэтому при улучшении теплоотвода производительность возрастает. В результате моделирования температурного поля было установлено, что повышение температуры обмотки электродвигателя с плоским медным проводом при одинаковых конструктивных параметрах на 10% ниже, чем у электродвигателя с круглым медным проводом.

Преимущество 3: сниженный уровень электромагнитного шума. Плоский провод двигателя обладает большим напряжением и жесткостью, что обеспечивает лучшую устойчивость якоря и подавление шума якоря; можно использовать относительно небольшой размер паза, что эффективно снижает пульсацию момента и дополнительно уменьшает электромагнитный шум двигателя.

Преимущество 4: короткий конец, экономия меди, повышение эффективности. Традиционный двигатель с круглым проводом из-за технологических проблем, как правило, имеет довольно длинный конец, иначе в процессе производства легко повредить медный провод. Для двигателя с плоским проводом, поскольку провода являются жесткими, при обработке конец можно сделать немного меньшим, и размер конца уменьшается на 20% по сравнению с двигателем с круглым проводом, а пространство может быть дополнительно уменьшено, что позволяет дополнительно сократить объем системы и достичь миниатюризации и облегчения.

Преимущество 5: точка высокой эффективности двигателя с плоским проводом не обязательно намного выше, чем у двигателя с круглым проводом, но область высокой эффективности может быть дополнительно расширена.

Недостатки двигателей с плоским проводом

Недостаток 1: Эффект высокоскоростного нагрева обмоток. Требования к новым энергетическим транспортным средствам по высокой мощности и высокой скорости возросли. Раньше скорость составляла 10 000 или даже 12 000 об/мин, сейчас тенденция к 16 000 или даже 20 000 об/мин. В процессе проектирования двигателя необходимо найти хорошие способы решения этой проблемы, это является недостатком.

Недостаток 2: Высокие требования к медному проводу. Производители круглого медного провода в Китае хорошо развиты, качество продукции может быть очень высоким. Меньше предприятий способны производить плоский медный провод, требования к нему относительно выше, необходимо совместно решать вопросы, связанные с материалами.

Недостаток 3: У плоского провода много этапов обработки, требуется высокая точность оборудования, первоначальные инвестиции велики. Если точность оборудования недостаточна, надежность и стабильность продукции будут относительно низкими. Автомобильные компании также обеспокоены надежностью и стабильностью качества.

Недостаток 4: сложно реализовать дизайн сериализации, двигатель должен снизить стоимость, лучше всего сделать сериализацию. В настоящее время дизайн сериализации не так хорош, как у двигателя с круглым проводом.

Недостаток 5: слишком много патентных барьеров. В настоящее время патенты на двигатели с плоским проводом в основном принадлежат европейским, американским и японским предприятиям. У китайских предприятий мало патентов. У нас есть патентная схема, но она недостаточно хороша.

Недостаток 6: высокие требования к формированию плоского провода и сложность обработки. Поскольку медный провод обладает определенной упругостью, в конструкции необходимо предусматривать допуск на деформацию.

Недостаток 7: изоляционное покрытие может деформироваться при высыхании. Если провод круглый, то сокращение будет более равномерным, а плоский провод легко повредить, в результате чего выход плоского провода в реальном производстве будет намного ниже, чем у круглого провода.

Производственный процесс плоского двигателя

Основной производственный процесс статора мотора выдачи карт включает формовку провода и формовку бумажной детали, эти два процесса выполняются одновременно. Далее следует процесс вставки статора, после чего провод скручивается, по завершении скручивания выполняется процесс сварки. После окончания сварки основной процесс статора мотора завершён, далее следует покрытие, а затем тестирование и проверка рабочих характеристик. Это базовый процесс, в середине которого имеется множество деталей.

Производственный процесс плоскопроводного мотора: изготовление бумажной детали для паза, изоляционная обработка кольца выдачи карт, сварка фиксирующего кольца, соединение звездой

Ситуация применения плоскопроводного мотора

В долгосрочной перспективе миниатюризация и высокая скорость будут основными тенденциями развития двигателей новых энергетических транспортных средств, а миниатюризация обязательно потребует значительного повышения плотности мощности двигателя. С точки зрения технических требований, "гораздо более жесткие выборы и более серьезные последствия в планировании" поставили задачу достичь удельной мощности тягового двигателя новых энергетических транспортных средств на уровне 4 кВт/кг, а сейчас этот показатель составляет лишь 3,2-3,3 кВт/кг.

Двигатель с плоской обмоткой уже успешно применяется иностранными производителями, такими как Chevrolet Volt 2, электромобили Nissan и четвертое поколение Toyota Prius. Это неизбежная тенденция развития двигателей новых энергетических автомобилей. Включая BYD, SAIC, Beijing, Precision в новые энергии, производители и производственные предприятия двигателей уже запустили соответствующие исследования.

До 2020 года замещающий эффект плоских двигателей по отношению к круговым двигателям все еще не был достаточно очевидным. Благодаря преимуществу малых размеров плоские двигатели будут приоритетно применяться в гибридных моделях в крупных масштабах, особенно в подключаемых моделях. Однако из-за внутренней политики и рыночных факторов доля подключаемых моделей была относительно низкой. В области полностью электрических автомобилей только SAIC Roewe ERX 5 оснащается плоским двигателем, что используется редко.

Процесс разработки третьего поколения общего плоского двигателя дает нам вдохновение

Общая плоская машина 1-го поколения

Chevrolet Voltec. Система привода 4ET50 (Chevrolet Voltec 4ET50-2011) представляет собой систему с двойным двигателем. Двигатель B — это плоский штифтовой двигатель мощностью 110 кВт, крутящим моментом 370 Нм, скоростью 9500 об/мин и соотношением пазов 12 полюсов 72 паза.

Двигатель использует технологию обмотки типа «пинцет» с осевым штыревым подключением, то есть одиночную обмотку типа «пинцет». Такая обмотка обеспечивает очень аккуратное расположение в пазу, что значительно повышает коэффициент заполнения паза, кроме того, можно усилить сборку концов обмотки. Конечным результатом этих двух улучшений является снижение постоянного сопротивления на 30–40%.

Хотя двигатель с обмоткой типа «пинцет» может снизить постоянное сопротивление, при высокой частоте на обмотке легко возникает высокочастотное вихревое электрическое поле, вызывая поверхностный эффект.

Компания GM использовала модель Voltec для расчёта статистики рабочих точек двигателя, и было установлено, что скорость двигателя в основном ниже 6000 об/мин в условиях городского цикла 2 и US06 и не превышает 8000 об/мин. То есть можно использовать преимущество низкого сопротивления плоского провода. Исходя из этого, двигатель с плоской обмоткой более подходит для применения в средних и низких скоростных режимах.

После окончания намотки обмотки с круглым проводом ее покрывают лаком, и она превращается в единое целое. Охлаждающему маслу трудно проникнуть внутрь. Из-за тепла среднего слоя проводника внутри обмотки легко образуется тепловой островок. Двигатель 4ET50 применяет технологию охлаждения с подачей масла на торец, так как между торцами плоского провода имеется большой зазор, масло из форсунок непосредственно проникает в торец обмотки плоского провода и отводит тепло каждого проводника. Сочетание плоского провода и охлаждения маслом на торце значительно повышает теплоотвод и улучшает мощность на единицу объема.

Общий двигатель второго поколения с плоским проводом

Spark был выпущен в 2014 году, основной двигатель имеет мощность 105 кВт с низкой скоростью 4500 об/мин. Комбинация технологий: осевая укладка плоского провода + структура с двойным V-образным моментом + технология охлаждения с подачей масла

Специальная работа над двигателем была проведена в лаборатории GM в Уикхэме, пригороде Детройта, а также в Балтиморе, штат Мэриленд, для массового производства.

Время работы чисто электрического / гибридного двигателя с увеличенным запасом хода намного больше, чем у полностью / подзаряжаемого гибридного двигателя, а требования к крутящему моменту и мощности также выше. Дополнительный гибридный двигатель, как правило, использует структуру привода с отбором мощности, где в качестве основного приводного двигателя используется двигатель B.

Двигатель автомобиля Chevrolet Walker полностью приводится в движение с помощью двигателя B, поэтому двигатель B должен соответствовать требованиям ускорения и движения. Для ранних моделей был разработан двигатель B с постоянными магнитами и пазами для усовершенствованной обмотки и двигатель A с центральной обмоткой и постоянными магнитами. Выбор обмотки с сосредоточенными катушками обусловлен в первую очередь ограничением пространства.

Однако требования к приводу архитектуры автомобиля второго поколения Volt распределяются между двигателями A/B. Размер концевого двигателя B значительно уменьшен. Из-за низких требований к крутящему моменту двигателя A, был разработан двигатель с ферритовым магнитом.

Кроме того, у чистых электромобилей обычно используется одиночная система привода, поэтому двигатель должен обладать большой мощностью, чтобы удовлетворять потребности ускорения и движения автомобиля. В чистом электромобиле Chevrolet Spark от GM был выбран низкооборотистый IPM-двигатель и малое передаточное число редуктора.

Если в качестве контрольного стандарта использовать обмотку стандартной круглой проволокой, то сопротивление круглой проволоки в Voltec в 1,44 раза выше, чем у плоской проволоки, тогда как в Spark сопротивление круглой проволоки в 1,56 раза выше, чем у плоской проволоки. Это означает, что сопротивление плоской проволоки Spark падает более резко. Помимо самих параметров протокола, этот прогресс также связан с усовершенствованием технологии плоской проволоки.

В двигателе Spark формовка и деформация карточки выполняются с помощью прецизионного управления CNC + формовки с использованием пресс-форм. В процессе формовки контролируется не только ход сервопривода, но и осуществляется замыкание контура с обратной связью в реальном времени. Благодаря этим техническим средствам обеспечивается точность формовки обмотки, а также контролируется напряжение обмоточной группы, что позволяет добиться полной идентичности качества каждой катушки.

Общий плоско-проволочный двигатель третьего поколения

В 2017 году GM представил Chevrolet Blot с пиковым крутящим моментом 360 Нм, максимальной мощностью 150 кВт, пиковой скоростью 8810 об/мин и пиковым током двигателя 400 Arms.

Передаточное число редуктора увеличивается, скорость двигателя возрастает почти в 2 раза. При увеличении скорости эффект поверхностной концентрации проводника плоского провода увеличивается на высоких скоростях, что приводит к увеличению переменного сопротивления.