Úvod výhod a nevýhod plochého drôtového motora, analýza aplikácie a perspektíva vývojového trendu

V súčasnosti sú ploché vinutia motorov viac diskutované v Číne, ale ich aplikácia je zatiaľ obmedzená, hlavne preto, že trh s novými zdrojmi energie má krátku históriu vývoja a hlavný podiel na trhu je sústredený v segmente mikro dodávkových automobilov. V zahraničí sú vyspelé produkty plochých vinutí motorov používané v nových energetických vozidlách, najmä v Japonsku, Európe a amerických podnikoch, Toyota a General Motors používajú ploché vinutia motorov. Reprezentatívne príklady sú Chevrolet VOLT (Remy Motor) a Toyota Prius (Denso), ktoré oba využívajú olejom chladené riešenia. Okrem zahraničných dodávateľov ako Remy, Dso a Hitachi, domáci dodávatelia s stabilnými dodávkami sú hlavne Huayu Electric a Songzheng Motor, a Founder Motor, ktorý bude čoskoro uvedený do výroby.

Pohonový motor je hlavne zložený zo súčiastok statora, rotora, koncového krytu a pomocných štandardných dielov, pričom vinutie statora zahŕňa magnetické jadro, vinutie z medeného drôtu, izolačné materiály atď.

Ako už názov napovedá, plochý drôtový motor využíva plochý medený drôt vo vinutí statora. Najskôr sa vinutie vyrobí do tvaru podobného ako hrebová kefka, potom sa zasunie do drážky statora a nakoniec sa na druhom konci zvári koniec hrebovky.

Výhody plochých drôtových motorov

Výhoda 1: pri rovnakom výkone menší objem, menej materiálu, nižšie náklady, alebo pri rovnakom objeme sa zvýši faktor výplne drážky, čo zvyšuje výkonovú hustotu. Kruhový drôt sa mení na plochý drôt. Teoreticky za predpokladu rovnakého priestoru, plochý drôtový motor môže dosiahnuť 70 % výplne drážky, množstvo vloženého medi sa môže zvýšiť o 20–30 %, čo vytvára silnejšie magnetické pole, čo je do istej miery ekvivalentné zvýšeniu výkonu o 20–30 %.

Výhoda 2: lepšie tepelné vlastnosti. Vnútorná medzera sa zmenšuje, plocha styku medzi plochým vodičom a plochým vodičom je väčšia, čo zabezpečuje lepšie odvádzanie tepla a vedenie tepla; styk medzi vinutím a žľebom magnetického obvodu je lepší, čo zabezpečuje lepšiu tepelnú vodivosť. Elektrický motor je veľmi citlivý na odvod tepla a teplotu, pri lepšom odvádzaní tepla sa zlepšujú jeho vlastnosti. Na základe simulácie teplotného poľa bolo zistené, že teplotné stúpanie vinutia elektromotora s plochým medeným vodičom je pri rovnakom návrhu o 10 % nižšie než u elektromotora s kruhovým medeným vodičom.

Výhoda 3: nižší elektromagnetický hluk. Plochý vodič elektromotora má väčšie napätie a väčšiu tuhosť, čo zabezpečuje lepšiu tuhosť kotvy a tlmenie hluku kotvy; je možné použiť relatívne menšiu veľkosť žľeba, čo efektívne znižuje moment zubov a ďalej zníži elektromagnetický hluk elektromotora.

Výhoda 4: krátky koniec, úspora medi, zvýšenie účinnosti. Tradičný motor s kruhovým vinutím má kvôli výrobným problémom zvyčajne pomerne dlhý koniec, inak je možné počas výroby poškodiť medený vodič. U plochého vinutia je koniec vďaka tuhým vodičom pri výrobe možné vyhotoviť trochu kratší, čím sa veľkosť konca zmenší o 20 % v porovnaní s kruhovým vinutím. Tým sa dá ďalej znížiť priestorové nároky a zabezpečiť miniaturizáciu a ľahkosť systému.

Výhoda 5: bod maximálnej účinnosti plochého vinutia nemusí byť oveľa vyšší ako u kruhového vinutia, avšak oblasť vysokých účinností môže byť ďalej rozšírená.

Nevýhody motorov s plochým vinutím

Nevýhoda 1: Efekt snímania povrchu pri vysokých rýchlostiach. Nové energetické vozidlá majú vysoké požiadavky na výkonovú hustotu pri vysokých rýchlostiach – predtým bolo 10 000 alebo dokonca 12 000, teraz smerujeme k 16 000 alebo dokonca 20 000. V procese návrhu motora je potrebné nájsť niektoré dobré spôsoby, ako to vyriešiť, čo je nevýhoda.

Nevýhoda 2: Vysoké požiadavky na medený drôt. Domáci výrobcovia súčasne vyrábajú viac drôtu okrúhleho tvaru, kvalita môže byť veľmi dobrá. Výrobcov schopných vyrábať drôt plochého tvaru je málo, požiadavky sú relatívne vysoké a potrebujeme spoločne vyriešiť otázku materiálu.

Nevýhoda 3: Plochý drôt má veľa výrobných krokov, vyžaduje si vysokú presnosť zariadení a vysoké počiatočné investície, pretože ak nie je dosiahnutá dostatočná presnosť, spoľahlivosť a konzistencia výrobku budú relatívne slabé. Automobilové spoločnosti majú tiež obavy o spoľahlivosť a stabilitu kvality.

Nevýhoda 4: sériový dizajn je ťažký, motor má znížiť náklady, dobré je urobiť sériovo, sériový dizajn je momentálne horší ako u kruhového motora.

Nevýhoda 5: existuje príliš veľa patentových bariér. V súčasnosti sú hlavné patenty na plochý motor v európskych, amerických a japonských podnikoch. Čínske podniky majú málo patentov. Máme patentové usporiadanie, ale nie je uspokojivé.

Nevýhoda 6: požiadavky na tvorenie plochého vodiča sú vysoké a spracovanie je zložité. Pretože medený vodič má určitú pružnosť, vo výkresovej dokumentácii musí byť rezerva na deformáciu.

Nevýhoda 7: izolačný povlak sa po vysušení skrúti. Ak je vodič kruhový, skrútenie bude rovnomernejšie, pri plochom vodiči je ľahké poškodenie, v dôsledku čoho je v skutočnom spracovaní výnos plochého vodiča oveľa nižší ako kruhového vodiča.

Výrobný proces plochého motora

Hlavný výrobný proces statora motora na vydávanie kariet, tvárnenie drôtu a výroba papierových vložiek a vkladanie papiera, tieto dva procesy prebiehajú súčasne. Následne prebieha proces vkladania statora a potom skrutkovanie drôtu, po skončení skrutkovania nasleduje zvárací proces. Po dokončení zvárania je základný proces statora motora dokončený, nasleduje potom povrchová úprava a následne testovanie výkonu a overenie. Toto je základný proces, pričom medzi tým je veľa detailov.

Výrobný proces plochého drôtového motora: výroba izolačného papiera do drážok, výroba izolačného kruhu, pevné zváranie koncového kruhu, hviezdicové pripojenie

Použitie plochého drôtového motora

Na dlhú trať budú miniaturizácia a vysoká rýchlosť hlavným vývojovým trendom elektromotorov pre vozidlá na nové energie a miniaturizácia bude musieť vyžadovať výrazné zvýšenie výkonového výkonu motora. Z pohľadu technických požiadaviek dokument „Výber je dôležitejší a dôsledky sú závažnejšie pri plánovaní“ vyžaduje, aby špičková výkonová hustota pohonového motora dosiahla 4 kW/kg, avšak v súčasnosti sa táto hodnota pohybuje len okolo 3,2-3,3 kW/kg.

Motory s plochým vinutím sú úspešne využívané v zahraničných výrobcoch, ako napríklad Chevrolet Volt 2, Nissan elektrické vozidlá, Toyota generácia prius 4. Tento typ elektromotorov predstavuje nevyhnutný trend vývoja elektromotorov pre vozidlá na nové energie. Spoločnosti, ako BYD, SAIC, Beijing, Precision do New Energy, výrobcovia vozidiel a výrobné podniky súvisiace s elektromotormi, už zahájili príslušný výskum.

Pred rokom 2020 nahrádzajúci efekt plochých motorov za kruhové motory ešte nie je dostatočne zrejmý. Vďaka výhode malých rozmerov plochých motorov budú ploché motory preferované pre masové nasadenie v hybridných modeloch, najmä v zásuvných modeloch. Vďaka domácim politickým a trhovým faktorom však zásuvné modely predstavovali relatívne nízky podiel. V oblasti čistej elektriny je plochým motorom vybavený len model SAIC Roewe ERX 5, čo sa využíva menej často.

Vývojový proces tretjej generácie všeobecného plochého motora nám prináša inšpiráciu

Všeobecný plochý motor prvej generácie

Chevrolet Voltec, Pohonový systém 4ET50 (Chevrolet Voltec 4ET50-2011) je duálny motorový architektonický systém. Motor B je plochý vinutý motor s výkonom 110 kW, krútiacym momentom 370 Nm, otáčkami 9500 ot/min a počtom zubov 12 pólov a 72 drážok.

Motor využíva technológiu vinutia tvaru písmena U (hairpin) axiálneho vloženého vedenia, t. j. jednoduché vinutie tvaru písmena U. Toto vinutie umožňuje veľmi úprne usporiadanie v drážke, čo výrazne zvyšuje výplňový faktor drážky, zároveň je možné posilniť koncovú sústavu. Konečným výsledkom týchto dvoch vylepšení je zníženie odporu jednosmerného prúdu o 30–40 %.

Hoci motor s vinutím tvaru písmena U dokáže znížiť odpor jednosmerného prúdu, pri vysokých frekvenciách môže byť na vinutí ľahko vyvolané vírivé elektrické pole s vysokou frekvenciou, čo spôsobuje kožný efekt.

Spoločnosť GM použila model Voltec na výpočet štatistiky rýchlosti pracovného bodu motora a zistila, že rýchlosť motora je v režime jazdy v meste2 a US06 základne nižšia ako 6 000 ot./min, maximálne do 8 000 ot./min. Inými slovami, môže byť využitý výhodne nízky odpor plochého vodiča. Z tohto pohľadu je motor s plochým vodičom vhodnejší pre aplikácie strednej a nízkej rýchlosti.

Po skončení vinutia koncového línie je natretá, čím vznikne pevný celok. Chladiacemu oleju je potom ťažké preniknúť dovnútra. Vďaka teplu strednej vrstvy vodiča sa vo vnútri vinutia ľahko vytvára tepelný ostrov. Motor 4ET50 využíva technológiu chladenia olejom na koncoch, pretože medzi koncovými vodičmi plochého vodiča je veľká medzera, olej z trysky priamo preniká do konca vinutia plochého vodiča a odvádza teplo z každého vodiča. Kombinácia plochého vodiča a chladenia olejom na koncoch výrazne zvyšuje odvod tepla a zlepšuje výkonovú hustotu.

Bežný motor 2. generácie s plochým vodičom

Spark bol uvedený v roku 2014 a hlavný pohon tvorí motor s výkonom 105 kW a nízkymi otáčkami 4 500 ot./min. Kombinácia technológií je nasledovná: axiálne vložený plochý vodič + konštrukcia s dvojitým V krútiacim momentom + technológia chladenia olejom.

Špeciálne práce na motore vykonával laboratórium GM vo Wickham, predmestí Detroitu, a pre sériovú výrobu v Baltimore, v štáte Maryland.

Prevádzkový čas čisto elektrického / rozšíreného hybridného motora je oveľa dlhší ako u plného / zásuvného hybridného motora a aj požiadavky na krútiaci moment a výkon sú vyššie. Hybrid s rozšíreným dojazdom vo všeobecnosti využíva štruktúru pohonu s rozdelením výkonu, pričom B motor je hlavný pohonný motor.

Pohonný systém Chevrolet Walker je celý poháňaný B motorom, preto B motor musí spĺňať požiadavky na zrýchlenie a pohon. Pre rané produkty boli navrhnuté B motor s permanentným magnetom a s vinutím typu hairpin a A motor s permanentným magnetom a centrálnym vinutím. Voľba koncentrovaného vinutia vychádza hlavne z dôvodu obmedzeného priestoru.

Však druhá generácia Volt vozidla architektúra pohonu požiadavky sú rozdelené medzi motory A / B. Veľkosť koncového B motora bola výrazne znížená. Vďaka nízkym požiadavkám na krútiaci moment motora A, bol navrhnutý feritový motor.

Okrem toho sú čisté elektrické vozidlá zvyčajne používané s jednomotorovým pohonom, takže pohonný motor má väčšiu kapacitu, aby vyhovoval požiadavkám na zrýchlenie a pohon vozidla. Elektrický Chevrolet Spark od spoločnosti GM si vybral nízkoobrátkový IPM a malý pomer spomalenia.

Ak sa ako referenčná kontrola použije štandardná kruhová cievka, odpor kruhovej cievky je vo Voltec 1,44-násobok odporu plochej cievky, zatiaľ čo odpor kruhovej cievky je v Sparku 1,56-násobok odporu plochej cievky. To znamená, že odpor plochej cievky v Spark klesá prudšie. Okrem samotných protokolárskych parametrov má na tento pokrok tiež podiel zrelosť plochej cievky.

V motore Spark sú vytváranie tvaru a deformácia vložky vykonávané pomocou CNC presného riadenia + lisovania formou. Počas procesu lisovania sa okrem riadenia zdvihu servomotora zabezpečuje aj uzavretie rebríčka s reálnym spätným väzbou. Prostredníctvom týchto technických prostriedkov sa zabezpečuje presnosť vytvárania vinutia a zároveň sa môže regulovať napätie vinutia, čím je kvalita každej cievky úplne rovnaká.

Bežný plochý motor 3. generácie

V roku 2017 predstavila spoločnosť GM model Chevrolet Blot s maximálnym krútiacim momentom 360 Nm, maximálnym výkonom 150 kW, maximálnou rýchlosťou 8810 ot./min a maximálnym prúdom motora 400 Arms.

Pomer prevodovky sa zvyšuje a rýchlosť motora stúpa takmer dvojnásobne. Keď sa rýchlosť zvyšuje, efekt pokožky vodiča plochého motora sa zvyšuje pri vysokej rýchlosti, čo vedie k nárastu striedavého odporu.