Uvod u prednosti i mane motora sa ravnom žicom, analiza primene i perspektive razvojnog trenda

Тренутно су у Кини значајнији мотори са равним жицама, али је њихова примена мања, највише због кратког раздобља развоја нових енергетских тржишта, где је углавном тржишни део концентрисан на микро путничка возила. Зрела страна производа са равним жицама користе се у возилима на нове енергије, посебно у Јапану, европским и америчким предузећима, а Тойота и Џенерал Моторс користе моторе са равним жицама. Репрезентативни примери су Chevrolet VOLT (Remy Motor) и Toyota Prius (Denso), где оба користе решења са уљним хлађењем. Поред страних добрављача као што су Remy, Dso и Hitachi, домаћи добрављачи са стабилним испорукама су углавном Huayu Electric и Songzheng Motor, као и Founder Motor који ће ускоро бити у производњи.

Погонски мотор се углавном састоји од статорских делова, роторског склопа, крајње поклопца и помоћних стандардних делова, а статорно намотавање обухвата језгро, намотај од бакарне жице, изолационе материјале итд.

Kao što samo ime sugeriše, motor sa ravnom žicom koristi ravnu bakarnu žicu u statorskom namotaju, prvo se pravi namotaj u obliku nalik na četkicu za kosu, zatim se provlači u statorski žleb i na kraju se zavaruju krajevi četkice za kosu na drugom kraju.

Prednosti motora sa ravnom žicom

Prednost 1: ista snaga, manja zapremina, manje materijala, niža cena, ili ista zapremina, povećan stepen ispunjenosti žleba, povećana gustina snage. Okrugla žica postaje ravna žica. Teoretski, uz uslov nepromenjenog prostora, motor sa ravnom žicom može postići 70% stepena ispunjenosti žleba, a količina bakra koja se može uneti može se povećati za 20–30%, čime se postiže jače magnetno polje, što je do izvesnog stepena ekvivalentno povećanju snage za 20–30%.

Prednost 2: bolje performanse u pogledu temperature. Unutrašnji razmak je manji, površina kontakta između ravne žice i ravne žice je veća, što poboljšava odvođenje toplote i provođenje toplote; kontakt između namotaja i jezgra je bolji, što omogućava bolje provođenje toplote. Motor je veoma osetljiv na hlađenje i temperaturu, pa bolje hlađenje dovodi do boljih performansi. Na osnovu simulacije temperaturnog polja, zaključeno je da je povećanje temperature namotaja motora od ravne bakarne žice istog dizajna za 10% niže u odnosu na motor sa okruglom bakarnom žicom.

Prednost 3: niži elektromagnetni šum. Ravna žica motora ima veći napon i veću krutost, što povećava krutost armature i smanjuje njen šum; moguće je koristiti relativno manju veličinu žljebova, čime se efikasno smanjuje moment u žljebovima i dodatno smanjuje elektromagnetni šum motora.

Prednost 4: Kratki kraj, ušteda u bakru, poboljšana efikasnost. Kod tradicionalnog motora sa okruglim žicom, zbog tehnoloških problema, kraj je obično relativno dug, inače postoji rizik oštećenja bakarne žice u procesu. Kod motora sa ravnom žicom, budući da su žice krute, kraj može biti nešto kraći tokom obrade, a u poređenju sa motorima sa okruglom žicom, veličina kraja se smanjuje za 20%, a prostor može biti dodatno smanjen, što omogućava dalje smanjenje zapremine sistema i postizanje miniaturizacije i smanjenja mase.

Prednost 5: Tačka visoke efikasnosti kod motora sa ravnom žicom nije nužno znatno viša u odnosu na okruglu žicu, ali se područje visoke efikasnosti može dodatno proširiti.

Nedostaci motora sa ravnom žicom

Nedostatak 1: Efekat prikupljanja kore na visokim brzinama. Novim energetskim vozilima potrebna je visoka gustina snage za rad na visokim brzinama, ranije je bilo do 10.000 ili čak 12.000 obrtaja, sada ide ka pravcu od 16.000 ili čak 20.000 obrtaja. Potrebno je pronaći dobre načine za rešavanje ovog problema u procesu projektovanja motora, što je loša strana.

Nedostatak 2: Zahtevi za bakarnim žicama su visoki, kod okruglih žica motori koriste domaće proizvođače koji mogu pružiti vrlo kvalitetan materijal. Proizvođača koji mogu da izrade motor sa ravnom žicom nema mnogo, zahtevi su relativno visoki, pa je potrebno zajednički rešavati pitanje materijala.

Nedostatak 3: Ravna žica ima mnogo procesa obrade, zahtevana je visoka tačnost opreme, a početna investicija je velika, jer ako tačnost nije dovoljna, pouzdanost i konzistentnost proizvoda će biti relativno loše. Kompanije proizvođači automobila takođe se boje pouzdanosti i stabilnosti kvaliteta.

Nedostatak 4: dizajn serijalizacije je težak, motor želi da smanji troškove, dobro je napraviti serijalizaciju, dizajn serijalizacije je trenutno ravnih žica slabiji nego kod motora sa okruglim žicama.

Nedostatak 5: Postoji previše patentnih barijera. Trenutno su patenti za motore sa ravnim žicama uglavnom u vlasništvu evropskih, američkih i japanskih kompanija. Kineske kompanije imaju malo patenata. Mi imamo raspored patenata, ali nije zadovoljavajući.

Nedostatak 6: zahtevi za oblikovanje ravne žice su visoki i teškoća u obradi. Pošto bakarna žica ima određenu elastičnost, mora postojati dozvoljeni iznos deformacije u dizajnu.

Nedostatak 7: izolacioni premaz će se skupiti nakon sušenja. Ako je žica okrugla, skupljanje će biti ravnomernije, dok je kod ravne žice lako oštetiti, što u praksi znači da je prinos ravne žice znatno niži u odnosu na okruglu žicu.

Proces proizvodnje motora sa ravnom žicom

Главни процес производње статора мотора за издавање картица, обликовање жице и ваљкање папира и убацивање папира, ове две операције се изводе истовремено. Улазак у процес убацивања статора, а затим извлачење жице, завршетак извлачења и заваривање. По завршетку заваривања, процес статора мотора је у основи завршен, затим пресликавање, а затим тестирање и верификација перформанси. Ово је основни процес, са много детаља у средини.

Процес производње мотора са равном жицом: производња папира за слотове, изоловање кардираног прстена, заваривање фиксног прстена, спајање у звезду

Примена мотора са равном жицом

Na duži rok, miniaturizacija, visoka brzina će biti glavni trend razvoja motora za vozila na nova energenta, a miniaturizacija nužno zahteva da gustina snage motora bude znatno poboljšana, sa tehničkog aspekta, "mnogo važniji izbori i ozbiljnije posledice u planiranju" postavljaju zahtev da vršna gustina snage pogonskog motora kod vozila na alternativnu energiju dostigne 4 kW/kg, dok trenutno ovi podaci dostižu samo 3,2-3,3 kW/kg.

Motor sa ravnom žicom kod motora je već uspešno primenjen kod stranih proizvođača kao što su Chevrolet Volt 2, Nissan električna vozila, Toyota-četvrta generacija Priusa, i to je neizbežan trend u razvoju motora za vozila na nova energenta, uključujući BYD, SAIC, Beijing, Precision u oblasti novih energenata, proizvođači i proizvodna preduzeća su već pokrenula odgovarajuća istraživanja.

Pre 2020. godine, zamenski efekat ravanih motora u odnosu na kružne motore nije bio dovoljno izražen. Zahvaljujući prednosti male veličine ravnih motora, oni će biti prioritetno korišćeni u hibridnim modelima, naročito u plug-in modelima. Međutim, zbog domaćih političkih i tržišnih faktora, plug-in modeli su imali relativno mali udeo. U oblasti čiste električne energije, samo SAIC Roewe ERX5 je opremljen ravnim motorom, pri čemu je njihova upotreba bila ograničena.

Proces razvoja treće generacije univerzalnih ravnih motora daje nam nadahnuće

Univerzalna ravan motorna tehnologija prve generacije

Chevrolet Voltec, Sistem pogona 4ET50 (Chevrolet Voltec 4ET50-2011) je sistem sa dva motora. Motor B je ravan motor sa presecima žice, snage 110 kW, obrtnog momenta 370 Nm, brzine 9500 o/min i odnosom utora 12 polova i 72 utora.

Motor koristi tehnologiju namotaja u obliku čađe (hairpin) aksijalne utikačke linije, to jest, pojedinačni namotaj u obliku čađe. Ovaj namotaj u obliku čađe omogućava vrlo uredan raspored u žljebu, što značajno poboljšava koeficijent ispunjenosti žljeba, dok se završna montaža može pojačati, a konačni efekat ove dve poboljšanja jeste smanjenje jednosmerne otpornosti za 30~40%.

Iako motor sa čađom može smanjiti jednosmernu otpornost, pri visokim frekvencijama lako se oseća visokofrekventno vrtložno električno polje na namotaju, pri čemu se javlja efekat kože.

GM je koristio Voltec model za izračunavanje statistike brzine rada motora i utvrdio da je brzina motora u gradskim uslovima 2 i US06 uglavnom ispod 6000 o/min, ne više od 8000 o/min. To jest, prednost niske otpornosti ravne žice može se iskoristiti. Sa ovog aspekta, motor sa ravnom žicom više je pogodan za primene srednjih i niskih brzina.

Nakon završetka namotavanja krajeva žice, nanosi se sloj laka koji čini čvrsto jedinstvo. Hlađenje uljem postaje teško usled nedostatka poroznosti. Toplota srednjeg sloja provodnika lako stvara toplotne ostrvlje unutar namotaja. Motor 4ET50 koristi tehnologiju hlađenja uljem na krajevima, jer između krajeva ravne žice postoji velika rupa kroz koju ulje direktno prodire u kraj ravne žice i odvodi toplotu sa svakog provodnika. Kombinacija ravne žice i hlađenja uljem na krajevima značajno poboljšava sposobnost odvođenja toplote i povećava snagu po jedinici zapremine.

Opšta generacija ravne žice drugog tipa

Spark je puštena 2014. godine, a glavni pogon je motor od 105 kW sa niskom brzinom od 4.500 o/min. Kombinacija tehnologija uključuje: aksijalno umetanje ravne žice + strukturu momenta sa dvostrukim V + tehnologiju hlađenja uljem.

Posebne radove na motoru sproveo je GM laboratorija u Vichamu, predgrađu Detroita, a za masovnu proizvodnju u Baltimoru, Merilend.

Trajanje rada čisto električnog / hibridnog motora sa produženim dometom je znatno duže u odnosu na trajanje rada potpunog / utikačnog hibridnog motora, a i zahtevi za obrtnim momentom i snagom su viši. Hibrid sa dodatnim dometom generalno koristi strukturu pogona sa razdvajanjem snage, sa B motorom kao glavnim pogonskim motorom.

Pogonski sistem Čevela Ker je potpuno pokretan B motorom, pa B motor mora da ispunjava zahteve ubrzanja i vožnje. Za rane proizvode dizajnirani su B motor sa stalnim magnetom u obliku potkove i A motor sa centralizovanim namotajem stalnog magneta. Izbor koncentrovanog namotaja u velikoj meri je određen ograničenjem prostora.

Međutim, zahtevi za pogon kod arhitekture vozila druge generacije Volta podeljeni su na A / B motore. Veličina motora na kraju B značajno je smanjena. Zbog niskih zahteva u pogledu obrtnog momenta motora A, dizajniran je feritni motor.

Pored toga, kod čistih električnih vozila najčešće se koristi jednomotorni pogonski sistem, pa pogonski motor teži ka većoj snazi kako bi zadovoljio potrebe ubrzanja i pogona vozila. Kod čistog električnog vozila Chevrolet Spark, GM je izabrao niskobrzinski IPM motor i malo prenosno odnose reduktora.

Ukoliko se standardna kružna žica uzme kao referentna kontrola, otpor kružne žice je 1,44 puta veći od otpora ravne žice u sistemu Voltec, dok je kod kružne žice otpor 1,56 puta veći od otpora ravne žice u sistemu Spark. To znači da otpor ravne žice kod Sparka opada strmije. Osim samih parametara protokola, ovaj napredak je takođe posledica zrelosti procesa izrade ravne žice.

У мотору Spark, обликовање и деформација картице за косу се врши путем CNC прецизног управљања + обликовањем помоћу калупа. У процесу обликовања, контролише се не само пут серво мотора, већ и затвара се стварна контурна петља. Помоћу ових техничких средстава, осигурава се прецизност обликовања намотаја и могућност контроле напона у групи намотаја, тако да је квалитет сваког навоја потпуно исти.

Општи мотор са равним жицама треће генерације

Године 2017. GM је објавио Chevrolet Bolt, са вршним обртним моментом од 360 Nm, вршном снагом од 150 kW, вршном брзином од 8810 rpm и вршном струјом мотора од 400 Arms.

Преносни однос редуктора се повећава, а брзина мотора се повећава за скоро 2 пута. Када се брзина повећа, ефекат коже код проводника равног мотора на високим брзинама се повећава, што доводи до повећања AC отпора.