การแนะนำข้อดีและข้อเสียของมอเตอร์แบบฟลัตไวร์ การวิเคราะห์การประยุกต์ใช้งาน และแนวโน้มการพัฒนาในอนาคต

ปัจจุบันในประเทศจีนให้ความสนใจมอเตอร์แบบใช้ลวดแบนมากขึ้น แต่การประยุกต์ใช้งานยังมีจำกัด เนื่องจากตลาดพลังงานใหม่มีระยะเวลาการพัฒนาที่ยังสั้น และส่วนแบ่งตลาดหลักมีการกระจุกตัวอยู่ในตลาดรถยนต์นั่งโดยสารขนาดเล็ก ผลิตภัณฑ์มอเตอร์แบบใช้ลวดแบนที่มีความสุกงอมจากต่างประเทศถูกนำไปใช้ในยานพาหนะพลังงานใหม่ โดยเฉพาะในบริษัทจากญี่ปุ่น ยุโรป และอเมริกา เช่น Toyota และ General Motors ซึ่งต่างใช้มอเตอร์แบบใช้ลวดแบน โดยตัวอย่างที่เป็นตัวแทนคือ Chevrolet VOLT (Remy Motor) และ Toyota Prius (Denso) ซึ่งทั้งสองรุ่นใช้ระบบระบายความร้อนด้วยน้ำมัน นอกจากซัพพลายเออร์จากต่างประเทศเช่น Remy, Dso และ Hitachi แล้ว ซัพพลายเออร์ในประเทศที่มีการจัดส่งอย่างต่อเนื่องและมั่นคง ได้แก่ Huayu Electric และ Songzheng Motor ส่วน Founder Motor กำลังจะเริ่มการผลิตในเร็วๆ นี้

มอเตอร์ขับเคลื่อนประกอบด้วยชุดสเตเตอร์ (stator components) ชุดโรเตอร์ (rotor assembly) ฝาครอบปลาย (end cover) และชิ้นส่วนมาตรฐานเสริม โดยขดลวดสเตเตอร์รวมถึงแกนเหล็ก (iron core) ขดลวดลวดทองแดง (copper wire winding) วัสดุฉนวน (insulation materials) เป็นต้น

ตามชื่อที่แนะนำ ตัวมอเตอร์แบบลวดแบนใช้ลวดทองแดงแบนในขดลวดสเตเตอร์ โดยเริ่มจากการทำขดลวดให้เป็นรูปร่างคล้ายหวี จากนั้นสอดเข้าไปในร่องสเตเตอร์ แล้วจึงเชื่อมปลายของหวีดังกล่าวเข้าด้วยกันที่อีกด้านหนึ่ง

ข้อดีของมอเตอร์แบบลวดแบน

ข้อได้เปรียบ 1: พลังงานเท่ากัน แต่ขนาดเล็กลง ใช้วัสดุน้อยลง ต้นทุนต่ำลง หรือขนาดเท่ากัน แต่เพิ่มอัตราการเติมถังจนเต็ม และเพิ่มความหนาแน่นของพลังงาน สายไฟกลมกลายเป็นสายไฟแบน โดยทฤษฎีแล้วภายใต้เงื่อนไขที่พื้นที่คงที่ เครื่องยนต์ไฟฟ้าแบบเส้นแบนสามารถบรรลุอัตราการเติมถังจนเต็มได้ถึง 70% และเพิ่มปริมาณทองแดงที่บรรจุได้ 20-30% ทำให้เกิดความเข้มของสนามแม่เหล็กที่สูงขึ้น ซึ่งในระดับหนึ่งเทียบเท่ากับการเพิ่มกำลังพลังงาน 20-30%

ข้อได้เปรียบข้อที่ 2: ประสิทธิภาพด้านอุณหภูมิดีขึ้น เนื่องจากช่องว่างภายในมีขนาดเล็กลง พื้นที่สัมผัสระหว่างเส้นลวดแบนกับเส้นลวดแบนมีขนาดใหญ่ ทำให้การระบายความร้อนและการนำความร้อนดีขึ้น นอกจากนี้ การสัมผัสระหว่างขดลวดกับร่องแกนทำได้ดีขึ้น ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการนำความร้อน และมอเตอร์มีความไวต่อการระบายความร้อนและอุณหภูมิเป็นพิเศษ ดังนั้นเมื่อระบายความร้อนได้ดีขึ้น ประสิทธิภาพโดยรวมก็จะดีขึ้นตามไปด้วย จากการจำลองสนามอุณหภูมิ พบว่าอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นของขดลวดมอเตอร์ที่ใช้ลวดทองแดงแบนในแบบการออกแบบเดียวกันนั้นต่ำกว่ามอเตอร์ที่ใช้ลวดทองแดงกลมประมาณ 10%

ข้อได้เปรียบข้อที่ 3: เสียงรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าน้อยลง ลวดมอเตอร์แบนมีแรงดึงสูงและมีความแข็งแรงสูง ทำให้อาร์เมเจอร์มีความแข็งแกร่งดีขึ้น จึงสามารถลดเสียงรบกวนของอาร์เมเจอร์ได้ สามารถใช้ขนาดร่องสัมพัทธ์ที่เล็กลง ลดแรงบิดร่องได้อย่างมีประสิทธิภาพ และลดเสียงรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าของมอเตอร์ได้เพิ่มเติม

ข้อได้เปรียบ 4: ปลายสั้น ประหยัดทองแดง เพิ่มประสิทธิภาพ มอเตอร์แบบลวดกลมดั้งเดิม เนื่องจากปัญหาด้านกระบวนการผลิต ปลายของมอเตอร์มักจะยาวค่อนข้างมาก มิฉะนั้นจะเกิดการชำรุดของลวดทองแดงได้ง่ายในระหว่างกระบวนการผลิต ส่วนมอเตอร์แบบลวดแบน เนื่องจากเส้นลวดมีความแข็งแรง จึงสามารถทำปลายให้เล็กลงได้เล็กน้อยในระหว่างการผลิต โดยขนาดของปลายจะลดลงประมาณ 20% เมื่อเทียบกับมอเตอร์แบบลวดกลม และสามารถลดพื้นที่ได้มากยิ่งขึ้น ซึ่งช่วยลดขนาดระบบโดยรวม ทำให้ระบบมีขนาดเล็กลงและเบากว่าเดิม

ข้อได้เปรียบ 5: จุดประสิทธิภาพสูงของมอเตอร์แบบลวดแบน อาจไม่ได้สูงกว่าลวดกลมมากนัก แต่สามารถเพิ่มพื้นที่ประสิทธิภาพสูงให้กว้างขึ้นได้อีก

ข้อเสียของมอเตอร์แบบลวดแบน

ข้อเสียข้อที่ 1: ประสิทธิภาพการระบายความร้อนที่ความเร็วสูง รถยนต์พลังงานใหม่มีความต้องการความหนาแน่นของพลังงานสูงในความเร็วสูง โดยก่อนหน้านี้ทำได้ประมาณ 10,000 หรือแม้กระทั่ง 12,000 ขณะนี้มีแนวโน้มไปที่ 16,000 หรือแม้กระทั่ง 20,000 จึงจำเป็นต้องมีวิธีที่ดีในการแก้ปัญหาเหล่านี้ในระหว่างการออกแบบมอเตอร์ ซึ่งถือเป็นจุดอ่อน

ข้อเสียข้อที่ 2: ความต้องการสายทองแดงสูง มอเตอร์แบบใช้สายทองแดงกลม ผู้ผลิตภายในประเทศสามารถผลิตได้มาก และมีคุณภาพที่ดีมาก แต่สำหรับมอเตอร์แบบใช้สายทองแดงแบนนั้นมีจำนวนผู้ผลิตที่สามารถผลิตได้ยังน้อย ซึ่งมีข้อกำหนดที่ค่อนข้างสูง และจำเป็นต้องร่วมมือกันแก้ไขปัญหาด้านวัสดุ

ข้อเสียข้อที่ 3: สายทองแดงแบนมีขั้นตอนการผลิตที่ซับซ้อน ต้องการความแม่นยำของเครื่องจักรสูง และการลงทุนในช่วงแรกค่อนข้างมาก เพราะหากความแม่นยำไม่เพียงพอ จะส่งผลให้ความน่าเชื่อถือและความสม่ำเสมอของผลิตภัณฑ์ต่ำลง บริษัทรถยนต์เองก็ยังมีความกังวลเกี่ยวกับความน่าเชื่อถือและความเสถียรของคุณภาพ

ข้อเสียข้อที่ 4: การออกแบบเพื่อทำให้เป็นมาตรฐาน (serialization) นั้นยาก ตัวมอเตอร์ต้องการลดต้นทุน ถ้าจะทำให้เป็นมาตรฐานได้ดีจริงๆ ก็ควรทำให้เป็นมาตรฐาน แต่การออกแบบเพื่อทำให้เป็นมาตรฐานในมอเตอร์สายไฟแบบแบนในปัจจุบันยังสู้มอเตอร์สายไฟกลมไม่ได้

ข้อเสียข้อที่ 5: มีอุปสรรคด้านสิทธิบัตรมากเกินไป ในปัจจุบัน สิทธิบัตรของมอเตอร์สายไฟแบนส่วนใหญ่เป็นของบริษัทในยุโรป อเมริกา และญี่ปุ่น ส่วนบริษัทจีนมีสิทธิบัตรน้อยมาก เราได้มีการจัดวางระบบสิทธิบัตรแล้ว แต่ยังไม่ถึงระดับที่น่าพอใจ

ข้อเสียข้อที่ 6: ข้อกำหนดในการขึ้นรูปสายไฟแบนสูงและมีความยากในการแปรรูป เพราะลวดทองแดงมีความยืดหยุ่นอยู่บ้าง ดังนั้นในการออกแบบจึงต้องมีการเผื่อการบิดงอไว้ด้วย

ข้อเสียข้อที่ 7: ฉนวนเคลือบจะเกิดการหดตัวหลังจากแห้งแล้ว หากเป็นสายไฟกลม การหดตัวจะสม่ำเสมอ แต่สำหรับสายไฟแบนนั้นจะเกิดการเสียหายได้ง่าย ทำให้ในการผลิตจริง ผลผลิต (yield) ของสายไฟแบนต่ำกว่าสายไฟกลมมาก

กระบวนการผลิตของมอเตอร์สายไฟแบน

กระบวนการผลิตหลักของสเตเตอร์ในมอเตอร์เครื่องออกบัตร มี 2 กระบวนการที่ดำเนินการพร้อมกัน ได้แก่ การขึ้นรูปเส้นลวดและการขึ้นรูปกระดาษ จากนั้นจึงเข้าสู่กระบวนการใส่แกนสเตเตอร์ และทำการบิดเส้นลวด เมื่อขั้นตอนการบิดเสร็จสิ้นก็จะเข้าสู่กระบวนการเชื่อม หลังจากเชื่อมเสร็จสมบูรณ์ กระบวนการสเตเตอร์พื้นฐานของมอเตอร์ก็จะเสร็จสิ้น จากนั้นจึงทำการเคลือบผิว และทดสอบสมรรถนะและตรวจสอบ นี่คือกระบวนการพื้นฐาน ซึ่งมีรายละเอียดจำนวนมากในขั้นตอนต่างๆ

กระบวนการผลิตมอเตอร์แบบเส้นลวดแบน: การผลิตฉนวนกระดาษสำหรับช่องเสียบ การรักษาฉนวนของแหวนปลายด้านคงที่ การเชื่อมต่อแหวน การเชื่อมต่อแบบดาว

สถานการณ์การใช้งานของมอเตอร์แบบเส้นลวดแบน

ในระยะยาว การทำให้มีขนาดเล็กลงและความเร็วสูงจะเป็นแนวโน้มหลักของการพัฒนาโมเตอร์สำหรับรถยนต์พลังงานใหม่ และการทำให้มีขนาดเล็กลงจำเป็นต้องมีการปรับปรุงประสิทธิภาพด้านกำลังไฟฟ้าของมอเตอร์ให้สูงขึ้นมาก จากมุมมองของข้อกำหนดทางเทคนิค "ทางเลือกที่ยากลำบากยิ่งขึ้นและการเผชิญกับผลลัพธ์ที่รุนแรงมากขึ้นในการวางแผน" ได้กำหนดให้รถยนต์พลังงานใหม่ที่ใช้ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ไฟฟ้า มีค่าความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้าสูงสุด (peak power density) อยู่ที่ระดับ 4 กิโลวัตต์/กิโลกรัม ในปัจจุบันข้อมูลตัวเลขนี้ยังคงอยู่ที่ประมาณ 3.2-3.3 กิโลวัตต์/กิโลกรัมเท่านั้น

มอเตอร์แบบ Flat line winding ได้ถูกนำไปใช้ในรถยนต์ไฟฟ้า เช่น Chevrolet Volt 2, Nissan และ Toyota รุ่นที่ 4 ของ Prius ซึ่งเป็นผู้ผลิตต่างประเทศรายใหญ่ ถือเป็นแนวโน้มที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ของการพัฒนามอเตอร์สำหรับรถยนต์พลังงานใหม่ รวมถึงบริษัทผู้ผลิตรถยนต์และผู้ผลิตมอเตอร์เช่น BYD, SAIC, Beijing, Precision ฯลฯ ต่างก็ได้เริ่มดำเนินการวิจัยและพัฒนาในส่วนที่เกี่ยวข้องแล้ว

ก่อนปี 2020 ผลกระทบในการแทนที่มอเตอร์แบบเส้นล้อมด้วยมอเตอร์แบบเส้นแบนยังไม่ชัดเจนมากนัก ด้วยข้อได้เปรียบในเรื่องขนาดเล็กของมอเตอร์แบบเส้นแบน ทำให้มอเตอร์เส้นแบนมีความสำคัญในการนำไปใช้ในรถยนต์แบบไฮบริด โดยเฉพาะรถยนต์แบบปลั๊กอิน (Plug-in) อย่างไรก็ตาม เนื่องจากนโยบายและปัจจัยทางการตลาดภายในประเทศ ทำให้รถยนต์แบบปลั๊กอินมีสัดส่วนค่อนข้างต่ำ ในด้านของรถยนต์ไฟฟ้าล้วน (Pure Electric) มีเพียง SAIC Roewe ERX5 เท่านั้นที่ติดตั้งมอเตอร์แบบเส้นแบน ซึ่งยังมีการใช้งานน้อยมาก

กระบวนการพัฒนารุ่นที่สามของมอเตอร์แบบเส้นแบนทั่วไป ให้แรงบันดาลใจแก่เรา

มอเตอร์แบบเส้นแบนทั่วไป รุ่นที่ 1

Chevrolet Voltec ระบบขับเคลื่อน 4ET50 (Chevrolet Voltec 4ET50-2011) เป็นระบบขับเคลื่อนแบบมอเตอร์คู่ ซึ่งมอเตอร์ B เป็นมอเตอร์แบบเส้นแบนชนิดแฮร์พิน (Hairpin) ที่มีกำลัง 110 กิโลวัตต์ แรงบิด 370 นิวตันเมตร ความเร็ว 9500 รอบต่อนาที และอัตราส่วนร่อง 12 ขั้ว 72 ร่อง

มอเตอร์ใช้เทคโนโลยีการพันแบบแฮร์พิน (Hairpin) ของเส้นแกนแบบเสียบแนวแกน กล่าวคือเป็นการพันแบบแฮร์พินเดี่ยว การพันแบบแฮร์พินนี้ทำให้การจัดวางขดลวดในร่องมีระเบียบมาก ซึ่งช่วยเพิ่มอัตราการเติมเต็มของร่องได้อย่างมาก ในขณะเดียวกันยังสามารถเพิ่มประสิทธิภาพของชุดปลายขดลวด และผลลัพธ์สุดท้ายจากการปรับปรุงทั้งสองประการนี้คือการลดความต้านทานกระแสตรง (DC Resistance) ลงได้ 30~40%

แม้ว่ามอเตอร์แบบแฮร์พินจะสามารถลดความต้านทานกระแสตรงได้ แต่ก็มีแนวโน้มที่จะเกิดกระแสไฟฟ้าวนเหตุจากสนามไฟฟ้าความถี่สูงบนขดลวดเมื่อความถี่สูง ทำให้เกิดปรากฏการณ์ Skin Effect

GM ใช้แบบจำลอง Voltec คำนวณสถิติความเร็วจุดทำงานของมอเตอร์ และกำหนดว่าโดยพื้นฐานแล้วความเร็วมอเตอร์จะต่ำกว่า 6000 รอบต่อนาทีภายใต้มาตรฐานการขับขี่ Urban2 และ US06 โดยไม่เกิน 8000 รอบต่อนาที กล่าวอีกนัยหนึ่งคือสามารถใช้ประโยชน์จากข้อได้เปรียบของความต้านทานต่ำของเส้นลวดแบนได้ จากมุมมองนี้ มอเตอร์แบบเส้นลวดแบนจึงเหมาะสมมากกว่าสำหรับการใช้งานในความเร็วปานกลางถึงต่ำ

หลังจากที่ขดลวดปลายสายแบบโรตารี่ถูกพ่นสีแล้ว จะกลายเป็นเนื้อแข็งทั้งชิ้น ทำให้น้ำมันทำความเย็นยากที่จะซึมเข้าไปภายใน เมื่อเกิดความร้อนจากตัวนำไฟฟ้าชั้นกลาง จึงเกิดปรากฏการณ์เกาะความร้อนภายในขดลวดได้ง่าย ซึ่งมอเตอร์ 4ET50 ใช้เทคโนโลยีการฉีดน้ำมันที่ปลายขดลวด เนื่องจากมีช่องว่างขนาดใหญ่ระหว่างปลายตัวนำของลวดแบน ทำให้น้ำมันสามารถฉีดตรงเข้าไปยังปลายขดลวดแบนและพาความร้อนของตัวนำแต่ละเส้นออกไปได้ การผสมผสานระหว่างลวดแบนและระบบระบายความร้อนด้วยน้ำมันที่ปลายสาย สามารถเพิ่มประสิทธิภาพการระบายความร้อนได้อย่างมาก และเพิ่มความหนาแน่นของกำลังแรงม้า

มอเตอร์ลวดแบนรุ่นที่ 2 ทั่วไป

Spark เปิดตัวในปี 2014 โดยมอเตอร์ขับเคลื่อนหลักมีกำลัง 105 กิโลวัตต์ ความเร็วต่ำที่ 4,500 รอบต่อนาที ประกอบด้วยเทคโนโลยีดังนี้ ลวดแบนแบบแทรกตามแนวแกน + โครงสร้างแรงบิดแบบ V คู่ + เทคโนโลยีการระบายความร้อนด้วยการฉีดน้ำมัน

งานพิเศษเกี่ยวกับมอเตอร์ดำเนินการโดยห้องปฏิบัติการของจีเอ็มในวิกแฮม ซึ่งเป็นชานเมืองของดีทรอยต์ และสำหรับการผลิตในปริมาณมากจัดทำที่เมืองบัลติมอร์ รัฐแมริแลนด์

ระยะเวลาการใช้งานของมอเตอร์ไฟฟ้าล้วน/มอเตอร์ไฮบริดแบบเพิ่มระยะทางได้ยาวนานกว่ามอเตอร์ไฮบริดแบบสมบูรณ์/แบบเสียบปลั๊กได้มาก และข้อกำหนดด้านแรงบิดและกำลังก็สูงกว่าด้วย มอเตอร์ไฮบริดแบบเพิ่มระยะทางโดยทั่วไปเลือกใช้โครงสร้างขับเคลื่อนแบบแบ่งกำลัง โดยมอเตอร์ B เป็นมอเตอร์ขับเคลื่อนหลัก

ระบบขับเคลื่อนของเชฟโรเลตวอล์คเกอร์ทั้งหมดใช้กำลังขับเคลื่อนจากมอเตอร์ B ดังนั้นมอเตอร์ B จึงต้องสามารถตอบสนองข้อกำหนดด้านการเร่งความเร็วและการขับเคลื่อนได้ มอเตอร์ B แบบแม่เหล็กถาวรชนิดหางม้า และมอเตอร์ A แบบขดลวดรวมแม่เหล็กถาวรได้รับการออกแบบสำหรับผลิตภัณฑ์รุ่นแรกๆ การเลือกใช้ขดลวดแบบรวมเป็นหลักเกิดจากข้อจำกัดด้านพื้นที่

อย่างไรก็ตาม ข้อกำหนดในการขับเคลื่อนของสถาปัตยกรรมรถยนต์ Volt รุ่นที่สองถูกแบ่งแยกไปยังมอเตอร์ A/B ขนาดของมอเตอร์ปลาย B ลดลงอย่างมาก เนื่องจากมอเตอร์ A มีความต้องการแรงบิดต่ำ จึงได้ออกแบบมอเตอร์แบบเฟอร์ไรต์

นอกจากนี้ รถยนต์ไฟฟ้าโดยทั่วไปมักใช้ระบบขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์เดี่ยว ดังนันมอเตอร์ขับเคลื่อนจึงมักมีกำลังสูงเพื่อให้เพียงพอต่อความต้องการเร่งความเร็วและการขับเคลื่อนของรถยนต์ มอเตอร์ของรถยนต์ไฟฟ้า Chevrolet Spark ของบริษัท General Motors จึงเลือกใช้มอเตอร์ IPM ความเร็วต่ำและอัตราทดเกียร์ต่ำ

หากใช้การพันแบบเส้นลวดกลมมาตรฐานเป็นการควบคุมอ้างอิง ความต้านทานของเส้นลวดกลมใน Voltec จะสูงกว่าความต้านทานของเส้นลวดแบน 1.44 เท่า ในขณะที่ความต้านทานของเส้นลวดกลมใน Spark จะสูงกว่าความต้านทานของเส้นลวดแบน 1.56 เท่า นั่นหมายความว่าความต้านทานของเส้นลวดแบนใน Spark ลดลงอย่างชัดเจนยิ่งขึ้น นอกเหนือจากพารามิเตอร์โปรโตคอลเองแล้ว ความก้าวหน้านี้ยังได้รับประโยชน์จากกระบวนการผลิตเส้นลวดแบนที่มีความสมบูรณ์ยิ่งขึ้นด้วย

ในมอเตอร์แบบ Spark การขึ้นรูปและการบิดตัวของแผ่นเหล็กกล้ามอเตอร์ทำด้วยการควบคุมด้วยเครื่องจักร CNC แบบความแม่นยำสูง บวกกับการขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์ ในกระบวนการขึ้นรูปนั้น ไม่เพียงแต่ควบคุมระยะการเดินของเซอร์โวเท่านั้น แต่ยังมีการปิดวงจรฟีดแบ็กแบบเรียลไทม์ด้วย โดยอาศัยวิธีการทางเทคนิคเหล่านี้ จึงสามารถรับประกันความแม่นยำในการขดลวดให้ได้รูปทรงที่ถูกต้อง และสามารถควบคุมแรงดันของชุดขดลวด เพื่อให้คุณภาพของขดลวดแต่ละรอบสม่ำเสมออย่างสมบูรณ์

มอเตอร์แบบสายแบนรุ่นที่ 3 แบบทั่วไป

ในปี 2017 บริษัท General Motors ได้เปิดตัวรถยนต์ Chevrolet Blot โดยมีแรงบิดสูงสุดที่ 360 นิวตันเมตร พลังงานสูงสุด 150 กิโลวัตต์ ความเร็วสูงสุด 8810 รอบต่อนาที และกระแสไฟฟ้าสูงสุดของมอเตอร์ที่ 400 Arms

อัตราทดของตัวลดความเร็วเพิ่มขึ้น และความเร็วของมอเตอร์เพิ่มขึ้นเกือบ 2 เท่า เมื่อความเร็วเพิ่มขึ้น ปรากฏการณ์ผิวหนัง (Skin Effect) ของตัวนำไฟฟ้าในมอเตอร์แบบสายแบนจะเพิ่มขึ้นที่ความเร็วสูง ส่งผลให้ความต้านทานกระแสสลับ (AC Resistance) เพิ่มสูงขึ้นตามไปด้วย