Ознайомлення з перевагами та недоліками двигуна з плоским проводом, аналіз застосування та перспективи розвитку

Наразі в Китаї більше приділяють уваги плоским дротяним двигунам, але їх застосування обмежене, головним чином через те, що ринок нових енергетичних технологій має коротку історію розвитку, а основна частка ринку зосереджена на мікроавтобусовому ринку. З-за кордону, продукти зрілих двигунів із плоским дротом використовуються в транспортних засобах на нових енергетичних технологіях, особливо в японських, європейських і американських компаніях, Toyota та GENERAL Motors використовують двигуни із плоским дротом. Прикладами є Chevrolet VOLT (Remy Motor) та Toyota Prius (Denso), в яких використовуються рішення з охолодженням мастилом. Крім іноземних постачальників, таких як Remy, Dso та Hitachi, стабільними постачальниками в Китаї є Huayu Electric та Songzheng Motor, а також Founder Motor, який найближчим часом планується до запуску виробництва.

Двигун приводу в основному складається з компонентів статора, ротора, кришки та допоміжних стандартних деталей, а обмотка статора включає осердя, обмотку мідного дроту, ізоляційні матеріали тощо.

Як випливає з назви, двигун з плоским дротом використовує плоский мідний дріт у статорній обмотці, спочатку виготовлюють обмотку у формі щітки, пронизують нею паз статора, а потім зварюють кінці щітки з іншого боку.

Переваги двигунів з плоским дротом

Перевага 1: при однаковій потужності двигун має менший об'єм, менше витратних матеріалів, нижчу вартість, або при однаковому об'ємі збільшується коефіцієнт заповнення паза, зростає питома потужність. Круглий дріт замінюється на плоский. Теоретично, за умови незмінного простору, двигун з плоским дротом може досягти 70% заповнення паза, а заповнення міддю збільшити на 20–30%, що забезпечує сильніше магнітне поле, а отже, еквівалентне збільшення потужності на 20–30%.

Перевага 2: краща продуктивність при різних температурах. Внутрішній зазор стає меншим, площа контакту між плоским проводом і плоским проводом велика, тому краще відведення тепла та теплопровідність; контакт між обмоткою та пазом осердя кращий, теплопровідність покращується, а двигун дуже чутливий до відведення тепла і температури, тому краще відведення тепла забезпечує покращення продуктивності. На підставі моделювання температурного поля було встановлено, що підвищення температури обмотки двигуна з плоским мідним дротом при однаковому проектуванні на 10% нижче, ніж у двигуна з круглим мідним дротом.

Перевага 3: нижчий електромагнітний шум. Плоский провід двигуна має велику жорсткість, арматура має кращу жорсткість, що пригнічує шум якоря; можна використовувати відносно менший розмір паза, що ефективно зменшує ковзний момент і далі знижує електромагнітний шум двигуна.

Перевага 4: короткий кінець, економія міді, підвищення ефективності. Традиційний двигун з круглим дротом через технологічні проблеми має, як правило, доволі довгий кінець, інакше дріт легко пошкодити під час виробництва. У двигуна з плоским дротом, оскільки дроти є жорсткими, під час обробки кінець можна зробити трохи меншим, і розмір кінця скорочується на 20% порівняно з двигуном з круглим дротом, а простір може бути ще меншим, що дозволяє зменшити об'єм системи та досягти мініатюризації та зменшення ваги.

Перевага 5: точка максимальної ефективності двигуна з плоским дротом не обов'язково значно вища, ніж у двигуна з круглим дротом, але зона високої ефективності може бути ще більшою.

Недоліки двигунів з плоским дротом

Недолік 1: Ефект збору шкіри на високих швидкостях. Вимоги до нових енергетичних транспортних засобів щодо високої потужності на одиницю об'єму зростають: раніше обертів було 10 000 або навіть 12 000, зараз напрямок розвитку — 16 000 або навіть 20 000. Під час проектування двигуна потрібно знайти хороший спосіб вирішення цього питання, оскільки це є негативним моментом.

Недолік 2: Високі вимоги до мідного дроту. Дріт для двигунів із круглим перерізом виготовляють багато вітчизняних виробників, якість може бути дуже високою. Виробництвом плоского дроту займається не багато виробників, вимоги до нього відносно високі, і для вирішення проблеми матеріалів потрібно працювати разом.

Недолік 3: У плоского дроту багато процесів обробки, високі вимоги до точності обладнання, великі початкові інвестиції, адже якщо точність недостатня, надійність і узгодженість продукту будуть порівняно низькими. Автомобільні компанії також хвилюються щодо надійності та стабільності якості.

Недолік 4: ускладнене проектування серіалізації, двигун прагне знизити вартість, добре — це зробити серіалізацію, проектування серіалізації наразі не таке ефективне, як у двигуна з круглим дротом.

Недолік 5: занадто багато патентних бар'єрів. Наразі патенти на двигуни з плоским дротом в основному належать європейським, американським та японським підприємствам. Китайські підприємства мають мало патентів. У нас є патентна розробка, але вона не є задовільною.

Недолік 6: високі вимоги до формування плоского дроту та ускладнення обробки. Оскільки мідний дріт має певну пружність, тому в проекті має бути запас деформації.

Недолік 7: після висушування ізоляційне покриття може зменшуватися в розмірах. Якщо це круглий дріт, то стиснення буде більш рівномірним, а плоский дріт легко пошкодити, що призводить до того, що на практиці вихід плоского дроту значно нижче, ніж круглого.

Виробничий процес двигуна з плоским дротом

Головний виробничий процес статора двигуна, формування дроту та формування паперу та вставлення паперу, ці два процеси виконуються одночасно. Після цього починається процес вставки статора, потім дріт скручується, після скручування виконується процес зварювання. Після завершення зварювання базовий процес статора двигуна вважається завершеним, далі йде покриття, а потім тестування та перевірка характеристик. Це базовий процес, у середині багато деталей.

Виробничий процес плоскодротового двигуна: виготовлення пазової ізоляції, виготовлення кільця, ізоляційна обробка, зварювання нерухомого кільця, з'єднання зіркою

Сфера застосування плоскодротового двигуна

У довгостроковій перспективі мініатюризація та висока швидкість стануть основними тенденціями розвитку двигунів електромобілів, при цьому мініатюризація потребуватиме значного підвищення питомої потужності двигунів. З точки зору технічних вимог, «значно більше строгих вимог та серйозних наслідків у плануванні» вимагають, щоб питома піковою потужність двигунів електромобілів досягла 4 кВт/кг, тоді як наразі цей показник становить лише 3,2–3,3 кВт/кг.

Двигуни з плоским обмотуванням вже успішно застосовуються у таких іноземних виробників, як Chevrolet Volt 2, електромобілі Nissan та четверте покоління Toyota Prius. Це є неминучим напрямком розвитку двигунів для нових енергетичних автомобілів. Включаючи BYD, SAIC, Beijing, Precise, виробників нових енергетичних транспортних засобів та виробників двигунів, всі вони розпочали відповідні дослідження.

До 2020 року заміщення плоских двигунів на круглі ще не було достатньо помітним. Завдяки перевагам плоских двигунів у плані компактності, саме вони отримали пріоритетне застосування у великих масштабах у гібридних моделях, особливо у моделях із підключеним приводом. Однак через внутрішню політику та ринкові фактори, частка моделей із підключеним приводом залишалася порівняно низькою. У сфері повністю електричних двигунів лише SAIC Roewe ERX 5 оснащений плоским двигуном, що використовується рідше.

Процес розвитку третього покоління загальних плоских двигунів надає нам натхнення

Загальне перше покоління плоского двигуна

Chevrolet Voltec. Система приводу 4ET50 (Chevrolet Voltec 4ET50-2011) є системою з подвійним двигуном. Двигун B — це плоский двигун типу «петля» потужністю 110 кВт, крутним моментом 370 Нм, швидкістю 9500 об/хв та співвідношенням пазів 12 полюсів на 72 пази.

Двигун використовує технологію штирьового обмотування осьової штовхальної лінії, тобто окреме штирьове обмотування. Це штирьове обмотування забезпечує дуже акуратне розташування в пазі, що значно підвищує коефіцієнт заповнення паза, а також дозволяє покращити збірку кінців. Кінцевим результатом цих двох поліпшень є зменшення постійного опору на 30–40%.

Хоча двигун із штирьовим обмотуванням може знизити постійний опір, при високій частоті на обмотці легко виникає високочастотне вихрове електричне поле, що призводить до ефекту скин-ефекту.

Компанія GM використала модель Voltec для розрахунку статистики швидкості робочої точки двигуна та встановила, що швидкість двигуна в основному не перевищує 6000 об/хв у режимі urban2 та US06, до того ж, не більше 8000 об/хв. Іншими словами, можна повністю використовувати перевагу низького опору плоского проводу. З цієї точки зору, двигун із плоским проводом більше підходить для середніх і низьких швидкостей.

Після закінчення намотування обмотки охолодження фарбування стає суцільною цілісною конструкцією. Охолоджувальному маслу важко проникнути всередину. Разом з теплом середнього провідника, усередині обмотки легко утворюється тепловий острів. Електродвигун 4ET50 застосовує технологію охолодження шляхом впорскування масла з торця, оскільки між кінцями плоских проводів є великий зазор, маслорозподільний сопловий пристрій безпосередньо проникає в кінець обмотки плоского проводу та відводить тепло від кожного провідника. Поєднання плоского проводу та охолодження маслом з торця значно підвищує тепловідвід та збільшує питому потужність.

Загальний електродвигун другого покоління з плоским проводом

Spark був представлений у 2014 році, основним приводом є електродвигун потужністю 105 кВт з низькими обертовими частотами 4500 об/хв. Комбінація технологій: плоский провід з аксіальним вставлянням + подвійна V-подібна конструкція крутного моменту + технологія охолодження впорскуванням масла.

Спеціальну роботу над двигуном виконувала лабораторія GM у Вікхемі, передмісті Детройта, а для масового виробництва — у Балтиморі, штат Меріленд.

Тривалість роботи двигуна повністю електричного / гібридного з подовженим запасом ходу значно більша, ніж у двигуна повного / підключного гібридного, а також вищі вимоги до крутного моменту та потужності. Додатковий гібридний двигун, як правило, обирає структуру розподільної трансмісії з двигуном B як основним приводом.

Привідна система Chevrolet Walker повністю приводиться в рух двигуном B, тому двигун B має відповідати вимогам прискорення та руху. Для перших моделей було розроблено двигун B постійних магнітів з волосовидними стержнями та централізований двигун A постійних магнітів. Вибір концентрованої обмотки обумовлений переважно обмеженням простору.

Однак, вимоги до приводу архітектури другого покоління автомобіля Volt розділені між двигунами A/B. Розмір двигуна кінцевого B значно зменшений. Через низькі вимоги до крутного моменту двигуна A, використовується феритовий двигун.

Крім того, у більшості випадків у повністю електричних транспортних засобах використовується система приводу з одним двигуном, тому двигун має велику потужність, щоб відповідати потребам прискорення та руху автомобіля. У повністю електричному Chevrolet Spark компанії GM використовується низькообертовий внутрішньополюсний двигун (IPM) із малим передавальним відношенням.

Якщо в якості контрольного зразка використовувати стандартну обмотку круглого дроту, то опір круглого дроту у Voltec у 1,44 раза вищий, ніж опір плоского дроту, тоді як у Spark опір круглого дроту у 1,56 раза вищий, ніж опір плоского дроту. Це означає, що опір плоского дроту у Spark зменшується значніше. Крім самих параметрів протоколу, цього прогресу сприяло також удосконалення технології використання плоского дроту.

В двигуні Spark формування та деформація волосної карти виконуються за допомогою прецизійного керування CNC + формуванням матриці. Під час формування контролюється не тільки хід сервоприводу, а й замкнено контур зворотного зв’язку в реальному часі. Саме завдяки цим технічним засобам забезпечується точність формування обмотки, а також можливо контролювати напруження в обмотувальній групі, щоб якість кожної котушки була абсолютно однаковою.

Загальноприйнятий плоско-дротовий двигун третього покоління

У 2017 році компанія GM представила Chevrolet Blot із піковим крутним моментом 360 Нм, піковою потужністю 150 кВт, піковою швидкістю 8810 об/хв та піковим струмом двигуна 400 Arms.

Передавальне число редуктора збільшується, а швидкість двигуна зростає майже вдвічі. Під час збільшення швидкості ефект поверхневого натягу провідника плоского двигуна зростає на високих швидкостях, що призводить до збільшення змінного опору.