تعادل وزن و عملکرد بین یک کامپوزیت آلومینیومی و یک هسته استاتور موتور کوچک خودرو از جنس فولاد سیلیکونی برای کاربردهای سبک وزن EV چیست؟

برای کاربردهای سبک وزن EV، فولاد سیلیکونی همچنان انتخاب غالب است برای هسته استاتور موتور کوچک خودرو به دلیل عملکرد مغناطیسی برتر آن، در حالی که کامپوزیت آلومینیومی صرفه جویی قابل توجهی در وزن را به قیمت بازده مغناطیسی ارائه می دهد. تصمیم باینری نیست - به اندازه موتور، فرکانس کاری، محیط حرارتی و اهداف هزینه بستگی دارد. امروزه در اکثر موتورهای الکتریکی کششی و کمکی، ورقه های فولادی سیلیکونی (0.20-0.35 میلی متر، گریدهای غیر جهت دار) بهترین تعادل از دست دادن آهن، چگالی شار اشباع و قابلیت اطمینان مکانیکی را ارائه می دهند. هسته های کامپوزیت آلومینیوم در موتورهای کمکی خاص با گشتاور کم و سرعت بالا که کاهش جرم محرک اصلی طراحی است، در حال افزایش است.

اصول مادی: هر هسته از چه چیزی ساخته شده است

هسته استاتور موتور کوچک معمولی خودرو از لایه‌های نازک و انباشته شده از فولاد سیلیکونی درجه‌الکتریک (آلیاژ Fe-Si) ساخته شده است که معمولاً حاوی 2 تا 3.5 درصد سیلیکون است. این لایه‌ها برای سرکوب جریان‌های گردابی با عایق پوشانده می‌شوند و در یک پشته استاتوری استوانه‌ای فشرده یا در هم قفل می‌شوند.

در مقابل، یک هسته استاتور کامپوزیت آلومینیومی از مواد کامپوزیت مغناطیسی نرم (SMC) یا کامپوزیت های زمینه آلومینیومی تقویت شده با ذرات مغناطیسی یا آلیاژهای آلومینیوم چند لایه با مدارهای مغناطیسی تعبیه شده استفاده می کند. چگالی مواد پایه تقریباً است 2.7 گرم در سانتی متر مکعب برای آلیاژهای آلومینیوم در مقابل 7.65-7.85 g/cm³ برای فولاد سیلیکونی - اختلاف وزن تقریباً 3:1 در حجم معادل.

کاهش وزن: واقعاً چقدر می توانید پس انداز کنید؟

کاهش وزن استدلال اصلی برای کامپوزیت آلومینیوم در هسته استاتور موتور کوچک خودرو است. برای یک استاتور موتور کمکی کوچک با قطر بیرونی 80 میلی متر و طول پشته 40 میلی متر، یک هسته فولادی سیلیکونی ممکن است تقریباً وزن داشته باشد. 320-380 گرم ، در حالی که یک طرح کامپوزیت آلومینیومی معادل می تواند هدف قرار دهد 110-140 گرم - کاهش تقریباً 60-65٪ .

با این حال، از آنجایی که آلومینیوم اشباع مغناطیسی کمتری دارد، طراح اغلب نیاز به افزایش سطح مقطع مدار مغناطیسی برای حفظ شار معادل دارد و تا حدی کاهش وزن مواد خام را جبران می کند. در عمل، صرفه جویی انبوه در دنیای واقعی در هسته استاتور موتور کوچک خودرو با کامپوزیت آلومینیومی مجدد بهینه شده معمولاً در 30-45٪ در مقایسه با طراحی بهینه فولاد سیلیکونی.

مقایسه عملکرد مغناطیسی

عملکرد مغناطیسی جایی است که فولاد سیلیکونی به طور قاطع منجر می شود. پارامترهای کلیدی برای هسته استاتور موتور کوچک خودرو شامل چگالی شار اشباع (Bs)، نفوذپذیری نسبی (μr) و کاهش هسته (W/kg) است.

چگالی شار اشباع کمتر کامپوزیت آلومینیومی به این معنی است که هسته استاتور موتور کوچک خودرو باید از نظر فیزیکی بزرگتر باشد یا در تراکم شار کمتر کار کند و به طور مستقیم چگالی گشتاور را کاهش دهد. برای یک موتور کششی که نیاز دارد حداکثر گشتاور بالای 50 نیوتن متر هسته های کامپوزیت آلومینیوم معمولاً بدون طراحی مجدد قابل توجه موتور جایگزین مناسبی برای فولاد سیلیکونی نیستند.

کارایی و از دست دادن هسته در فرکانس های عملیاتی EV

موتورهای EV در محدوده فرکانس وسیعی کار می کنند - از DC نزدیک به هنگام راه اندازی تا 800-1200 هرتز در کروز با سرعت بالا برای موتورهای کمکی کوچک در این فرکانس‌ها، تلفات جریان گردابی بر تلفات هسته در هسته استاتور موتور کوچک خودرو غالب است.

لایه‌بندی‌های فولادی سیلیکونی با ضخامت 0.20 میلی‌متر، جریان‌های گردابی را تا حدود 1000 هرتز به طور مؤثری سرکوب می‌کنند. کامپوزیت آلومینیوم و مواد SMC ذاتاً مقاومت بالاتری دارند که از نظر تئوری جریان های گردابی را محدود می کند - اما نفوذپذیری کمتر آنها به این معنی است که موتور به جریان مغناطیسی بیشتری نیاز دارد و تلفات مس را افزایش می دهد (I²R) برای جبران. تأثیر بازده خالص بر روی هسته استاتور موتور کوچک کامپوزیت آلومینیومی خودرو در فرکانس 400 تا 800 هرتز معمولاً است. 1.5-3.5 درصد بازده کمتر از یک طرح فولاد سیلیکونی معادل در همان نقطه عملیاتی.

برای یک موتور پمپ خنک کننده برقی کوچک با توان 500 وات، این شکاف راندمان به معنای 7.5-17.5W تولید گرمای اضافی - یک بار مدیریت حرارتی غیر پیش پا افتاده در یک محیط درزبندی شده زیر هود.

تفاوت های مدیریت حرارتی

آلومینیوم رسانایی حرارتی بهتری دارد ( 150-200 W/m·K ) در مقایسه با فولاد سیلیکونی ( 25-30 W/m·K ). این قسمتی است که هسته استاتور موتور کوچک کامپوزیت آلومینیومی یک مزیت مهندسی واقعی ارائه می دهد: گرمای تولید شده در سیم پیچ ها می تواند با سرعت بیشتری از استاتور خارج شود و دمای نقطه داغ در عایق سیم پیچ کاهش یابد.

در موتورهای کوچک بدون خنک کننده مایع - مانند موتورهای دمنده EV HVAC یا موتورهای فرمان الکترونیکی (EPS) - این مزیت حرارتی می تواند به طور معنی داری عمر عایق را افزایش دهد یا چگالی جریان پیوسته بالاتری را در سیم پیچ ها ایجاد کند. طراحانی که از یک هسته استاتور موتور کوچک کامپوزیت آلومینیومی در چنین کاربردهایی استفاده می کنند ممکن است بتوانند از عایق کلاس F (155 درجه سانتیگراد) به جای کلاس H (180 درجه سانتیگراد) ، کاهش هزینه های مواد سیم پیچ.

استحکام مکانیکی و قابلیت ساخت

پشته های لمینیت فولاد سیلیکونی برای هسته استاتور موتور کوچک خودرو با استفاده از مهر زنی مترقی با سرعت بالا تولید می شوند - یک فرآیند بالغ و با حجم بالا با هزینه های ابزار معمولاً از 15000 تا 80000 دلار بسته به پیچیدگی، اما با هزینه هر قطعه به همان اندازه 0.50 تا 2.00 دلار در مقیاس

هسته های کامپوزیت آلومینیوم و SMC اغلب فشرده یا دایکاست به شکل شبکه هستند، که هندسه های سه بعدی پیچیده را با لایه بندی های مهر شده غیرممکن می کند - مانند هسته های استاتور شار محوری و کانال های خنک کننده یکپارچه. با این حال، مواد SMC دارند استحکام کششی کمتر (60-100 مگاپاسکال در مقابل 350-500 مگاپاسکال برای فولاد سیلیکونی) ، آنها را مستعد ترک خوردن تحت مونتاژ مناسب پرس یا نیروهای مغناطیسی شعاعی بالا می کند.

• استاتور فولاد سیلیکونی: استحکام شعاعی بالا، مناسب برای مونتاژ مسکن متناسب با تداخل
• استاتور کامپوزیت آلومینیومی: نیاز به چسباندن چسب یا قالب گیری بیش از حد دارد. برای پرس فیت مناسب نیست
• استاتور SMC: شکننده تحت بارهای شوک. نیاز به تطبیق طراحی برای محیط های ارتعاشی دارد

برای کاربردهای خودرویی که در معرض ارتعاشات ناشی از جاده هستند (معمولا 10-2000 هرتز، حداکثر تا 20 گرم ) استحکام مکانیکی هسته استاتور موتور کوچک فولاد سیلیکونی یک مزیت قابل اعتماد است.

مقایسه هزینه در طول چرخه عمر محصول

هزینه مواد اولیه به نفع فولاد سیلیکونی است. فولاد سیلیکونی درجه الکتریکی تقریباً هزینه دارد 1.2 تا 2.5 دلار به ازای هر کیلوگرم در حجم خودرو، در حالی که آلیاژهای آلومینیوم مناسب برای کاربردهای کامپوزیت مغناطیسی هزینه دارند 2.0 تا 4.5 دلار به ازای هر کیلوگرم بسته به درجه و نیازهای عملیات سطحی.

با این حال، کل هزینه مالکیت برای هسته استاتور موتور کوچک خودرو باید سطح سیستم موتور را در نظر بگیرد. اگر یک استاتور کامپوزیت آلومینیومی سبک‌تر، بسته باتری کوچک‌تری را در یک پلت‌فرم EV حساس به وزن فعال می‌کند - به عنوان مثال، در یک EV دو چرخ یا برنامه حمل‌ونقل کوچک - صرفه‌جویی در هزینه در سطح سیستم می‌تواند از هزینه بالاتر مواد برای هر هسته بیشتر باشد.

برای موتورهای کمکی EV مسافری اصلی (پنجره های برقی، پمپ ها، فن ها) هزینه و عملکرد فولاد سیلیکونی باقی می ماند. بطور قابل ملاحظه ای قوی تر در حجم های فعلی

تناسب برنامه: چه زمانی باید هر ماده را انتخاب کرد

مواد اصلی مناسب برای هسته استاتور موتور کوچک خودرو به شدت به عملکرد موتور خاص و الزامات پلت فرم بستگی دارد:

زمانی که فولاد سیلیکونی را انتخاب کنید:

• تراکم گشتاور بالا مورد نیاز است (کشش، EPS، محرک های ترمز)
• فرکانس های کاری به طور مداوم بیش از 400 هرتز هستند
• مونتاژ محفظه پرس فیت یا شرینک فیت مشخص شده است
• هزینه به ازای هر واحد یک محدودیت طراحی اولیه در حجم بالای 50000 در سال است
• هدف عمر موتور بیش از 10 سال / 150000 کیلومتر است

کامپوزیت آلومینیوم را زمانی انتخاب کنید که:

• بودجه وزن پلت فرم بسیار محدود است (میکرو-EV، هواپیماهای بدون سرنشین، دوچرخه های الکترونیکی)
• مسیرهای شار سه بعدی مورد نیاز است (توپولوژی موتور شار محوری)
• ساختارهای مدیریت حرارتی یکپارچه در داخل استاتور مورد نیاز است
• موتور در چگالی شار کم تا متوسط زیر 0.8 T کار می کند
• نمونه اولیه یا تولید کم حجم که در آن هزینه ابزار قالب بسیار بالاست

برای اکثریت قریب به اتفاق برنامه های Automotive Small Motor Stator Core در سیستم عامل های EV امروزی، فولاد سیلیکونی (غیر جهت دار، 0.20-0.35 میلی متر، گریدهای 35H270 تا 35H300) ماده بهینه باقی می ماند - ارائه عملکرد مغناطیسی بی بدیل، استحکام مکانیکی، بلوغ تولید و کارایی هزینه. هسته‌های کامپوزیت آلومینیوم تنها در کاربردهای خاص که جرم حیاتی است و الزامات عملکرد مغناطیسی در حد متوسط ​​است، مورد قانع‌کننده‌ای است. همانطور که فناوری‌های کامپوزیت SMC و آلومینیوم به بلوغ می‌رسند - به ویژه در بهبود نفوذپذیری و کاهش تلفات هسته در تراکم‌های شار بالا - نقش آنها در بازار هسته استاتور موتور کوچک خودرویی ممکن است گسترش یابد، به‌ویژه که معماری‌های موتور شار محوری در پیشرانه‌های نسل بعدی EV جذابیت پیدا می‌کنند.