Jakie są kompromisy w zakresie masy i wydajności pomiędzy kompozytem aluminiowym a rdzeniem stojana małego silnika samochodowego ze stali krzemowej do lekkich zastosowań w pojazdach elektrycznych?

W przypadku lekkich zastosowań pojazdów elektrycznych, dominującym wyborem pozostaje stal krzemowa dla Rdzeń stojana małego silnika samochodowego ze względu na doskonałe właściwości magnetyczne, podczas gdy kompozyt aluminiowy zapewnia znaczną oszczędność masy kosztem wydajności magnetycznej. Decyzja nie jest binarna — zależy od wielkości silnika, częstotliwości roboczej, środowiska termicznego i docelowych kosztów. W większości współczesnych silników trakcyjnych i pomocniczych silników EV, laminaty stali krzemowej (0,20–0,35 mm, gatunki nieorientowane) zapewniają najlepszą równowagę między utratą żelaza, gęstością strumienia nasycenia i niezawodnością mechaniczną. Aluminiowe rdzenie kompozytowe zyskują na popularności w specjalnych silnikach pomocniczych o niskim momencie obrotowym i dużej prędkości, w których głównym czynnikiem wpływającym na konstrukcję jest redukcja masy.

Podstawy materiałów: z czego wykonany jest każdy rdzeń

Konwencjonalny rdzeń stojana małego silnika samochodowego jest zbudowany z ułożonych w stos, cienkich warstw stali krzemowej klasy elektrotechnicznej (stop Fe-Si), zwykle zawierającej 2–3,5% krzemu. Laminacje te są pokryte powłoką izolacyjną w celu tłumienia prądów wirowych i prasowane lub blokowane w cylindryczny stos stojana.

Natomiast w rdzeniu stojana z kompozytu aluminiowego zastosowano materiały z miękkich materiałów magnetycznych (SMC) lub kompozyty z osnową aluminiową wzmocnione cząstkami magnetycznymi lub laminowane stopy aluminium z wbudowanymi obwodami magnetycznymi. Gęstość materiału podstawowego wynosi w przybliżeniu 2,7 g/cm3 dla stopów aluminium kontra 7,65–7,85 g/cm3 dla stali krzemowej — różnica masy wynosząca prawie 3:1 przy równoważnej objętości.

Kompromis dotyczący wagi: ile faktycznie możesz zaoszczędzić?

Zmniejszenie masy jest głównym argumentem przemawiającym za kompozytem aluminiowym w rdzeniu stojana małego silnika samochodowego. W przypadku małego pomocniczego stojana silnika o średnicy zewnętrznej 80 mm i długości stosu 40 mm rdzeń ze stali krzemowej może ważyć około 320–380 g , podczas gdy równoważna konstrukcja z kompozytu aluminiowego może być celem 110–140 g – redukcja o ok 60–65% .

Ponieważ jednak aluminium ma mniejsze nasycenie magnetyczne, projektant często musi zwiększać pole przekroju poprzecznego obwodu magnetycznego, aby utrzymać równoważny strumień, częściowo równoważąc oszczędność masy surowca. W praktyce rzeczywiste oszczędności masy wynikające z zastosowania ponownie zoptymalizowanego aluminium, rdzenia stojana małego silnika samochodowego zwykle wynoszą: 30–45% w porównaniu ze zoptymalizowaną konstrukcją ze stali krzemowej.

Porównanie wydajności magnetycznej

Właściwości magnetyczne to obszar, w którym zdecydowanie przoduje stal krzemowa. Kluczowe parametry rdzenia stojana małego silnika samochodowego obejmują gęstość strumienia nasycenia (Bs), względną przepuszczalność (μr) i straty w rdzeniu (W/kg).

Niższa gęstość strumienia nasycenia kompozytu aluminiowego oznacza, że ​​rdzeń stojana małego silnika samochodowego musi być fizycznie większy lub działać przy niższych gęstościach strumienia, co bezpośrednio zmniejsza gęstość momentu obrotowego. Dla silnika trakcyjnego wymagającego szczytowe momenty obrotowe powyżej 50 Nm , aluminiowe rdzenie kompozytowe na ogół nie są realnym substytutem stali krzemowej bez znaczącego przeprojektowania silnika.

Wydajność i straty rdzenia przy częstotliwościach roboczych pojazdów elektrycznych

Silniki EV działają w szerokim zakresie częstotliwości – od prądu stałego przy rozruchu do 800–1200 Hz podczas jazdy z dużą prędkością dla małych silników pomocniczych. Przy tych częstotliwościach straty w postaci prądów wirowych dominują straty w rdzeniu rdzenia stojana małego silnika samochodowego.

Laminaty stali krzemowej o grubości 0,20 mm skutecznie tłumią prądy wirowe do około 1000 Hz. Kompozyty aluminiowe i materiały SMC mają z natury wyższą rezystywność, co teoretycznie ogranicza prądy wirowe, ale ich mniejsza przepuszczalność oznacza, że ​​silnik wymaga większego prądu magnesującego, co zwiększa straty miedzi (I²R) w celu kompensacji. Wpływ na wydajność netto kompozytu aluminiowego rdzeń stojana małego silnika samochodowego przy częstotliwości 400–800 Hz jest typowy Efektywność niższa o 1,5–3,5 punktu procentowego niż równoważna konstrukcja ze stali krzemowej w tym samym punkcie pracy.

W przypadku małego silnika pompy płynu chłodzącego do pojazdów elektrycznych o mocy 500 W ta różnica w wydajności przekłada się na 7,5–17,5 W dodatkowego wytwarzania ciepła — nietrywialne obciążenie związane z zarządzaniem temperaturą w szczelnym środowisku pod maską.

Różnice w zarządzaniu ciepłem

Aluminium ma znacznie lepszą przewodność cieplną ( 150–200 W/m·K ) w porównaniu do stali krzemowej ( 25–30 W/m·K ). Jest to obszar, w którym aluminiowy kompozytowy rdzeń stojana małego silnika samochodowego oferuje prawdziwą zaletę inżynieryjną: ciepło wytwarzane w uzwojeniach może być szybciej odprowadzane od stojana, redukując temperatury gorących punktów na izolacji uzwojenia.

W małych silnikach bez chłodzenia cieczą — takich jak silniki dmuchaw EV HVAC lub silniki elektronicznego wspomagania układu kierowniczego (EPS) — ta zaleta cieplna może znacząco wydłużyć żywotność izolacji lub umożliwić wyższą ciągłą gęstość prądu w uzwojeniach. Projektanci wykorzystujący aluminiowy kompozytowy rdzeń stojana małego silnika samochodowego w takich zastosowaniach mogą być w stanie go wykorzystać Izolacja klasy F (155°C) zamiast klasy H (180°C) , zmniejszając koszty materiałów uzwojenia.

Wytrzymałość mechaniczna i zdolność produkcyjna

Stosy laminacji stali krzemowej do rdzenia stojana małego silnika samochodowego są produkowane przy użyciu szybkiego tłoczenia progresywnego — dojrzałego procesu o dużej objętości, którego koszty oprzyrządowania zwykle wahają się od 15 000–80 000 dolarów w zależności od złożoności, ale przy kosztach jednostkowych tak niskich jak 0,50–2,00 USD na skalę.

Rdzenie z kompozytów aluminiowych i SMC są często prasowane lub odlewane ciśnieniowo w kształcie zbliżonym do netto, co umożliwia uzyskanie złożonych geometrii 3D, których nie można uzyskać w przypadku tłoczonych warstw — takich jak rdzenie stojana ze strumieniem osiowym i zintegrowane kanały chłodzące. Jednakże materiały SMC tak mają niższa wytrzymałość na rozciąganie (60–100 MPa vs. 350–500 MPa dla stali krzemowej) , co czyni je podatnymi na pękanie pod wpływem montażu na wcisk lub przy dużych promieniowych siłach magnetycznych.

• Stojan ze stali krzemowej: Wysoka wytrzymałość promieniowa, odpowiednia do montażu obudowy z pasowaniem wciskowym
• Stojan z kompozytu aluminiowego: wymaga klejenia lub nadformowania; nie nadaje się do montażu na wcisk
• Stojan SMC: kruchy pod obciążeniem udarowym; wymaga dostosowania projektu do środowisk wibracyjnych

Do zastosowań motoryzacyjnych narażonych na wibracje powodowane przez drogę (zwykle 10–2000 Hz, do 20 g w szczycie ), wytrzymałość mechaniczna rdzenia stojana małego silnika samochodowego ze stali krzemowej stanowi znaczącą zaletę w zakresie niezawodności.

Porównanie kosztów w całym cyklu życia produktu

Koszt surowca faworyzuje stal krzemową. Stal krzemowa klasy elektrotechnicznej kosztuje około 1,2–2,5 USD/kg w samochodach, podczas gdy stopy aluminium odpowiednie do zastosowań w kompozytach magnetycznych kosztują 2,0–4,5 USD/kg w zależności od gatunku i wymagań dotyczących obróbki powierzchni.

Jednakże całkowity koszt posiadania rdzenia stojana małego silnika samochodowego musi uwzględniać poziom układu silnika. Jeśli lżejszy stojan z kompozytu aluminiowego umożliwia zastosowanie mniejszego zestawu akumulatorów w platformie pojazdów elektrycznych wrażliwej na wagę — na przykład w dwukołowym pojeździe elektrycznym lub w zastosowaniach związanych z mikromobilnością — oszczędności na poziomie systemu mogą przewyższyć wyższy koszt materiału na rdzeń.

W przypadku popularnych silników pomocniczych pojazdów elektrycznych do pojazdów pasażerskich (elektrycznie sterowane szyby, pompy, wentylatory) nadal pozostaje kwestia kosztów i wydajności stali krzemowej znacznie silniejszy przy bieżących wolumenach.

Dopasowanie zastosowania: kiedy wybrać każdy materiał

Właściwy materiał rdzenia rdzenia stojana małego silnika samochodowego zależy w dużej mierze od konkretnej funkcji silnika i wymagań platformy:

Wybierz stal krzemową, gdy:

• Wymagana jest wysoka gęstość momentu obrotowego (trakcja, EPS, siłowniki hamowania)
• Częstotliwości robocze przekraczają w sposób ciągły 400 Hz
• Określany jest zespół obudowy pasowany na wcisk lub pasowany termokurczliwie
• Koszt jednostkowy jest głównym ograniczeniem projektowym przy ilościach powyżej 50 000 sztuk rocznie
• Docelowa żywotność silnika przekracza 10 lat / 150 000 km

Wybierz kompozyt aluminiowy, gdy:

• Budżet masy platformy jest wyjątkowo napięty (mikro-EV, drony, rowery elektryczne)
• Wymagane są ścieżki strumienia 3D (topologia silnika ze strumieniem osiowym)
• W stojanie potrzebne są zintegrowane struktury zarządzania ciepłem
• Silnik pracuje przy niskiej do umiarkowanej gęstości strumienia poniżej 0,8 T
• Produkcja prototypów lub produkcja na małą skalę, gdzie koszt oprzyrządowania matrycy jest wygórowany

W przypadku zdecydowanej większości współczesnych zastosowań rdzenia stojana małego silnika samochodowego w platformach pojazdów elektrycznych stal krzemowa (nieorientowana, 0,20–0,35 mm, gatunki 35H270 do 35H300) pozostaje optymalnym materiałem — oferując niezrównaną wydajność magnetyczną, wytrzymałość mechaniczną, dojrzałość produkcyjną i efektywność kosztową. Aluminiowe rdzenie kompozytowe stanowią przekonujący przypadek tylko w zastosowaniach niszowych, gdzie masa ma kluczowe znaczenie, a wymagania dotyczące wydajności magnetycznej są skromne. W miarę dojrzewania technologii SMC i kompozytów aluminiowych — szczególnie w zakresie poprawy przepuszczalności i zmniejszania strat rdzenia przy dużych gęstościach strumienia — ich rola na rynku rdzeni stojanów małych silników samochodowych może wzrosnąć, zwłaszcza gdy architektury silników o strumieniu osiowym zyskają przyczepność w układach napędowych pojazdów elektrycznych nowej generacji.