อะไรคือข้อแลกเปลี่ยนด้านน้ำหนักและประสิทธิภาพระหว่างอะลูมิเนียมคอมโพสิตและแกนสเตเตอร์มอเตอร์ขนาดเล็กสำหรับยานยนต์ที่ทำจากเหล็กซิลิกอนสำหรับการใช้งาน EV น้ำหนักเบา

สำหรับการใช้งาน EV น้ำหนักเบา เหล็กซิลิคอนยังคงเป็นตัวเลือกที่โดดเด่น สำหรับ แกนสเตเตอร์มอเตอร์ขนาดเล็กสำหรับยานยนต์ เนื่องจากประสิทธิภาพแม่เหล็กที่เหนือกว่า ในขณะที่อลูมิเนียมคอมโพสิตช่วยลดน้ำหนักได้อย่างมีนัยสำคัญโดยแลกกับประสิทธิภาพแม่เหล็ก การตัดสินใจไม่ใช่แบบไบนารี่ ขึ้นอยู่กับขนาดมอเตอร์ ความถี่ในการทำงาน สภาพแวดล้อมด้านความร้อน และเป้าหมายต้นทุน ในมอเตอร์ไฟฟ้าแรงฉุดและเสริมส่วนใหญ่ในปัจจุบัน การเคลือบเหล็กซิลิคอน (0.20–0.35 มม. เกรดที่ไม่เน้น) ให้สมดุลที่ดีที่สุดของการสูญเสียธาตุเหล็ก ความหนาแน่นของฟลักซ์อิ่มตัว และความน่าเชื่อถือเชิงกล แกนอะลูมิเนียมคอมโพสิตกำลังได้รับความนิยมในมอเตอร์เสริมความเร็วสูงที่มีแรงบิดต่ำโดยเฉพาะ ซึ่งการลดมวลเป็นตัวขับเคลื่อนการออกแบบหลัก

ความรู้พื้นฐานด้านวัสดุ: แต่ละคอร์ทำมาจากอะไร

แกนสเตเตอร์มอเตอร์ขนาดเล็กสำหรับยานยนต์ทั่วไปสร้างขึ้นจากการเคลือบบางแบบซ้อนกันของเหล็กซิลิคอนเกรดไฟฟ้า (โลหะผสม Fe-Si) ซึ่งโดยทั่วไปจะมีซิลิคอน 2%–3.5% การเคลือบเหล่านี้เคลือบด้วยฉนวนเพื่อป้องกันกระแสไหลวน และกดหรือประสานเข้ากับสเตเตอร์สแตเตอร์ทรงกระบอก

ในทางตรงกันข้าม แกนอะลูมิเนียมคอมโพสิตสเตเตอร์ ใช้วัสดุคอมโพสิตแม่เหล็กอ่อน (SMC) หรือคอมโพสิตอะลูมิเนียม-เมทริกซ์ที่เสริมด้วยอนุภาคแม่เหล็กหรือโลหะผสมอะลูมิเนียมเคลือบที่มีวงจรแม่เหล็กฝังอยู่ ความหนาแน่นของวัสดุฐานอยู่ที่ประมาณ 2.7 ก./ซม. สำหรับอะลูมิเนียมอัลลอยด์ เทียบกับ 7.65–7.85 ก./ซม. สำหรับเหล็กซิลิคอน — น้ำหนักต่างกันเกือบ 3:1 ที่ปริมาตรเท่ากัน

การแลกเปลี่ยนน้ำหนัก: คุณสามารถประหยัดได้จริงแค่ไหน?

การลดน้ำหนักเป็นข้อโต้แย้งหลักสำหรับอลูมิเนียมคอมโพสิตในแกนสเตเตอร์มอเตอร์ขนาดเล็กของยานยนต์ สำหรับสเตเตอร์มอเตอร์เสริมขนาดเล็กที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 80 มม. และความยาวปล่อง 40 มม. แกนเหล็กซิลิกอนอาจมีน้ำหนักประมาณ 320–380ก ในขณะที่การออกแบบคอมโพสิตอลูมิเนียมที่เทียบเท่ากันสามารถกำหนดเป้าหมายได้ 110–140ก - ลดลงประมาณ 60–65% .

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากอลูมิเนียมมีความอิ่มตัวของแม่เหล็กต่ำกว่า ผู้ออกแบบจึงมักจำเป็นต้องเพิ่มพื้นที่หน้าตัดของวงจรแม่เหล็กเพื่อรักษาฟลักซ์ที่เท่ากัน โดยชดเชยการลดน้ำหนักของวัตถุดิบบางส่วน ในทางปฏิบัติ การประหยัดมวลในโลกแห่งความเป็นจริงในอะลูมิเนียมคอมโพสิตที่ปรับให้เหมาะสมอีกครั้งสำหรับแกนสเตเตอร์มอเตอร์ขนาดเล็กของยานยนต์มักจะลงจอดที่ 30–45% เมื่อเปรียบเทียบกับการออกแบบเหล็กซิลิคอนที่ได้รับการปรับปรุงประสิทธิภาพ

การเปรียบเทียบประสิทธิภาพแม่เหล็ก

ประสิทธิภาพของแม่เหล็กคือจุดที่เหล็กซิลิคอนเป็นผู้นำอย่างเด็ดขาด พารามิเตอร์หลักสำหรับแกนสเตเตอร์ของมอเตอร์ขนาดเล็กสำหรับยานยนต์ ได้แก่ ความหนาแน่นของฟลักซ์อิ่มตัว (Bs) ความสามารถในการซึมผ่านสัมพัทธ์ (μr) และการสูญเสียแกน (W/kg)

ความหนาแน่นฟลักซ์ความอิ่มตัวที่ต่ำกว่าของอลูมิเนียมคอมโพสิตหมายความว่าแกนสเตเตอร์มอเตอร์ขนาดเล็กของยานยนต์จะต้องมีขนาดใหญ่ขึ้นทางกายภาพหรือทำงานที่ความหนาแน่นฟลักซ์ที่ต่ำกว่า ซึ่งจะช่วยลดความหนาแน่นของแรงบิดได้โดยตรง สำหรับมอเตอร์ฉุดที่ต้องการ แรงบิดสูงสุดที่มากกว่า 50 นิวตันเมตร โดยทั่วไปแกนอะลูมิเนียมคอมโพสิตไม่สามารถทดแทนเหล็กซิลิกอนได้หากไม่มีการออกแบบมอเตอร์ใหม่อย่างมีนัยสำคัญ

ประสิทธิภาพและการสูญเสียแกนหลักที่ความถี่การทำงานของ EV

มอเตอร์ EV ทำงานในช่วงความถี่ที่กว้าง ตั้งแต่ใกล้ DC เมื่อสตาร์ทจนถึง 800–1200 Hz ที่การล่องเรือด้วยความเร็วสูง สำหรับมอเตอร์เสริมขนาดเล็ก ที่ความถี่เหล่านี้ การสูญเสียกระแสไหลวนมีอิทธิพลเหนือการสูญเสียแกนหลักในแกนสเตเตอร์มอเตอร์ขนาดเล็กของยานยนต์

การเคลือบเหล็กซิลิคอนที่ความหนา 0.20 มม. ช่วยลดกระแสไหลวนได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงถึงประมาณ 1,000 Hz อะลูมิเนียมคอมโพสิตและวัสดุ SMC มีความต้านทานสูงกว่าโดยธรรมชาติ ซึ่งในทางทฤษฎีจะจำกัดกระแสไหลวน แต่ความสามารถในการซึมผ่านที่ต่ำกว่าหมายความว่ามอเตอร์ต้องการกระแสแม่เหล็กมากขึ้น ส่งผลให้การสูญเสียทองแดง (I²R) เพิ่มขึ้นเพื่อชดเชย โดยทั่วไปผลกระทบด้านประสิทธิภาพสุทธิต่อแกนสเตเตอร์มอเตอร์ขนาดเล็กของยานยนต์คอมโพสิตอลูมิเนียมที่ 400–800 Hz ประสิทธิภาพลดลง 1.5–3.5 เปอร์เซ็นต์ กว่าการออกแบบเหล็กซิลิกอนเทียบเท่าที่จุดปฏิบัติการเดียวกัน

สำหรับมอเตอร์ปั๊มน้ำหล่อเย็น EV ขนาดเล็กที่มีพิกัด 500W ช่องว่างด้านประสิทธิภาพนี้แปลเป็น การสร้างความร้อนเพิ่มเติม 7.5–17.5W — ภาระการจัดการระบายความร้อนที่ไม่สำคัญในสภาพแวดล้อมใต้ฝากระโปรงที่ปิดสนิท

ความแตกต่างในการจัดการระบายความร้อน

อลูมิเนียมมีค่าการนำความร้อนที่ดีกว่ามาก ( 150–200 วัตต์/เมตร·เค ) เมื่อเทียบกับเหล็กซิลิกอน ( 25–30 วัตต์/เมตร·เคลวิน ). นี่เป็นส่วนหนึ่งที่แกนสเตเตอร์มอเตอร์ขนาดเล็กสำหรับยานยนต์ที่ทำจากอลูมิเนียมคอมโพสิตมีข้อได้เปรียบทางวิศวกรรมอย่างแท้จริง นั่นคือ ความร้อนที่เกิดขึ้นในขดลวดสามารถถูกพาออกไปจากสเตเตอร์ได้รวดเร็วยิ่งขึ้น ส่งผลให้อุณหภูมิจุดร้อนที่ฉนวนของขดลวดลดลง

ในมอเตอร์ขนาดเล็กที่ไม่มีการระบายความร้อนด้วยของเหลว เช่น มอเตอร์โบลเวอร์ EV HVAC หรือมอเตอร์พวงมาลัยเพาเวอร์อิเล็กทรอนิกส์ (EPS) ข้อได้เปรียบด้านความร้อนนี้สามารถยืดอายุของฉนวนได้อย่างมีนัยสำคัญ หรือให้ความหนาแน่นกระแสต่อเนื่องสูงขึ้นในขดลวด นักออกแบบที่ใช้อะลูมิเนียมคอมโพสิตแกนสเตเตอร์มอเตอร์ขนาดเล็กสำหรับยานยนต์ในการใช้งานดังกล่าวอาจสามารถใช้งานได้ ฉนวนคลาส F (155°C) แทนคลาส H (180°C) ลดต้นทุนวัสดุที่คดเคี้ยว

ความแข็งแรงทางกลและความสามารถในการผลิต

ชั้นเคลือบเหล็กซิลิคอนสำหรับแกนสเตเตอร์มอเตอร์ขนาดเล็กของยานยนต์ผลิตขึ้นโดยใช้การปั๊มแบบโปรเกรสซีฟความเร็วสูง ซึ่งเป็นกระบวนการที่ครบกำหนดและมีปริมาณสูง โดยมีต้นทุนเครื่องมือโดยทั่วไปตั้งแต่ 15,000–80,000 ดอลลาร์ ขึ้นอยู่กับความซับซ้อน แต่มีค่าใช้จ่ายต่อชิ้นต่ำที่สุด $0.50–$2.00 ในระดับ

แกนอลูมิเนียมคอมโพสิตและ SMC มักจะถูกอัดหรือหล่อด้วยรูปทรงเกือบสุทธิ ซึ่งช่วยให้รูปทรง 3D ที่ซับซ้อนเป็นไปไม่ได้ด้วยการเคลือบแบบประทับตรา เช่น แกนฟลักซ์สเตเตอร์ตามแนวแกนและช่องระบายความร้อนในตัว อย่างไรก็ตามวัสดุของบตท ความต้านทานแรงดึงต่ำกว่า (60–100 MPa เทียบกับ 350–500 MPa สำหรับเหล็กซิลิคอน) ทำให้เสี่ยงต่อการแตกร้าวภายใต้การประกอบแบบกดพอดีหรือแรงแม่เหล็กในแนวรัศมีสูง

• สเตเตอร์เหล็กซิลิคอน: ความแข็งแรงในแนวรัศมีสูง เหมาะสำหรับการประกอบตัวเรือนที่สอดแทรกการรบกวน
• สเตเตอร์อะลูมิเนียมคอมโพสิต: ต้องใช้การยึดติดด้วยกาวหรือการขึ้นรูปมากเกินไป ไม่เหมาะกับการสวมแบบสวมอัด
• สเตเตอร์ SMC: เปราะภายใต้โหลดกระแทก; ต้องมีการออกแบบที่พักสำหรับสภาพแวดล้อมที่มีการสั่นสะเทือน

สำหรับการใช้งานในยานยนต์ที่ต้องได้รับแรงสั่นสะเทือนจากถนน (โดยทั่วไป 10–2000 Hz สูงสุด 20g ) ความทนทานทางกลของแกนสเตเตอร์มอเตอร์ขนาดเล็กสำหรับยานยนต์ที่ทำจากเหล็กซิลิคอนเป็นข้อได้เปรียบด้านความน่าเชื่อถือที่สำคัญ

การเปรียบเทียบต้นทุนตลอดวงจรชีวิตผลิตภัณฑ์

ต้นทุนวัตถุดิบเอื้อต่อเหล็กซิลิคอน เหล็กซิลิกอนเกรดไฟฟ้ามีราคาประมาณ $1.2–$2.5/กก ที่ปริมาณยานยนต์ ในขณะที่อลูมิเนียมอัลลอยด์เหมาะสำหรับต้นทุนการใช้งานคอมโพสิตแม่เหล็ก $2.0–$4.5/กก ขึ้นอยู่กับเกรดและข้อกำหนดการรักษาพื้นผิว

อย่างไรก็ตาม ต้นทุนรวมในการเป็นเจ้าของแกนสเตเตอร์มอเตอร์ขนาดเล็กของยานยนต์จะต้องคำนึงถึงระดับระบบมอเตอร์ด้วย หากสเตเตอร์อะลูมิเนียมคอมโพสิตที่เบากว่าช่วยให้ใช้ชุดแบตเตอรี่ขนาดเล็กลงในแพลตฟอร์ม EV ที่ไวต่อน้ำหนักได้ ตัวอย่างเช่น ใน EV สองล้อหรือการใช้งานแบบเคลื่อนที่ขนาดเล็ก การประหยัดต้นทุนในระดับระบบอาจมีค่ามากกว่าต้นทุนวัสดุต่อคอร์ที่สูงขึ้น

สำหรับมอเตอร์เสริม EV สำหรับผู้โดยสารทั่วไป (กระจกไฟฟ้า ปั๊ม พัดลม) ราคาและประสิทธิภาพสำหรับเหล็กซิลิคอนยังคงอยู่ แข็งแกร่งขึ้นอย่างมาก ในปริมาณปัจจุบัน

ความเหมาะสมในการใช้งาน: เมื่อใดจึงควรเลือกแต่ละวัสดุ

วัสดุหลักที่เหมาะสมสำหรับแกนสเตเตอร์มอเตอร์ขนาดเล็กสำหรับยานยนต์นั้นขึ้นอยู่กับฟังก์ชันมอเตอร์เฉพาะและข้อกำหนดของแพลตฟอร์มเป็นอย่างมาก:

เลือกซิลิคอนสตีลเมื่อ:

• จำเป็นต้องมีความหนาแน่นของแรงบิดสูง (การยึดเกาะ, EPS, แอคทูเอเตอร์เบรก)
• ความถี่ในการทำงานเกิน 400 Hz อย่างต่อเนื่อง
• มีการระบุชุดประกอบตัวเรือนแบบสวมอัดหรือแบบหดเข้าไว้
• ราคาต่อหน่วยเป็นข้อจำกัดการออกแบบหลักที่ปริมาณมากกว่า 50,000/ปี
• เป้าหมายอายุการใช้งานมอเตอร์เกิน 10 ปี / 150,000 กม

เลือกอลูมิเนียมคอมโพสิตเมื่อ:

• งบประมาณน้ำหนักแพลตฟอร์มมีจำกัดมาก (ไมโคร EV, โดรน, จักรยานไฟฟ้า)
• จำเป็นต้องมีเส้นทางฟลักซ์ 3 มิติ (โทโพโลยีมอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกน)
• จำเป็นต้องมีโครงสร้างการจัดการระบายความร้อนแบบรวมภายในสเตเตอร์
• มอเตอร์ทำงานที่ความหนาแน่นฟลักซ์ต่ำถึงปานกลางต่ำกว่า 0.8 T
• การผลิตต้นแบบหรือปริมาณน้อยที่ต้นทุนการใช้แม่พิมพ์เป็นสิ่งต้องห้าม

สำหรับแอปพลิเคชันหลักของสเตเตอร์มอเตอร์ขนาดเล็กสำหรับยานยนต์ส่วนใหญ่ในแพลตฟอร์ม EV ในปัจจุบัน เหล็กซิลิคอน (ไม่เชิง 0.20–0.35 มม. เกรด 35H270 ถึง 35H300) ยังคงเป็นวัสดุที่เหมาะสมที่สุด — นำเสนอประสิทธิภาพแม่เหล็กที่ไม่มีใครเทียบได้ ความทนทานทางกล ความพร้อมในการผลิต และประสิทธิภาพด้านต้นทุน แกนอะลูมิเนียมคอมโพสิตนำเสนอกรณีที่น่าสนใจเฉพาะในการใช้งานเฉพาะกลุ่มที่มวลมีความสำคัญอย่างยิ่ง และข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพแม่เหล็กนั้นพอประมาณ ในขณะที่เทคโนโลยี SMC และอลูมิเนียมคอมโพสิตเติบโตเต็มที่ — โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการปรับปรุงการซึมผ่านและลดการสูญเสียแกนกลางที่ความหนาแน่นฟลักซ์สูง — บทบาทของพวกเขาในตลาดแกนสเตเตอร์มอเตอร์ขนาดเล็กสำหรับยานยนต์อาจขยายตัว โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อสถาปัตยกรรมมอเตอร์ฟลักซ์ตามแนวแกนได้รับแรงฉุดในระบบขับเคลื่อน EV ยุคหน้า