ما هي المفاضلات بين الوزن والأداء بين مركب الألومنيوم والجزء الثابت من المحرك الصغير المصنوع من الفولاذ السيليكوني لتطبيقات المركبات الكهربائية خفيفة الوزن؟

لتطبيقات EV خفيفة الوزن، ويظل السيليكون الصلب هو الخيار السائد ل السيارات الصغيرة المحرك الجزء الثابت الأساسية نظرًا لأدائه المغناطيسي الفائق، بينما يوفر مركب الألومنيوم توفيرًا كبيرًا في الوزن على حساب الكفاءة المغناطيسية. القرار ليس ثنائيًا، بل يعتمد على حجم المحرك، وتكرار التشغيل، والبيئة الحرارية، والتكلفة المستهدفة. في معظم محركات الجر والمحركات الكهربائية المساعدة اليوم، توفر شرائح السيليكون الصلب (0.20-0.35 مم، الدرجات غير الموجهة) أفضل توازن لفقد الحديد، وكثافة تدفق التشبع، والموثوقية الميكانيكية. تكتسب نوى الألومنيوم المركبة تقدمًا في المحركات المساعدة المحددة ذات عزم الدوران المنخفض وعالية السرعة حيث يكون تقليل الكتلة هو محرك التصميم الأساسي.

أساسيات المواد: مما يتكون كل نواة

تم تصنيع قلب الجزء الثابت للمحرك الصغير التقليدي للسيارات من صفائح رفيعة ومكدسة من فولاذ السيليكون الكهربائي (سبائك Fe-Si)، والتي تحتوي عادةً على 2% - 3.5% من السيليكون. هذه الصفائح مغلفة بالعزل لقمع التيارات الدوامة ويتم ضغطها أو تشابكها في كومة الجزء الثابت الأسطوانية.

على النقيض من ذلك، يستخدم قلب الجزء الثابت المركب من الألومنيوم مواد مركبة مغناطيسية ناعمة (SMC) أو مركبات مصفوفة الألومنيوم المعززة بجزيئات مغناطيسية أو سبائك الألومنيوم المصفحة مع دوائر مغناطيسية مدمجة. كثافة المادة الأساسية تقريبًا 2.7 جم/سم3 لسبائك الألومنيوم مقابل 7.65-7.85 جم/سم3 للصلب السيليكوني — فرق وزن يقارب 3:1 عند الحجم المكافئ.

مقايضة الوزن: ما هو المبلغ الذي يمكنك توفيره بالفعل؟

يعد تقليل الوزن هو الحجة الأساسية لمركب الألومنيوم في الجزء الثابت من المحرك الصغير للسيارات. بالنسبة للعضو الساكن للمحرك المساعد الصغير الذي يبلغ قطره الخارجي 80 مم وطول الكومة 40 مم، قد يزن قلب السيليكون الفولاذي حوالي 320-380 جرام ، بينما يمكن أن يستهدف تصميم مركب من الألومنيوم مكافئًا 110-140 جرام - تخفيض تقريبًا 60-65% .

ومع ذلك، نظرًا لأن الألومنيوم لديه تشبع مغناطيسي أقل، غالبًا ما يحتاج المصمم إلى زيادة مساحة المقطع العرضي للدائرة المغناطيسية للحفاظ على التدفق المكافئ، مما يعوض جزئيًا التوفير في وزن المادة الخام. من الناحية العملية، فإن التوفير الشامل في العالم الحقيقي في قلب الجزء الثابت من المحرك الصغير المُعاد تحسينه من الألومنيوم يصل عادةً إلى 30-45% مقارنة بتصميم الفولاذ السيليكوني الأمثل.

مقارنة الأداء المغناطيسي

الأداء المغناطيسي هو المكان الذي يقود فيه فولاذ السيليكون بشكل حاسم. تتضمن المعلمات الأساسية للجزء الثابت من المحرك الصغير للسيارات كثافة تدفق التشبع (Bs)، والنفاذية النسبية (μr)، والخسارة الأساسية (W/kg).

تعني كثافة تدفق التشبع المنخفضة لمركب الألومنيوم أن قلب الجزء الثابت للمحرك الصغير للسيارات يجب أن يكون أكبر ماديًا أو يعمل بكثافة تدفق أقل، مما يقلل بشكل مباشر من كثافة عزم الدوران. لمحرك الجر الذي يتطلب ذروة عزم الدوران فوق 50 نيوتن متر ، لا تعد نوى الألومنيوم المركبة عمومًا بديلاً قابلاً للتطبيق لفولاذ السيليكون دون إعادة تصميم كبيرة للمحرك.

الكفاءة والخسارة الأساسية في ترددات تشغيل المركبات الكهربائية

تعمل محركات المركبات الكهربائية عبر نطاق ترددي واسع — بدءًا من التيار المباشر القريب عند بدء التشغيل وحتى 800-1200 هرتز عند الإبحار عالي السرعة للمحركات المساعدة الصغيرة. في هذه الترددات، تهيمن خسائر التيار الدوامي على الخسارة الأساسية في قلب الجزء الثابت من المحرك الصغير للسيارات.

تعمل شرائح السيليكون الفولاذية بسماكة 0.20 مم على منع التيارات الدوامة بفعالية تصل إلى 1000 هرتز تقريبًا. تتمتع مواد الألومنيوم المركبة والمواد SMC بمقاومة أعلى بطبيعتها، مما يحد نظريًا من التيارات الدوامة - لكن نفاذيتها المنخفضة تعني أن المحرك يتطلب تيارًا ممغنطًا أكبر، مما يزيد من خسائر النحاس (I²R) للتعويض. عادةً ما يكون التأثير الصافي للكفاءة على الجزء الثابت للمحرك الصغير المصنوع من الألومنيوم عند 400-800 هرتز هو انخفاض الكفاءة بمقدار 1.5 إلى 3.5 نقطة مئوية من تصميم فولاذي من السيليكون المكافئ في نفس نقطة التشغيل.

بالنسبة لمحرك مضخة تبريد EV صغير بقدرة 500 واط، تترجم فجوة الكفاءة هذه إلى 7.5-17.5 واط من توليد الحرارة الإضافية - عبء إدارة الحرارة غير التافه في بيئة مغلقة أسفل الغطاء.

اختلافات الإدارة الحرارية

يتمتع الألومنيوم بموصلية حرارية أفضل بكثير ( 150-200 واط/م·ك ) بالمقارنة مع الصلب السيليكون ( 25-30 واط/م·ك ). هذا هو أحد المجالات التي يوفر فيها قلب الجزء الثابت من المحرك الصغير المصنوع من الألومنيوم ميزة هندسية حقيقية: يمكن نقل الحرارة المتولدة في اللفات بعيدًا عن الجزء الثابت بسرعة أكبر، مما يقلل درجات حرارة النقاط الساخنة عند عزل الملف.

في المحركات الصغيرة التي لا تحتوي على تبريد سائل - مثل محركات منفاخ EV HVAC أو محركات التوجيه الإلكتروني (EPS) - يمكن لهذه الميزة الحرارية إطالة عمر العزل بشكل كبير أو السماح بكثافة تيار مستمرة أعلى في اللفات. قد يتمكن المصممون الذين يستخدمون نواة الجزء الثابت من المحرك الصغير المصنوع من الألومنيوم في مثل هذه التطبيقات من استخدامها عزل الفئة F (155 درجة مئوية) بدلاً من الفئة H (180 درجة مئوية) ، تقليل تكاليف المواد المتعرجة.

القوة الميكانيكية وقابلية التصنيع

يتم تصنيع أكوام تصفيح الفولاذ السيليكوني للجزء الثابت من المحرك الصغير للسيارات باستخدام ختم تقدمي عالي السرعة - وهي عملية ناضجة وعالية الحجم تتراوح تكاليف الأدوات عادةً من 15000 دولار - 80000 دولار اعتمادًا على التعقيد، ولكن بتكاليف منخفضة لكل جزء 0.50 دولار – 2.00 دولار على نطاق واسع.

غالبًا ما تكون نوى مركب الألومنيوم وSMC على شكل شبه شبكي مضغوطة أو مصبوبة، مما يتيح إنشاء أشكال هندسية ثلاثية الأبعاد معقدة مستحيلة مع الصفائح المختومة - مثل نوى الجزء الثابت ذات التدفق المحوري وقنوات التبريد المتكاملة. ومع ذلك، فإن مواد SMC لها قوة شد أقل (60-100 ميجا باسكال مقابل 350-500 ميجا باسكال للصلب السيليكوني) مما يجعلها عرضة للتشقق تحت التجميع المناسب للضغط أو القوى المغناطيسية الشعاعية العالية.

• الجزء الثابت من الفولاذ السيليكوني: قوة شعاعية عالية، مناسبة لتجميع المبيت المناسب للتداخل
• الجزء الثابت من مركب الألومنيوم: يتطلب رابطة لاصقة أو قولبة زائدة؛ غير مناسب للضغط
• الجزء الثابت SMC: هش تحت أحمال الصدمات؛ يتطلب تسهيلات التصميم لبيئات الاهتزاز

لتطبيقات السيارات المعرضة للاهتزاز الناجم عن الطريق (عادةً 10-2000 هرتز، يصل إلى 20 جرامًا ) ، تعد المتانة الميكانيكية للجزء الثابت من المحرك الصغير المصنوع من الفولاذ السيليكوني ميزة موثوقية كبيرة.

مقارنة التكلفة على مدى دورة حياة المنتج

تكلفة المواد الخام تفضل السيليكون الصلب. يكلف فولاذ السيليكون من الدرجة الكهربائية تقريبًا 1.2-2.5 دولار/كجم في أحجام السيارات، في حين أن تكلفة سبائك الألومنيوم المناسبة للتطبيقات المركبة المغناطيسية 2.0 دولار – 4.5 دولار/كجم اعتمادا على متطلبات الدرجة والمعالجة السطحية.

ومع ذلك، فإن التكلفة الإجمالية لملكية الجزء الثابت للمحرك الصغير للسيارات يجب أن تأخذ في الاعتبار مستوى نظام المحرك. إذا كان الجزء الثابت من الألومنيوم المركب أخف وزنًا يتيح حزمة بطارية أصغر في منصة مركبة كهربائية حساسة للوزن - على سبيل المثال، في مركبة كهربائية ذات عجلتين أو تطبيق التنقل الصغير - فإن وفورات التكلفة على مستوى النظام يمكن أن تفوق تكلفة المواد الأعلى لكل نواة.

بالنسبة للمحركات المساعدة الرئيسية للمركبات الكهربائية للركاب (النوافذ الكهربائية والمضخات والمراوح)، تظل حالة التكلفة والأداء للفولاذ السيليكوني أقوى إلى حد كبير في الكميات الحالية.

ملاءمة التطبيق: متى تختار كل مادة

تعتمد المادة الأساسية المناسبة للجزء الثابت من المحرك الصغير للسيارات بشكل كبير على وظيفة المحرك المحددة ومتطلبات النظام الأساسي:

اختر الفولاذ السيليكوني عندما:

• مطلوب كثافة عزم دوران عالية (الجر، EPS، مشغلات الكبح)
• ترددات التشغيل تتجاوز 400 هرتز بشكل مستمر
• تم تحديد مجموعة مبيت ملائمة للضغط أو قابلة للانكماش
• تعتبر التكلفة لكل وحدة عائقًا رئيسيًا للتصميم عند الأحجام التي تزيد عن 50000 وحدة سنويًا
• العمر المستهدف للمحرك يتجاوز 10 سنوات / 150.000 كم

اختر مركب الألومنيوم عندما:

• ميزانية وزن المنصة ضيقة للغاية (المركبات الكهربائية الصغيرة والطائرات بدون طيار والدراجات الإلكترونية)
• مسارات التدفق ثلاثية الأبعاد مطلوبة (طوبولوجيا محرك التدفق المحوري)
• هناك حاجة إلى هياكل الإدارة الحرارية المتكاملة داخل الجزء الثابت
• يعمل المحرك بكثافة تدفق منخفضة إلى متوسطة أقل من 0.8 طن
• النموذج الأولي أو الإنتاج منخفض الحجم حيث تكون تكلفة أدوات القالب باهظة

بالنسبة للغالبية العظمى من التطبيقات الأساسية للمحرك الصغير للسيارات في منصات EV اليوم، يظل السيليكون الصلب (غير الموجه، 0.20-0.35 مم، الدرجات 35H270 إلى 35H300) هو المادة المثالية - تقديم أداء مغناطيسي لا مثيل له، ومتانة ميكانيكية، ونضج تصنيعي، وكفاءة من حيث التكلفة. تقدم نوى الألومنيوم المركبة حالة مقنعة فقط في التطبيقات المتخصصة حيث تكون الكتلة أمرًا بالغ الأهمية وتكون متطلبات الأداء المغناطيسي متواضعة. مع نضوج تقنيات SMC ومركب الألومنيوم - لا سيما في تحسين النفاذية وتقليل فقدان النواة عند كثافات التدفق العالية - قد يتوسع دورها في سوق السيارات الصغيرة ذات المحرك الثابت، خاصة مع اكتساب معماريات محركات التدفق المحوري قوة الجر في الجيل التالي من محركات السيارات الكهربائية.