Vad är en hårnålsmotor – fördelar och monteringsprocess

Huvudbild med tillstånd av Zeiss

Hårnålsmotorer används allt oftare i elfordon. De är mer effektiva, har högre effekttäthet och bättre värmeprestanda samt är enklare att tillverka än tidigare typer av elmotorer.

Fördelarna med hårnålsmotorer gör elfordon mer konkurrenskraftiga, inte bara jämfört med tidigare generationer av elbilar, utan även jämfört med förbränningsmotorer.

I den här artikeln kommer vi att gå igenom följande ämnen:

• Hur fungerar elmotorer?
• Vad är en hårnålsmotor?
  • Fördelar med hårnålstatorer
  • Skyddslack & beläggning i hårnålsmotorer
• Tillverkning av hårnålsmotorer
  • Tillverkningsprocessen för hårnålstatorer
  • Laserstrippning & svetsning för att bilda en komplett elektrisk krets
  • Impregneringsprocessen för hårnålar & anslutningar till elmotorn

Hur fungerar elmotorer?

Innan vi utforskar hur hårnålsmotorer fungerar är det viktigt att förstå hur elmotorer i elbilar fungerar. Här är några begrepp inom elmotorer som är avgörande för att förstå varför hårnålsmotorer gör skillnad.

I hybrid- och elfordon omvandlar elmotorer den elektricitet som tillförs från batterierna till rörelse för att driva hjulen. Rörelsen uppnås genom att skapa motsatta magnetfält: ett i statorn och ett i rotorn. Det är magnetiska attraktion- och repulsionskrafter mellan statorn och rotorn som får rotorn att rotera.

I statorn genereras magnetfältet av den elektricitet som löper genom kopparlindningarna.

Men i rotorn är det en annan historia. De två vanligaste typerna av elmotorer genererar magnetkraften på olika sätt i rotorn: I permanentmagnetmotorergenererar magneter placerade i rotorn ett permanent magnetfält. I induktionsmotorerinduceras rotorns magnetfält. Detta görs med hjälp av aluminium- eller kopparstänger i rotorn. Eftersom dessa stänger befinner sig i statorns magnetfält induceras en elektrisk ström i dem, vilket sedan genererar rotorns magnetfält.

Vad är en hårnålsmotor?

En hårnålsmotor är en elmotor vars statorlindning är gjord med hårnålar istället för runda trådar. Hårnålar är rektangulära och stora jämfört med trådar. Deras rektangulära form möjliggör en bättre fyllningsfaktor, vilket innebär att kopparlindningen utnyttjar utrymmet bättre (≈20 % mer effektivt).

Fördelar med hårnålstatorer

Hårnålslindningstekniken ger en rad fördelar:

• Tack vare den bättre fyllningsfaktorn genererar den extra kopparn ett starkare magnetfält. Detta möjliggör en kraftigare rotation av rotorn och högre vridmoment vid hjulen.
• En bättre fyllningsfaktor innebär att statorn kan vara mindre.
• Energiförlusterna när den elektriska strömmen passerar kopparn (så kallade kopparförluster) är minimala. Detta beror på den optimerade lindningsbanan (identisk och symmetrisk form på alla lindningsvarv).
• Elmotorn kan använda mindre energi för att producera samma mängd effekt, vilket bidrar till att förlänga fordonets räckvidd.
• Hårnålarnas symmetriska och solida form gör dem lättare att linda än runda trådar, vilket förenklar monteringen avsevärt.
• Runda trådar behöver bindtrådar för att hålla ihop lindningen (en process som kallas statorlindning). Detta krävs inte för hårnålar.
• Hårnålsmotorer har en lägre risk för fel på lång sikt. Detta beror på att deras större, mer solida ledare påverkas mindre av vibrationer.
• Hårnålar kan leda mer ström än runda trådar. Denna bättre effektivitet genererar mindre värme i lindningen och i motorn. Detta förenklar temperaturhanteringen och förbättrar motorns tillförlitlighet och livslängd.
• Till skillnad från runda trådar kan hårnålar placeras exakt, vilket leder till en mycket renare design.

Skyddslack och beläggning i hårnålsmotorer

Precis som koppartrådar är kopparhårnålar belagda med en skyddslack (kallad isoleringsskikt) som förhindrar att den elektriska strömmen går åt alla håll när hårnålarna vidrör varandra. Hårnålstatorer använder vanligtvis en av följande lacker:

• Polyamidimider (PAI)
• Polyetereterketon (PEEK)
• Polyamidimider med polyimidfolie (PAI+FEP)

Tillverkning av hårnålsmotorer

Tillverkningsprocessen för hårnålstatorer

Följande video visar tillverkningsprocessen för en hårnålstator – den avgörande delen av en hårnålsmotor. Några av de steg du kan se är:

• Isoleringspapperet som placeras i statorspåren för att förhindra nötning mellan hårnålarna och stållamellerna
• Tillverkningsprocessen för hårnålarna
• Kvalitetskontroll för att säkerställa att toleranserna uppfylls
• Laserstrippning av isoleringsskiktet
• Lasersvetsningsprocessen för hårnålarna
• Impregneringsprocessen där en del av statorn täcks med en pulverlack för att skydda de exponerade områden som har svetsats

Laserstrippning och lasersvetsning för att bilda en komplett elektrisk krets

Medan de traditionella runda trådarna som används i statorer redan bildar en kontinuerlig väg, måste hårnålar kopplas samman med varandra för att bilda en komplett elektrisk krets. Det är här laseravskalning och lasersvetsning kommer in.

Lacken på hårnålarnas ändar måste avlägsnas före svetsning för att säkerställa att den inte tränger in och förorenar svetsfogarna.

Mekanisk slipning kan användas för att ta bort det isolerande skiktet, men laserslipning är mer jämnt och precist. Roterande borstar slits på grund av friktion och kräver regelbundet underhåll för att förhindra ojämna resultat. De slipar också bort en del av basmetallen under det isolerande skiktet, vilket tar bort koppar – en oönskad bieffekt.

Impregneringsprocess för hårnålar och anslutningar till elmotor

Efter hårnålssvetsning behöver den sida av statorn där svetsarna är exponerade skyddas mot oxidation, fukt och andra ledande material. Av denna anledning appliceras en epoxipulverbeläggning för att isolera och skydda de områden som har svetsats. Denna process kallas impregnering.

För att göra de slutliga anslutningarna måste denna epoxi avlägsnas från anslutningsflikarna som kommer att anslutas till andra delar av elmotorn vid monteringsstadiet.

Beroende på statorns konstruktion kan olika delar behöva laserstrippas och svetsas. Exempel på detta är hårnålar, anslutningsflikar och statorbroar.

Här kan du se ett exempel på laserstrippningsprocessen för tjocka epoxibeläggningar.

Hairpin Motors roll i framtiden för e-mobilitet

Hårnålslindning är en växande teknik som snabbt etablerar sig inom bilindustrin för att konstruera mer effektiva motorer.

Hårnålsmotorer kan hålla jämna steg med större batterier, tar mindre plats och väger mindre (vilket i sin tur minskar fordonets vikt). De är ett steg i rätt riktning för att göra elfordon mer konkurrenskraftiga och prisvärda för alla.

Prata med en expert

Stéphane Melançon

Teknisk expert och konsult inom batterier och elektriska framdrivningssystem, Stéphane har en examen i fysik med inriktning mot fotonik, optik, elektronik, robotik och akustik. Engagerad i omställningen till elfordon har han utvecklat industriella batteripaket för elcyklar. På fritiden driver han en YouTube-kanal om allt som rör el.

Webbplats LinkedIn