工程师的精妙艺术！特斯拉感应电机转子专利解析

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工程师的精妙艺术！特斯拉感应电机转子专利解析
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第一电动大牛说 姚青弋
2017-08-11 07:55

应用在特斯拉（Tesla）Model S的感应电动机铜芯转子是一项创新的技术，即专利US20130069476。我将它称为工程师的艺术，用精妙来称赞它也不足为过。

我很喜欢这项专利，会尽量将它讲述得精彩一些。这项专利2014年和Tesla的其他专利一并公开，从此可以一窥其中的巧妙之处。

1. 首先卖个关子，在永磁同步电机占据大半壁江山的局势下，为什么Tesla要选择感应电动机？

电动汽车/混合动力汽车的电机解决方案一般有：感应电动机（即交流异步电动机），永磁同步电动机，开关磁阻电机三种。其中开关磁阻电动机震动、噪声较大，在大型客车上有所应用，而乘用车领域多为前两者，即感应电机或永磁同步电动机。说起感应电机和永磁同步电机的转子区别，从材料上看可以简单认为：除了两者都需要使用的硅钢片，永磁同步电机中使用了永磁材料，感应电机的转子则通常用铝或铜来制造。

那么感应电机和永磁同步电动机比较起来，二者孰优孰劣？我作了一张简单的图对比了它们的性能。



从性能上看，永磁同步电机在瞬态仍然可以保证较高的效率，同时有着更大的功率密度，因此适用于频繁起停的工况以及较小的乘用车布置空间。而感应电动机胜在成本低、可靠性更高，同时稳态的效率也不错（大部分工况85%~90%以上），因而在高速路网发达的工况以及较大的乘用车布置空间的条件下，感应电机可以满足需求。

此外，另一个很重要的因素是：永磁同步电机所需要的钕铁硼永磁材料是稀土资源，对于稀土资源缺少或稀土工业不发达的国家而言，车用动力电机的技术方案是与国家安全相关的。

综合以上因素，应用两种解决方案的国家与地区如下图：



当然，也并不能一概而论地说，欧美英所有的电动车都使用了感应电机，永磁同步电机或铁氧体同步电机（这个技术也避免了永磁材料的使用）等技术方案在欧美英同样存在。而对于我国和日本而言，我国拥有全球70%的稀土资源，钕铁硼磁性材料的总产量达到全球的80%（尽管高端钕铁硼产量有限）。日本则是稀土产业的大国，世界销量前三的钕铁硼公司：住友特殊金属公司、新越化学实业公司和TDK集团都是日本公司，其实力可见一斑。

因而Tesla选择感应电机是更可靠（没有退磁风险）、低成本（永磁材料成本占到同步电机材料成本的70%）、高效率的解决方案。至于Tesla是怎么将感应电机做到更加高效，就要看铜芯转子的技术了。

2. 铜芯转子的优点与制造

感应电动机的主流结构叫做鼠笼电机，名字的来源是由于它的转子结构好比就是一个鼠笼：



在工业感应电机的生产制造中，这样的鼠笼通常都是用铝铸造而成，铝有着较好的电导率和较低的熔点（660.4℃）成本也有优势，因而铸铝转子成为了感应电机转子的主流。

但是使用铸铝转子的感应电机效率有限，难以更进一步，如果使用电导率更高的铜来制作鼠笼，电机的效率将会显著提升！

不同金属材料的电导率如下图（蓝色线是铜，粉色线是铝）：



但是问题来了，既然铜有百般好，为什么却不用它？原因是铜的熔点高（1083℃）、铜芯转子难以制造。

首先来看用铸造的方法来生产铜芯转子，在AC Propulsion和MIT关于铸铜转子的合作研究中，研究者尝试通过铸造相同尺寸的铜芯转子电机，来对比不同的铸铜工艺。他们先是尝试制造了直径为6英寸的转子，结果出现了下图的情况：



由于铸铜端环气泡过多、无法进入间隙等问题，6英寸的铜芯转子无法通过铸造方案制造出来。于是他们转而制造了3英寸的铜芯转子进行实验。

从该研究中，可以看出较大尺寸的铜芯转子对铸造有着极高的工艺要求，可靠的铸铜工艺还很罕见。

那么转而使用焊接呢？实际上，通过焊接手段制造铜芯转子是主流的技术手段，它的制造过程是这样的：先将铜条插在转子槽中，再在两侧焊上端环（端环通常使用离心铸造法制造，离心铸造的工艺可以排出其中的杂质和气泡），如下图：



但制造铜芯转子的焊接工艺需要采用感应钎焊，成本较高。且由于电机转子的工作条件，对焊接点的强度要求比较大。如果焊接点出现损坏，轻则影响整个电机的性能，重则造成转子损毁。

永磁体昂贵、铸铝转子效率低、铸铜转子工艺难度大、焊接铜工艺成本高，在这样的情况下，Tesla Motors是怎么做的呢？

3. Tesla的专利Rotor Design for An Electric Motor

先是与焊接鼠笼技术方案相同，将铜条插入了转子槽中，插完之后效果如下图：



实物差不多是这个样子：



然后，下一步本应该是焊接端环，而Tesla却另辟蹊径！

Tesla制造了一组表面镀银的铜质楔子，将这些楔子插入了铜条端部的间隙之中，这样一个机械构造的端环就制造完成了！



（楔子形状）



（转子端部爆炸图）



（转子轴向视图）

插完楔子之后，在楔子和铜条之间进行焊接，这个焊接要求比焊接方案中端环的感应钎焊成本、难度都低多了。焊接之后，再在两端箍上禁锢环（下图中107部件）：



禁锢环的配合有效保证了转子的机械强度，实物如下图：



这个专利用巧妙的方案完成了低成本、高效率的铜芯转子制造，堪称Tesla的核心技术之一。

这一项技术曾是Tesla关于电机的秘密，我在阅读专利之前对此一无所知，仅仅是阅读的过程就犹如揭秘，十分过瘾，想来如果亲身参与机器的研发，一定是满满的得意！

参考资料：

https://www.google.com/patents/US20130069476

图片来源：

图片来源：http://www.elecmat.com/ac-rotors/

图片来源：Improving the Efficiency of High Speed Induction Motors Using Die Cast Copper Rotors http://www.coppermotor.com/wp-co ... -report-11Jul13.pdf

图片来源：http://www.thefabricator.com/art ... r-your-contact-tips

来源：第一电动网

作者：姚青弋

螺旋线

俺见过电镀的铜鼠笼，属于那个行业的机密工艺。