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特斯拉感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子專利解析

發(fā)布時間:2017-08-14 來源:姚青弋 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】這一項技術(shù)曾是Tesla關(guān)于電機的秘密,這項專利2014年和Tesla的其他專利一并公開,從此可以一窺其中的巧妙之處。應(yīng)用在特斯拉(Tesla)Model S的感應(yīng)電動機銅芯轉(zhuǎn)子是一項創(chuàng)新的技術(shù),即專利US20130069476。我將它稱為工程師的藝術(shù),用精妙來稱贊它也不足為過。
 
1. 首先賣個關(guān)子,在永磁同步電機占據(jù)大半壁江山的局勢下,為什么Tesla要選擇感應(yīng)電動機?
 
電動汽車/混合動力汽車的電機解決方案一般有:感應(yīng)電動機(即交流異步電動機),永磁同步電動機,開關(guān)磁阻電機三種。其中開關(guān)磁阻電動機震動、噪聲較大,在大型客車上有所應(yīng)用,而乘用車領(lǐng)域多為前兩者,即感應(yīng)電機或永磁同步電動機。說起感應(yīng)電機和永磁同步電機的轉(zhuǎn)子區(qū)別,從材料上看可以簡單認為:除了兩者都需要使用的硅鋼片,永磁同步電機中使用了永磁材料,感應(yīng)電機的轉(zhuǎn)子則通常用鋁或銅來制造。
 
那么感應(yīng)電機和永磁同步電動機比較起來,二者孰優(yōu)孰劣?我作了一張簡單的圖對比了它們的性能。
 
特斯拉感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子專利解析
 
從性能上看,永磁同步電機在瞬態(tài)仍然可以保證較高的效率,同時有著更大的功率密度,因此適用于頻繁起停的工況以及較小的乘用車布置空間。而感應(yīng)電動機勝在成本低、可靠性更高,同時穩(wěn)態(tài)的效率也不錯(大部分工況85%~90%以上),因而在高速路網(wǎng)發(fā)達的工況以及較大的乘用車布置空間的條件下,感應(yīng)電機可以滿足需求。
 
此外,另一個很重要的因素是:永磁同步電機所需要的釹鐵硼永磁材料是稀土資源,對于稀土資源缺少或稀土工業(yè)不發(fā)達的國家而言,車用動力電機的技術(shù)方案是與國家安全相關(guān)的。
 
綜合以上因素,應(yīng)用兩種解決方案的國家與地區(qū)如下圖:
 
特斯拉感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子專利解析
 
當(dāng)然,也并不能一概而論地說,歐美英所有的電動車都使用了感應(yīng)電機,永磁同步電機或鐵氧體同步電機(這個技術(shù)也避免了永磁材料的使用)等技術(shù)方案在歐美英同樣存在。而對于我國和日本而言,我國擁有全球70%的稀土資源,釹鐵硼磁性材料的總產(chǎn)量達到全球的80%(盡管高端釹鐵硼產(chǎn)量有限)。日本則是稀土產(chǎn)業(yè)的大國,世界銷量前三的釹鐵硼公司:住友特殊金屬公司、新越化學(xué)實業(yè)公司和TDK集團都是日本公司,其實力可見一斑。
 
因而Tesla選擇感應(yīng)電機是更可靠(沒有退磁風(fēng)險)、低成本(永磁材料成本占到同步電機材料成本的70%)、高效率的解決方案。至于Tesla是怎么將感應(yīng)電機做到更加高效,就要看銅芯轉(zhuǎn)子的技術(shù)了。
 
2. 銅芯轉(zhuǎn)子的優(yōu)點與制造
 
感應(yīng)電動機的主流結(jié)構(gòu)叫做鼠籠電機,名字的來源是由于它的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)好比就是一個鼠籠:
 
特斯拉感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子專利解析
 
在工業(yè)感應(yīng)電機的生產(chǎn)制造中,這樣的鼠籠通常都是用鋁鑄造而成,鋁有著較好的電導(dǎo)率和較低的熔點(660.4℃)成本也有優(yōu)勢,因而鑄鋁轉(zhuǎn)子成為了感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子的主流。
 
但是使用鑄鋁轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電機效率有限,難以更進一步,如果使用電導(dǎo)率更高的銅來制作鼠籠,電機的效率將會顯著提升!
 
不同金屬材料的電導(dǎo)率如下圖(藍色線是銅,粉色線是鋁):
 
特斯拉感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子專利解析
 
但是問題來了,既然銅有百般好,為什么卻不用它?原因是銅的熔點高(1083℃)、銅芯轉(zhuǎn)子難以制造。
 
首先來看用鑄造的方法來生產(chǎn)銅芯轉(zhuǎn)子,在AC Propulsion和MIT關(guān)于鑄銅轉(zhuǎn)子的合作研究中,研究者嘗試通過鑄造相同尺寸的銅芯轉(zhuǎn)子電機,來對比不同的鑄銅工藝。他們先是嘗試制造了直徑為6英寸的轉(zhuǎn)子,結(jié)果出現(xiàn)了下圖的情況:
 
特斯拉感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子專利解析
 
由于鑄銅端環(huán)氣泡過多、無法進入間隙等問題,6英寸的銅芯轉(zhuǎn)子無法通過鑄造方案制造出來。于是他們轉(zhuǎn)而制造了3英寸的銅芯轉(zhuǎn)子進行實驗。
 
從該研究中,可以看出較大尺寸的銅芯轉(zhuǎn)子對鑄造有著極高的工藝要求,可靠的鑄銅工藝還很罕見。
 
那么轉(zhuǎn)而使用焊接呢?實際上,通過焊接手段制造銅芯轉(zhuǎn)子是主流的技術(shù)手段,它的制造過程是這樣的:先將銅條插在轉(zhuǎn)子槽中,再在兩側(cè)焊上端環(huán)(端環(huán)通常使用離心鑄造法制造,離心鑄造的工藝可以排出其中的雜質(zhì)和氣泡),如下圖:
 
特斯拉感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子專利解析
 
但制造銅芯轉(zhuǎn)子的焊接工藝需要采用感應(yīng)釬焊,成本較高。且由于電機轉(zhuǎn)子的工作條件,對焊接點的強度要求比較大。如果焊接點出現(xiàn)損壞,輕則影響整個電機的性能,重則造成轉(zhuǎn)子損毀。
 
永磁體昂貴、鑄鋁轉(zhuǎn)子效率低、鑄銅轉(zhuǎn)子工藝難度大、焊接銅工藝成本高,在這樣的情況下,Tesla Motors是怎么做的呢?
 
3. Tesla的專利Rotor Design for An Electric Motor
 
先是與焊接鼠籠技術(shù)方案相同,將銅條插入了轉(zhuǎn)子槽中,插完之后效果如下圖:
 
特斯拉感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子專利解析
 
實物差不多是這個樣子:
 
特斯拉感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子專利解析
 
然后,下一步本應(yīng)該是焊接端環(huán),而Tesla卻另辟蹊徑!
 
Tesla制造了一組表面鍍銀的銅質(zhì)楔子,將這些楔子插入了銅條端部的間隙之中,這樣一個機械構(gòu)造的端環(huán)就制造完成了!
 
特斯拉感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子專利解析
(楔子形狀)
 
特斯拉感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子專利解析
(轉(zhuǎn)子端部爆炸圖)
 
特斯拉感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子專利解析
(轉(zhuǎn)子軸向視圖)
 
插完楔子之后,在楔子和銅條之間進行焊接,這個焊接要求比焊接方案中端環(huán)的感應(yīng)釬焊成本、難度都低多了。焊接之后,再在兩端箍上禁錮環(huán)(下圖中107部件):
 
特斯拉感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子專利解析
 
禁錮環(huán)的配合有效保證了轉(zhuǎn)子的機械強度,實物如下圖:
 
特斯拉感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子專利解析
 
這個專利用巧妙的方案完成了低成本、高效率的銅芯轉(zhuǎn)子制造,堪稱Tesla的核心技術(shù)之一。
 
這一項技術(shù)曾是Tesla關(guān)于電機的秘密,我在閱讀專利之前對此一無所知,僅僅是閱讀的過程就猶如揭秘,十分過癮,想來如果親身參與機器的研發(fā),一定是滿滿的得意!
 
(來源:第一電動網(wǎng))
 
 
 
 
 
 
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