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。 

我很喜歡這項專利，會盡量將它講述得精彩一些。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。 

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(rèn)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。

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(dá)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(dá)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：

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(dá)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(tuán)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：

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(jìn)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(lán)色線是銅，粉色線是鋁）：

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：

由于鑄銅端環(huán)氣泡過多、無法進(jìn)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(jìn)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：

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：

實物差不多是這個樣子：

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！

（楔子形狀）

（轉(zhuǎn)子端部爆炸圖）

（轉(zhuǎn)子軸向視圖）

插完楔子之后，在楔子和銅條之間進(jìn)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）：

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：

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！

參考資料：

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

圖片來源：https://en.wikipedia.org/wiki/File:Squirrel_cage.jpg

圖片來源：http://www.elecmat.com/ac-rotors/

圖片來源：Improving the Efficiency of High Speed Induction Motors Using Die Cast Copper Rotors http://www.coppermotor.com/wp-content/uploads/2013/09/CR-IM-hi-speed-improvement-project-ARMI-final-report-11Jul13.pdf

圖片來源：http://www.thefabricator.com/article/consumables/caring-for-your-contact-tips

返回第一電動網(wǎng)首頁 >