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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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。

image001.png

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:

image003.png

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:

image005.jpg

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):

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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:

image009.png

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:

image011.png

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:

image013.png

实物差不多是这个样子:

image015.jpg

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!

image017.png

(楔子形状)

image019.png

(转子端部爆炸图)

image021.png

(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):

image023.png

禁锢环的配合有效保证了转子的机械强度,实物如下图:

image025.jpg

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:https://en.wikipedia.org/wiki/File:Squirrel_cage.jpg

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-content/uploads/2013/09/CR-IM-hi-speed-improvement-project-ARMI-final-report-11Jul13.pdf

图片来源:http://www.thefabricator.com/article/consumables/caring-for-your-contact-tips

来源:第一电动网

作者:姚青弋

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