應(yīng)用在特斯拉（Tesla）Model S的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)銅芯轉(zhuǎn)子是一項(xiàng)創(chuàng)新的技術(shù)，即專(zhuān)利US20130069476。我將它稱為工程師的藝術(shù)，用精妙來(lái)稱贊它也不足為過(guò)。 

我很喜歡這項(xiàng)專(zhuān)利，會(huì)盡量將它講述得精彩一些。這項(xiàng)專(zhuān)利2014年和Tesla的其他專(zhuān)利一并公開(kāi)，從此可以一窺其中的巧妙之處。 

1. 首先賣(mài)個(gè)關(guān)子，在永磁同步電機(jī)占據(jù)大半壁江山的局勢(shì)下，為什么Tesla要選擇感應(yīng)電動(dòng)機(jī)？

電動(dòng)汽車(chē)/混合動(dòng)力汽車(chē)的電機(jī)解決方案一般有：感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（即交流異步電動(dòng)機(jī)），永磁同步電動(dòng)機(jī)，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)三種。其中開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)震動(dòng)、噪聲較大，在大型客車(chē)上有所應(yīng)用，而乘用車(chē)領(lǐng)域多為前兩者，即感應(yīng)電機(jī)或永磁同步電動(dòng)機(jī)。說(shuō)起感應(yīng)電機(jī)和永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子區(qū)別，從材料上看可以簡(jiǎn)單認(rèn)為：除了兩者都需要使用的硅鋼片，永磁同步電機(jī)中使用了永磁材料，感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子則通常用鋁或銅來(lái)制造。

那么感應(yīng)電機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)比較起來(lái)，二者孰優(yōu)孰劣？我作了一張簡(jiǎn)單的圖對(duì)比了它們的性能。

從性能上看，永磁同步電機(jī)在瞬態(tài)仍然可以保證較高的效率，同時(shí)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(chē)布置空間。而感應(yīng)電動(dòng)機(jī)勝在成本低、可靠性更高，同時(shí)穩(wěn)態(tài)的效率也不錯(cuò)（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(chē)布置空間的條件下，感應(yīng)電機(jī)可以滿足需求。

此外，另一個(gè)很重要的因素是：永磁同步電機(jī)所需要的釹鐵硼永磁材料是稀土資源，對(duì)于稀土資源缺少或稀土工業(yè)不發(fā)達(dá)的國(guó)家而言，車(chē)用動(dòng)力電機(jī)的技術(shù)方案是與國(guó)家安全相關(guān)的。

綜合以上因素，應(yīng)用兩種解決方案的國(guó)家與地區(qū)如下圖：

當(dāng)然，也并不能一概而論地說(shuō)，歐美英所有的電動(dòng)車(chē)都使用了感應(yīng)電機(jī)，永磁同步電機(jī)或鐵氧體同步電機(jī)（這個(gè)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(duì)于我國(guó)和日本而言，我國(guó)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(guó)，世界銷(xiāo)量前三的釹鐵硼公司：住友特殊金屬公司、新越化學(xué)實(shí)業(yè)公司和TDK集團(tuán)都是日本公司，其實(shí)力可見(jiàn)一斑。

因而Tesla選擇感應(yīng)電機(jī)是更可靠（沒(méi)有退磁風(fēng)險(xiǎn)）、低成本（永磁材料成本占到同步電機(jī)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(jī)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(diǎn)與制造

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的主流結(jié)構(gòu)叫做鼠籠電機(jī)，名字的來(lái)源是由于它的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)好比就是一個(gè)鼠籠：

在工業(yè)感應(yīng)電機(jī)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(diǎn)（660.4℃）成本也有優(yōu)勢(shì)，因而鑄鋁轉(zhuǎn)子成為了感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子的主流。

但是使用鑄鋁轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電機(jī)效率有限，難以更進(jìn)一步，如果使用電導(dǎo)率更高的銅來(lái)制作鼠籠，電機(jī)的效率將會(huì)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(wèn)題來(lái)了，既然銅有百般好，為什么卻不用它？原因是銅的熔點(diǎn)高（1083℃）、銅芯轉(zhuǎn)子難以制造。

首先來(lái)看用鑄造的方法來(lái)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(guò)鑄造相同尺寸的銅芯轉(zhuǎn)子電機(jī)，來(lái)對(duì)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(guò)多、無(wú)法進(jìn)入間隙等問(wèn)題，6英寸的銅芯轉(zhuǎn)子無(wú)法通過(guò)鑄造方案制造出來(lái)。于是他們轉(zhuǎn)而制造了3英寸的銅芯轉(zhuǎn)子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

從該研究中，可以看出較大尺寸的銅芯轉(zhuǎn)子對(duì)鑄造有著極高的工藝要求，可靠的鑄銅工藝還很罕見(jiàn)。

那么轉(zhuǎn)而使用焊接呢？實(shí)際上，通過(guò)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(guò)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(jī)轉(zhuǎn)子的工作條件，對(duì)焊接點(diǎn)的強(qiáng)度要求比較大。如果焊接點(diǎn)出現(xiàn)損壞，輕則影響整個(gè)電機(jī)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(zhuān)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(shí)物差不多是這個(gè)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(gè)機(jī)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(gè)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(jī)械強(qiáng)度，實(shí)物如下圖：

這個(gè)專(zhuān)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(xiàng)技術(shù)曾是Tesla關(guān)于電機(jī)的秘密，我在閱讀專(zhuān)利之前對(duì)此一無(wú)所知，僅僅是閱讀的過(guò)程就猶如揭秘，十分過(guò)癮，想來(lái)如果親身參與機(jī)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(lái)源：https://en.wikipedia.org/wiki/File:Squirrel_cage.jpg

圖片來(lái)源：http://www.elecmat.com/ac-rotors/

圖片來(lái)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(lái)源：http://www.thefabricator.com/article/consumables/caring-for-your-contact-tips

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