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拆解特斯拉3D6電機(jī)的轉(zhuǎn)子

jf_IvoARX3P ? 來(lái)源:EDC電驅(qū)未來(lái) ? 2023-05-17 10:20 ? 次閱讀

首先特斯拉3D6電機(jī)的轉(zhuǎn)子采用經(jīng)典的單V永磁結(jié)構(gòu),采用三分段的方式對(duì)噪音進(jìn)行優(yōu)化,中間分段是邊緣的兩倍。

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之前介紹的比亞迪轉(zhuǎn)子采用6段V型(中間粗的其實(shí)是2級(jí),看上去只有5段,實(shí)際是6段)

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這種錯(cuò)極設(shè)計(jì)我們之前講過(guò),但分段細(xì)致度包括魯片卻沒(méi)有之前比亞迪和華為的轉(zhuǎn)子那么細(xì)致。包括上一代特斯拉電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)面的噪音優(yōu)化輔助槽方面是做得非常細(xì)致的,分高低兩種,其中大輔助槽放置在V字磁鋼槽的表面磁橋處,小輔助槽放置在靠近極中心的地方。這次特斯拉3D6轉(zhuǎn)子上我們暫時(shí)沒(méi)發(fā)現(xiàn)之前那么細(xì)致的高低搭配,簡(jiǎn)化為單一半徑的靜音槽,結(jié)合同樣比較簡(jiǎn)化的3分段設(shè)計(jì)來(lái)看,特斯拉整體細(xì)致度沒(méi)有那兩家那么好的。

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光切定子肯定有人覺(jué)得不過(guò)癮,沒(méi)關(guān)系,咱們這一期為了更好展現(xiàn)技術(shù)細(xì)節(jié),老王來(lái)到了線切割加工中心,咱們把電機(jī)轉(zhuǎn)子軸都剖開(kāi)看一看。

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撰稿前老王在一些咨詢機(jī)構(gòu)報(bào)告中看到了上一代特斯拉電機(jī)軸,是油液先進(jìn)入到中心,由突出部甩到內(nèi)壁后,冷卻油再?gòu)乃膫€(gè)小孔噴出進(jìn)行散熱。

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電機(jī)低效制熱模式潤(rùn)滑油和熱流量示意

這次切割后發(fā)現(xiàn),特斯拉回歸了和比亞迪華為一樣的直通空心結(jié)構(gòu),油液進(jìn)入端環(huán)之后,能立即給到轉(zhuǎn)子兩側(cè)的甩油孔,給轉(zhuǎn)子進(jìn)行冷卻,但仔細(xì)看還是沒(méi)有比亞迪考慮那么細(xì)致,因?yàn)楸葋喌系挠偷朗强梢粤鹘?jīng)永磁體兩側(cè)而特斯拉多數(shù)油液只能通過(guò)中間的減重孔,沒(méi)有比亞迪那么直接,華為按理來(lái)說(shuō)也可以做到和比亞迪一樣的散熱能力,只可惜用粘膠把油道填滿了。不過(guò)整體三者都算是能對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行芯部冷卻的電機(jī)。還是說(shuō)得過(guò)去的。

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另外關(guān)于特斯拉轉(zhuǎn)子油道的這個(gè)設(shè)計(jì)變化,老王的猜測(cè)是一開(kāi)始的軸芯突出部,應(yīng)該是考慮到了油液攪動(dòng)阻力,控制了噴油流量,所以冷卻油的噴射點(diǎn)必須從中間開(kāi)始以保證散熱均勻,現(xiàn)在不需要,油液流量變大由一側(cè)直接泵入即可。支撐這種觀點(diǎn)的另一個(gè)依據(jù)在于原則上3D6電機(jī)的出現(xiàn)是為了配合特斯拉第四代熱管理系統(tǒng)的,所以芯部設(shè)計(jì)老王猜測(cè)是增大了油液在電機(jī)內(nèi)的流量以強(qiáng)化電機(jī)低效率制熱模式的能力。

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所謂低效制熱模式,有時(shí)候我們也叫做電機(jī)堵轉(zhuǎn)發(fā)熱,發(fā)熱效率遠(yuǎn)高于PTC。在這一點(diǎn)特斯拉之前設(shè)計(jì)比較保守,那么從軸芯的設(shè)計(jì)向比亞迪華為靠攏這一點(diǎn)來(lái)看,特斯拉應(yīng)該是解決了油液在電機(jī)內(nèi)大量噴射后的攪動(dòng)阻力問(wèn)題。像比亞迪和華為都是自己設(shè)計(jì)了低粘度潤(rùn)滑油才敢這么設(shè)計(jì)流量的,而特斯拉顯然也察覺(jué)到了這種設(shè)計(jì)的甜頭。當(dāng)然這只是一種論述路徑,電機(jī)的發(fā)展影響到的機(jī)械結(jié)構(gòu)還是挺多的。

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之前其他咨詢報(bào)告中顯示上一代特斯拉電機(jī)采用芯部突出設(shè)計(jì)。

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本次我們拆解切割后,發(fā)現(xiàn)三家都沒(méi)有采用之前的突出甩油設(shè)計(jì)。

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我們其實(shí)可以把電機(jī)的一些核心機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的橫向?qū)Ρ取H_(tái)電機(jī)在永磁體排列和制備方面,比亞迪和特斯拉采用規(guī)則形狀的燒結(jié)釹鐵硼單塊永磁磁鋼,而華為雖然采用分塊樣式的永磁體但第二集中經(jīng)過(guò)我們的測(cè)試它還是和普通單塊永磁磁鋼類(lèi)似,在這個(gè)方面三臺(tái)電機(jī)我們認(rèn)為相差不大,三家電機(jī)只有特斯拉不是雙V型排列的永磁體。

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疊片工藝方面比亞迪厚度最小,其余兩家差別不大,都屬于比較先進(jìn)的加工工藝,其中比亞迪永磁體側(cè)面固定點(diǎn)較多,其他兩家較少。三家都有明顯的裝配扣點(diǎn),渦流發(fā)熱的挑戰(zhàn)都不小。分段錯(cuò)極布局華為和比亞迪是6層,特斯拉是3層,這一點(diǎn)特斯拉略顯簡(jiǎn)單。整體魯片工藝水平三家差異不明顯,比亞迪略優(yōu)。定子扁線層數(shù)方面,特斯拉是10層,多于比亞迪,高功率輸出下特斯拉占優(yōu),低轉(zhuǎn)速城市路況比亞迪有一定優(yōu)勢(shì)。

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華為DriveOne采用圓線電機(jī)也是強(qiáng)調(diào)高功率,整體效率不及比亞迪和特斯拉。這一塊華為稍微落后一些。極對(duì)數(shù)方面,比亞迪采用8極72槽,華為和特斯拉都是采用6級(jí)54槽。

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極對(duì)數(shù)和線圈槽數(shù)有大量評(píng)價(jià)維度,今后慢慢講,本季講一個(gè)技術(shù)點(diǎn),就是永磁同步電機(jī),多數(shù)都是正弦波交流驅(qū)動(dòng),但實(shí)際上接收的不可能是理想正弦波對(duì)吧?因?yàn)殡姍C(jī)定轉(zhuǎn)子之間有氣隙,磁場(chǎng)有畸變,干擾輸入到轉(zhuǎn)子的電流電壓。這之中存在大量高階次諧波對(duì)電機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生影響,轉(zhuǎn)化到用戶身上就是噪音和振動(dòng)。

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轉(zhuǎn)子靜止?fàn)顟B(tài)下一定總是傾向于停留在某些特定位置。因?yàn)槎ㄗ娱_(kāi)槽空間相對(duì)局限,轉(zhuǎn)子磁極和定子開(kāi)槽相對(duì)應(yīng)的磁路,磁阻總有不平衡量,而磁力線不管你那么多,總會(huì)將轉(zhuǎn)子拉到磁阻路徑最小的位置。而當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí),永磁體兩端對(duì)應(yīng)的齒槽區(qū)域內(nèi)磁場(chǎng)波動(dòng)就會(huì)變得更大,這種感覺(jué)類(lèi)似你開(kāi)車(chē)不斷壓到減速帶的感覺(jué),這種力矩波動(dòng),我們稱為齒槽轉(zhuǎn)矩。

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為此人們約定了一些評(píng)價(jià)因子,就是定子槽數(shù)和極數(shù)的最大公約數(shù),以及最小公倍數(shù)。因?yàn)楸敬稳_(tái)電機(jī)他們各自的槽數(shù)和極數(shù)都是能整除,所以評(píng)價(jià)因子就是他們自身轉(zhuǎn)子的級(jí)數(shù)以及他們的槽數(shù),最小公倍數(shù)自然就是槽數(shù)。比亞迪這里是8級(jí)72槽,特斯拉和華為都是6級(jí)54槽更低一些。這個(gè)數(shù)值越低,電機(jī)齒諧波次數(shù)就越高,齒槽波動(dòng)越大,噪音和振動(dòng)就不容易控制。

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但按永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速公式來(lái)看,這種極對(duì)數(shù)較少,換來(lái)的是相對(duì)低的鐵損系數(shù),因?yàn)樵诙鄶?shù)轉(zhuǎn)速區(qū)間,鐵耗是和電機(jī)頻率程正相關(guān)性。

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6磁極的華為特斯拉,在16000轉(zhuǎn)運(yùn)行頻率估計(jì)和8極的比亞迪12000轉(zhuǎn)左右的頻率在一個(gè)級(jí)別,這也進(jìn)一步解釋了為啥比亞迪為什么把轉(zhuǎn)子沖片做得這么精致的原因,就是為了盡可能優(yōu)化鐵損。

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像特斯拉和華為這樣的54槽6極的電機(jī),在這種格局下不妨就采用調(diào)大電流去推高轉(zhuǎn)速和扭矩的路線,從用戶角度更容易被接受。而比亞迪雖然電機(jī)控制系統(tǒng)不好做,但8級(jí)72槽的這個(gè)設(shè)計(jì),相當(dāng)于更多的電極一起并聯(lián)出力。峰值扭矩提升相對(duì)會(huì)比較容易一些,而且想做高功率也不用傻傻的用大電流來(lái)硬打,加上之前我們說(shuō)的比亞迪減速比是11左右也能夠互為佐證,綜合來(lái)看在性能指標(biāo)方面都是指向節(jié)能和靜音的。

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冗余設(shè)計(jì)角度來(lái)說(shuō),三臺(tái)電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速都有提升的余地,只不過(guò)可能沒(méi)必要,尤其是比亞迪的16000轉(zhuǎn)搭配10.8的減速比這種格局來(lái)說(shuō),老王認(rèn)為比亞迪應(yīng)該是考慮到更高的通用屬性從而限制了峰值轉(zhuǎn)速。這就好比當(dāng)初刀片電池剛推出時(shí),看起在能量方面仍然有提升空間,但通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新和規(guī)模化之后,像特斯拉這種頂流公司都會(huì)考慮采購(gòu),這就是工程哲學(xué)的魅力。

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另一方面,大電流的發(fā)熱其實(shí)特斯拉人家也不怕,因?yàn)檗D(zhuǎn)子有芯部油冷,定子還有噴淋孔道,所以特斯拉才敢上9.3的減速比,而華為也不能只看圓線電機(jī)這種缺點(diǎn),華為的優(yōu)勢(shì)是在逆變模塊的可靠性方面做到完善的同時(shí),用模塊化的思維滲透到供應(yīng)鏈的需求層面。舉個(gè)不恰當(dāng)?shù)睦樱葋喌系碾姍C(jī)有點(diǎn)像8缸發(fā)動(dòng)機(jī),平順性好噪音也小,但為了省油油略微限制了運(yùn)動(dòng)擋。而特斯拉或者華為這個(gè)格局就是暴躁的小排量,相對(duì)容易控制,但有時(shí)候想跑快必須以能耗為代價(jià)。

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總的來(lái)看,在機(jī)械設(shè)計(jì)這個(gè)維度,我們可以暫時(shí)下一個(gè)樸素的結(jié)論,就是特斯拉偏向運(yùn)動(dòng),比亞迪偏向節(jié)能和靜音。

審核編輯 :李倩

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