電動(dòng)汽車(chē)/混合動(dòng)力汽車(chē)的電機解決方案一般有：感應電動(dòng)機（即交流異步電動(dòng)機），永磁同步電動(dòng)機，開(kāi)關(guān)磁阻電機三種。其中開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機震動(dòng)、噪聲較大，在大型客車(chē)上有所應用，而乘用車(chē)領(lǐng)域多為前兩者，即感應電機或永磁同步電動(dòng)機。說(shuō)起感應電機和永磁同步電機的轉子區別，從材料上看可以簡(jiǎn)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，感應電機的轉子則通常用鋁或銅來(lái)制造。

 

那么感應電機和永磁同步電動(dòng)機比較起來(lái)，二者孰優(yōu)孰劣？我作了一張簡(jiǎn)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(shí)有著(zhù)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。而感應電動(dòng)機勝在成本低、可靠性更高，同時(shí)穩態(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(chē)布置空間的條件下，感應電機可以滿(mǎn)足需求。

 

此外，另一個(gè)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(chē)用動(dòng)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，應用兩種解決方案的國家與地區如下圖：

 

 

當然，也并不能一概而論地說(shuō)，歐美英所有的電動(dòng)車(chē)都使用了感應電機，永磁同步電機或鐵氧體同步電機（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(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集團都是日本公司，其實(shí)力可見(jiàn)一斑。

 

因而Tesla選擇感應電機是更可靠（沒(méi)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是怎么將感應電機做到更加高效，就要看銅芯轉子的技術(shù)了。

 

 

感應電動(dòng)機的主流結構叫做鼠籠電機，名字的來(lái)源是由于它的轉子結構好比就是一個(gè)鼠籠：

 

 

在工業(yè)感應電機的生產(chǎn)制造中，這樣的鼠籠通常都是用鋁鑄造而成，鋁有著(zhù)較好的電導率和較低的熔點(diǎn)（660.4℃）成本也有優(yōu)勢，因而鑄鋁轉子成為了感應電機轉子的主流。

 

但是使用鑄鋁轉子的感應電機效率有限，難以更進(jìn)一步，如果使用電導率更高的銅來(lái)制作鼠籠，電機的效率將會(huì )顯著(zhù)提升！

 

不同金屬材料的電導率如下圖（藍色線(xiàn)是銅，粉色線(xiàn)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℃）、銅芯轉子難以制造。

 

首先來(lái)看用鑄造的方法來(lái)生產(chǎn)銅芯轉子，在A(yíng)C Propulsion和MIT關(guān)于鑄銅轉子的合作研究中，研究者嘗試通過(guò)鑄造相同尺寸的銅芯轉子電機，來(lái)對比不同的鑄銅工藝。他們先是嘗試制造了直徑為6英寸的轉子，結果出現了下圖的情況：

 

 

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英寸的銅芯轉子無(wú)法通過(guò)鑄造方案制造出來(lái)。于是他們轉而制造了3英寸的銅芯轉子進(jìn)行實(shí)驗。

 

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

 

那么轉而使用焊接呢？實(shí)際上，通過(guò)焊接手段制造銅芯轉子是主流的技術(shù)手段，它的制造過(guò)程是這樣的：先將銅條插在轉子槽中，再在兩側焊上端環(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：

 

 

但制造銅芯轉子的焊接工藝需要采用感應釬焊，成本較高。且由于電機轉子的工作條件，對焊接點(diǎn)的強度要求比較大。如果焊接點(diǎn)出現損壞，輕則影響整個(gè)電機的性能，重則造成轉子損毀。

 

永磁體昂貴、鑄鋁轉子效率低、鑄銅轉子工藝難度大、焊接銅工藝成本高，在這樣的情況下，Tesla Motors是怎么做的呢？

 

 

先是與焊接鼠籠技術(shù)方案相同，將銅條插入了轉子槽中，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)機械構造的端環(huán)就制造完成了！

 

（楔子形狀）

 

（轉子端部爆炸圖）

 

（轉子軸向視圖）

 

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子的機械強度，實(shí)物如下圖：

 

 

這個(gè)專(zhuān)利用巧妙的方案完成了低成本、高效率的銅芯轉子制造，堪稱(chēng)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(zhuān)利之前對此一無(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)如果親身參與機器的研發(fā)，一定是滿(mǎn)滿(mǎn)的得意！

 

（來(lái)源：第一電動(dòng)網(wǎng)）