Tesla Motors 在电动汽车领域有哪些核心技术?

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Tesla Motors的感应电动机铜芯转子是一项创新的技术,可以说是Tesla Motors在电机方面的核心技术,即专利US20130069476 (google.com/patents/US20)。这项专利2014年和Tesla Motors的其他专利一并公开,从此可以一窥其中的巧妙之处。


我很喜欢这项专利,会尽量将它讲述得精彩一些。这个回答也作为 @任猜何意 回答的补充。


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 Motors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?我作了一张图简单对比了它们的性能:

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(我对我画的九段线很满意哈哈):

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 Motors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 Motors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

感应电动机的一种主流结构是鼠笼电机,名字的来源是由于它的转子结构好比就是一个鼠笼(图片来源:File:Squirrel cage.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,图片来源:Caring for your contact tips):

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(图片来源:Improving the Efficiency of High Speed Induction Motors Using Die Cast Copper Rotors coppermotor.com/wp-cont):

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(图片来源:AC Rotors::Electric Materials Co.

):

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 Motors的专利Rotor Design for An Electric Motor

(图片来源:google.com/patents/US20

这项技术先是与焊接鼠笼技术方案前半段相同,将铜条插入了转子槽中,插完之后效果如下图:

实物差不多是这个样子(图片来源:AC Rotors::Electric Materials Co.):

然后,下一步本应该是焊接端环,而Tesla Motors却另辟蹊径!


精彩之处来了,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,这样一个铜质的“端环”就通过机械配合制造完成了!

(楔子形状)

(转子端部爆炸图)

(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):

禁锢环的配合有效保证了转子的机械强度,实物如下图:

这个专利巧妙地完成了低成本、高效率的铜芯转子制造,堪称Tesla Motors的核心技术之一!


这一项技术曾是Tesla Motors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,想来倘若是亲身参与机器的研发,一定是满满的得意。


让数据来说话。
目前共查到 Tesla Motors, Inc.相关专利的数量为249项,对其进行简单的关键词统计分析。
由此可知,
  • Tesla Motors非常专注于电池的集成设计,不仅包括battery cell、battery pack,还包括 charge & discharge control of battery etc.,从而确保蓄电池组安全稳定可靠的运行;
  • Tesla Motors的感应电动机也是其特色专利,通过全铜转子的应用从而大幅提高了电机的效率和功率密度;
  • 高配的硬件需要与之相匹的软件方能更好地实现整体的性能,像iPhone,Tesla Motors在这一点做得也相当到位。由数据的采集检测(16项),到数据的通信(5+21项),再到控制系统(30项),实现了强大的软控,私以为这是Tesla Motors最大的闪光点和核心技术。在这一方面,Musk似乎与Jobs有很接近的理念;
  • Tesla Motors关于保护的专利仅2项,这似乎是其薄弱点。尤其是对于蓄电池组的保护,需要加强。

Appendix:
Recent patent applications related to Tesla Motors, Inc.. Tesla Motors, Inc. is listed as below ,
Tesla Motors, Inc. patents list (updated weekly)