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电动1家供需信息平台1. Tesla为何选用感应电动机？
在电动汽车和混合动力汽车中，电机解决方案通常包括感应电动机（即交流异步电动机）、永磁同步电动机以及开关磁阻电机。鉴于开关磁阻电动机的震动和噪声相对较大，其应用主要集中在大型客车上，而乘用车领域则更倾向于采用前两者。具体来说，感应电机或永磁同步电动机在乘用车领域占据主导地位。这两种电机的转子材料有所不同：除了都需使用的硅钢片外，永磁同步电机还融入了永磁材料，而感应电机的转子则常采用铝或铜进行制造。接下来，我们将通过一张简单的图表来对比这两种电机的性能。
从性能角度来看，永磁同步电机在瞬态时仍能保持高效运转，且具有更高的功率密度，非常适合频繁起停的驾驶环境和紧凑的乘用车空间。而感应电动机则因其低成本和卓越的可靠性受到青睐，其稳态效率在大多数工况下都能达到85%~90%以上，特别适合高速路网发达、空间充裕的驾驶条件。
还需考虑的是，永磁同步电机依赖的钕铁硼永磁材料属于稀土资源。对于稀土资源稀缺或稀土工业不发达的国家来说，车用动力电机的技术选择关乎国家安全。
综上所述，这两种电机解决方案在不同国家和地区的应用情况如下：
当然，不能简单地说欧美英的所有电动车都采用了感应电机。实际上，永磁同步电机或铁氧体同步电机（该技术不使用永磁材料）等技术方案在欧美英同样占据一席之地。然而，对于我国和日本而言，情况则有所不同。我国是全球稀土资源的重要储备国，钕铁硼磁性材料的总产量更是高达全球的80%，尽管高端钕铁硼产量仍需努力。日本同样在稀土产业中占据举足轻重的地位，世界销量前三的钕铁硼公司均来自日本，这无疑增强了其在这一领域的实力。
因此，Tesla选择感应电机作为其解决方案，不仅因为其可靠性高（无退磁风险）、成本低廉（永磁材料成本仅占同步电机材料成本的30%），还因为其高效率。而要实现感应电机的高效性能，铜芯转子技术则显得尤为关键。
2. 铜芯转子的优势及其制造工艺
感应电动机中，鼠笼电机是主流结构，其转子设计酷似鼠笼，独特而实用。
在工业感应电机的制造过程中，鼠笼转子通常采用铝铸造而成。铝因其良好的电导率和较低的熔点（660.4℃）以及成本优势，长期以来一直是感应电机转子的主流选择。然而，铸铝转子的使用限制了感应电机效率的进一步提升。若采用电导率更高的铜来打造鼠笼，电机的效率将得到显著提高。以下是不同金属材料的电导率对比图（蓝色线代表铜，粉色线代表铝）：
然而，尽管铜具有出色的电导率，但其高熔点（1083℃）和制造铜芯转子的难度，限制了其在实际中的应用。为了深入探讨这一问题，AC Propulsion与MIT展开了关于铸铜转子的合作研究。在研究中，他们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。起初，他们尝试制造直径为6英寸的转子，但结果并不如人意，出现了下图中所示的情况：
由于铸铜过程中存在气泡过多和无法进入间隙等技术难题，他们无法通过铸造方案成功制造出6英寸的铜芯转子。因此，他们转而尝试制造尺寸更小的3英寸铜芯转子进行实验。通过这项研究，他们发现较大尺寸的铜芯转子对铸造工艺提出了极为严苛的要求，而可靠的铸铜工艺尚不常见。那么，是否可以考虑采用焊接技术呢？实际上，焊接是制造铜芯转子的主流技术手段。其制造流程包括先将铜条插入转子槽中，随后在两端焊上端环（通常采用离心铸造法制造端环，该方法有助于排除杂质和气泡）。
然而，采用焊接工艺制造铜芯转子面临着一系列挑战。首先，感应钎焊技术的运用使得成本相对较高。其次，电机转子在运行过程中对焊接点的强度有着严格的要求，任何焊接点的损坏都可能对电机的整体性能造成影响，甚至可能导致转子的彻底损毁。面对如此复杂的技术和成本问题，Tesla Motors又是如何应对的呢？
3. Tesla的电动电机转子设计专利
同样地，Tesla也采用了将铜条插入转子槽中的设计，与焊接鼠笼技术方案相似。插入后的效果图如下：
实际的产品设计也大致呈现这样的形态：
接下来，原本应当进行焊接端环的步骤，Tesla却巧妙地采用了另一种方法。他们精心制作了一组表面镀银的铜质楔子，并巧妙地将这些楔子嵌入铜条端部的缝隙之中，从而成功完成了机械构造端环的制造。
在这个创新的过程中，Tesla所采用的楔子形状显得尤为关键。它们被精心设计并镀上银层，以适应铜条端部的独特缝隙。这种巧妙的形状不仅使得楔子能够顺利嵌入，更确保了机械构造端环的稳固与精准。
在深入了解Tesla的创新设计时，我们进一步观察了转子端部的构造。通过爆炸图，可以清晰地看到每一个组件的位置和相互作用。这种精细的设计，不仅体现了工程师们的匠心独运，更保障了设备的稳定性和性能。
完成楔子的插入后，需在楔子与铜条之间进行焊接。此焊接工艺相较于焊接方案中端环的感应钎焊，其成本更低，操作难度也更为简单。焊接完毕后，再于两端加装禁锢环（即图示中的107部件）以固定结构。
禁锢环的合理配合进一步增强了转子的机械强度，其实物形态如下图所示：
这个专利以巧妙的构思，实现了低成本、高效率的铜芯转子制造，成为Tesla电机技术的核心机密之一。在揭秘的过程中，我仿佛置身于一场科技盛宴，仅凭阅读就让我感受到了巨大的满足感。若能亲身参与这一技术的研发，那将是一种何等的荣耀与喜悦！
永磁同步电机，其运行原理与电励磁同步电机相似，却以永磁体替代了后者的励磁绕组，从而简化了电机结构。近年来，随着永磁材料性能的提升和电力电子技术的飞速发展，新原理、新结构的永磁同步电机不断涌现，极大地推动了电机产品技术、品种及功能的创新。如今，永磁同步电机已形成系列化产品，其容量从小到大，已覆盖至兆瓦级，应用领域也日益广泛。从军工到民用，从特殊到一般，其影响力正在迅速扩大。在微特电机领域占据优势的同时，也在电力推进系统中展现出强大的竞争力。
3. 永磁同步电机的优势
永磁同步电机通过永磁体进行励磁，这一设计赋予了它相较于电励磁电机显著的优势。
效率卓越：永磁同步电机通过在转子上嵌入永磁材料，实现了转子与定子磁场的同步运行。这一设计消除了转子绕组的感生电流，从而减少了转子电阻和磁滞损耗，显著提升了电机效率。
高功率因数：由于永磁同步电机转子中无感应电流励磁，定子绕组呈现阻性负载，使得电机的功率因数接近1。这不仅降低了定人电流，提高了电机效率，还有助于提升电网品质因数，减少输变电线路损耗，降低输变电容量，节省电网投资。
强大的起动转矩：在需要大起动转矩的设备中，如油田抽油电机，永磁同步电机能够以较小的容量替代大容量的Y系列电机。例如，37kw的永磁同步电机可以替代45kW～55kW的Y系列电机，有效解决“大马拉小车”的问题，节省设备投入费用，提升系统运行效能。
优异的力能指标：相较于Y系列电机，永磁同步电机在60％负荷下工作时，其效率和功率因数下降甚微。甚至在仅20％负荷时，其力能指标仍能保持在满负荷的80％以上。
温升低：由于转子绕组中不存在电阻损耗，定人绕组中的无功电流也几乎为零，这使得永磁同步电机的温升显著降低。
紧凑轻便：同容量的永磁同步电机在体积、重量以及所用材料方面，都可以减少大约30％。
灵活的气隙设计：永磁同步电机允许更大的气隙，为新型磁路的构建提供了便利。
小的电枢反应与强抗过载能力：永磁同步电机具有较小的电枢反应和强大的抗过载能力。
4. 发展现状
永磁同步电机的发展与永磁材料的发展紧密相连。新型永磁材料的出现，如二十世纪八十年代问世的钕铁硼稀土永磁材料，以其优越的磁性能和相对低廉的价格，极大地推动了永磁同步电机的开发与应用。
2.1 显著成就
我国对钕铁硼永磁电机的研发给予了高度重视，并将其纳入国家“863”攻关计划。经过长期的研究与开发，我们取得了显著的成果，成功研制出5种类型、22个典型规格的高性能永磁同步电机样机。
成功研制出3种典型规格的高效、高起动转矩永磁同步电动机样机，这些样机不仅解决了起动转矩高、节能效果好、高温不退磁和成本合理这四大难题，还在油田抽油机领域进行了实际应用。我国开发的37kW稀土永磁同步电机与感应电动机的性能对比显示，其性能明显优于后者。同时，1120kW稀土永磁同步电动机在风机、泵类作业中的应用也证明了其卓越性能。
针对化纤机械，我们开发了6个规格的高效高牵入同步钕铁硼永磁同步电动机。与现有电机相比，新开发电机的功率因数、效率和最大转矩倍数均有所提高，其中失步转矩提高了3.59倍，牵转矩提升了3倍。
在机床主轴领域，我们推出了7.5kW高恒功率调速比钕铁硼永磁同步电动机和驱动系统。该系统调速范围广泛，从0.4r/min到9000r/min，远超国内同规格主轴感应电动机的调速范围。同时，其恒功率调速比达到1:6，性能显著。
针对电动汽车，我们开发了7.5kW永磁同步电动机和驱动系统。该系统电机重量轻、磁体用量少，同时具有较高的额定效率和转矩密度，满足轻微型电动客车的驱动需求。
在高起动能力方面，我们推出了4个规格的钕铁硼永磁起动机电机。通过巧妙设计，利用廉价软铁辅助磁极替代部分永磁磁极，有效节省了钕铁硼永磁材料，同时保持了出色的起动性能。
2.2 面临挑战
尽管在高性能永磁同步电机的开发过程中取得了显著成果，但我们也遇到了一些问题，这些问题需要进一步深入研究与探索。不可逆退磁挑战。永磁同步电机在遭遇设计或使用不当的情况时，可能会面临不可逆退磁的风险。这尤其在过高（如钕铁硼永磁）或过低的温度（如铁氧体永磁）环境下，以及受到冲击电流引发的电枢反应或剧烈机械振动时，尤为可能发生。一旦退磁，电机性能将受到影响，严重时甚至无法正常使用。因此，我们需要深入研究并开发出适用于电机制造厂的检查方法及装置，用以评估永磁材料的热稳定性。同时，还需分析不同结构型式的抗去磁能力，以确保在设计和制造过程中能够采取有效措施，防止永磁同步电机出现退磁现象。
成本考量。铁氧体永磁同步电机因其结构简朴、重量轻，通常总成本低于电励磁电机，从而得到广泛应用。然而，稀土永磁当前价格仍高，导致稀土永磁电机成本相对较高。但后者的高性能及运行费用节省可对此进行补偿。在设计中，需根据实际使用场合和要求，权衡性能与价格，同时推动结构工艺的创新和设计优化，以降低成本。
控制挑战。永磁同步电机可自持磁场，无需外界能量，但这也带来了从外部调节、控制其磁场的困难。随着MOSFET、IGBT等电力电子器件及控制技术的发展，多数永磁同步电机在应用中仅需进行电枢控制，而无需进行磁场控制。设计时，应将永磁材料、电力电子器件和微机控制技术相结合，以实现永磁同步电机在全新工况下的运行。此外，以永磁同步电机为核心的永磁交流伺服系统，因系统本身的非线性、强耦合性和时变性，以及伺服对象的不确定性和非线性，加之系统运行时的各种干扰，因此需要采用先进控制策略和控制系统实现方式（如基于DSP的控制），来提升系统的智能化和数字化水平，这是当前发展高性能永磁同步电机伺服系统的关键突破口。
5. 发展趋势
永磁同步电机凭借其高效、高功率密度、结构简洁以及出色的节能效果，在工业和日常生活领域的应用日益广泛。随着高耐热性、高磁性能的钕铁硼永磁体的突破性进展，以及电力电子元件的持续发展与改进，稀土永磁同步电机的研究与开发已迈入了一个崭新的阶段。在理论研究和应用层面，该领域均有望取得显著进展，进而推动其向更高转速、更大转矩、更高功率、更紧凑尺寸以及更多功能的方向发展。
3.1 超高速电机
由于永磁同步电机无需励磁绕组，其结构相对简单。磁场部分不产生热量，因此无需配备冷却装置。此外，其材料矫顽力强，气隙长度可设计得较大，从而为电机转速的大幅提升创造了条件。目前，已经成功制造出高达（2～3）×10^5 r/min的电机。例如，美国通用电气公司就研发出一款150kW、23000r/min的径向气隙型转子结构航空用稀土永磁发电机，以及一款7.2kW、27000r/min的外转子型电动车用电机。当前，研发人员正在致力于开发每分钟转速高达几十万转的电机。
3.2 高转矩大功率电机
耐热、高磁性能的钕铁硼永磁材料的成功开发，为其在大功率永磁同步电机中的应用奠定了坚实基础。在运输业和工业领域，如电动汽车、混合动力汽车、列车、电梯、机床、机器人等，对大功率电动机的需求日益旺盛。
船舶推动电机要求在低速状态下提供大转矩。德国西门子公司曾研发出一款1095kW、230r/min的六相永磁同步电动机，专为舰船推进设计。相较于传统的直流电动机，其体积缩减了约60%，损耗降低了约20%。此外，1760kW的永磁同步推进电机在U.212潜艇上的试用也取得了显著成效，其长度和有效体积较传统直流推进电机减少了40%。
瑞士ABB公司已为超过300艘电力推进船舶提供了永磁同步电机，最大安装容量高达2X19MW。其研制的400kW到3MW的永磁同步电机被广泛应用于“Compact A~ipod”吊舱式电力推进系统。法国热蒙工业公司也曾在1987年成功研制出400kW、500r/min的永磁电机样机，其体积相较于直流电机减少了40%。
1996年，英国展出了“海航”号轻型隐身护卫舰的设计模型。该舰装有两台21MW的永磁同步电机，在巡航或隐身状态下可直接驱动螺旋桨，展现了永磁同步电机在高转矩大功率应用中的卓越性能。
3.3 微型化趋势
得益于钕铁硼永磁材料的高磁能积特性，尤其是其能够制成超薄型永磁体，使得过去难以制造的超微型和低惯量电动机如今成为可能。如今，直径不足几毫米的超小型电动机已被成功开发，并被广泛应用于医疗微型机器、眼球手术用机器人手臂以及管道检查用机器人等领域的驱动需求。甚至，一款外径仅0.8毫米、长1.2毫米的永磁电动机也被创造成功，堪称全球最小。
3.4 高功能化
在高温、高真空度或空间狭小等特殊环境下，传统电机往往难以适用，而稀土永磁电机，特别是那些具有高温耐性的钕铁硼磁体，则能完美满足这些严苛条件。例如，宇航设备中的机械手、原子能设备的检查机器人以及半导体制造装置等，都需要在特殊环境下工作的电动机，这类电动机通常需要具备高温和高真空的特性。为了满足这些需求，科研人员已经成功开发出一种三相四极永磁电动机，其额定功率为150W，转速达到3000r／min，能够在200oC～300oC的高温和133.3X10 Pa的真空度环境下稳定工作。该电动机的直径为105mm，长度为145mm，并采用了具有优异高温特性的Sm2Co永磁体。
4. 结语
在21世纪这个科学技术日新月异的时代，永磁同步电机的发展前景可谓一片光明。随着节能和环保理念的日益深入人心，高性能稀土永磁同步电机及其伺服系统正迎来技术的快速进步与成熟。这不仅将推动其结构型式的多样化发展，更将为各类应用领域带来更广阔的发展空间与机会。
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