[中配]解析特斯拉Model 3電動機的創新工程

特斯拉汽車工程師在開發特斯拉Model 3時做出了令人驚豔的設計選擇 他們放棄了傳統使用且經過驗證的感應電動機 採用了一種新型電動機即IPM-SYNRM 這些電動機擁有完全不同的設計 利用了磁力和磁阻效應 大新聞是特斯拉汽車已經開始在其Model S中 用這些新電動機替換感應電動機 這些電動機是如何工作的 IPM-SYNRM有什麼特別之處 讓我們探索一下 要得到明確的答案 我們首先需要了解Model S的電動機 它是一種感應電動機 顯然正如你所看到的 這裏旋轉的部分是一組導電條 電池組產生的交流電流流入電動機的外部繞組 這將產生一個旋轉的磁場 Fluctuating field與轉子條之間相互作用 在其上產生電動勢 從而在轉子條中產生電流 這些感應電流與RMF之間的相互作用 對轉子條施加了力 轉子開始旋轉 這些電動機效率很高 但仍未達到理想狀態 例如在巡航速度下 長時間行駛會損失3%到4%的能量 用於在轉子條中產生電流 這顯然是不高效的 此外 對於一輛汽車而言 最關鍵的性能參數是其起步扭矩 儘管感應電動機的起步扭矩 優於內燃機 但還有一種電動機技術 能在相同體積下提供更好的起步扭矩 這種技術基於永磁體 PM電動機的工作原理 基於兩個磁場之間的吸引 當你使用控制器操作時 它們能產生良好的騎士扭矩 並且轉子不會出現能量損失 通過將永磁體放置在固體鐵圓柱體周圍 可以製造出高效的永磁轉子 那爲什麼不用永磁轉子 來替代松鼠龍式轉子呢? 這四個永磁體產生了一個合成磁場 這個組合場的形狀 對於進一步分析非常重要 稍加直覺 可以如圖所示 繪製這四個磁鐵的組合磁場 現在我們需要分析 分析兩個磁場之間的力的相互作用 很簡單 只需觀察南北極是如何相互作用的 爲了簡化 我們隱藏有永久磁鐵產生的磁場 僅保留南北極 普通極之間的力的相互作用 在這裏顯示 在這個角度 RMF肯定會對轉子產生扭矩 現在讓我們將RMF旋轉到45度 有趣的是 在這個角度下 轉子經歷了最大扭矩 因爲吸引力和排斥力 幾乎是與轉子切向通過的 它們以相同的方向產生扭矩 通過這個簡單的球體類比 切向力產生最大扭矩的原因 變得清晰可見 因此 這是啓動你的電動車的最佳角度 保持這個角度或進一步的角度調節 是智能控制器的工作 在這個設計中 轉子沒有感應電流 這減少了所需的輸入能量 並使效率高於感應電動機 除了更高的騎士扭矩 永磁電動機還以同步速度運行 但尋找完美電動機的過程仍在繼續 當你啓動車輛或爬上山坡時 永磁電動機能產生良好的扭矩 然而當汽車在高速公路上巡航時 永磁電動機的表現非常糟糕 這裏的罪魁禍首是反電動勢 永磁體產生的磁場線與電子繞組相連 並在此產生電動勢 這個電動勢被稱爲反電動勢 它顯然是對電子供電電壓的反向電壓 轉子速度越高產生的反電動勢就越多 正是這個現象導致永磁電動機在高速應用中表現不佳 此外,這些高強度的磁鐵還會導致磁渦流損耗 從而增加機器內部的熱量 讓我們看看如何修改這個設計 使其在高速下也能高效運行 爲了高速度操作 特斯拉工程師利用了鐵的磁阻特性 借制抵抗磁場的能力成爲磁阻 鐵釘會由於磁阻力而吸附在永久磁鐵上 鐵是良好的磁場線保持者 而空氣則不是 當鐵中切割觸槽口時 可以觀察到一個有趣的現象 在這個轉子位置 轉子處於高阻抗狀態 然而,如果轉子轉動45度 它將面臨非常低的磁阻 轉子總是傾向於達到低磁阻狀態 因此,如果磁場旋轉 轉子也會隨之旋轉 從而使轉子始終處於低磁阻狀態 轉子的轉速將與反向磁場的速度相同 由這種現象產生的扭矩 被稱爲磁阻扭矩 這種電動機被稱爲同步磁阻電動機 ThinRMA效率高 並且沒有被電動式的問題 總之,永磁電動機在低速時表現良好 而同步磁阻電動機在高速操作中表現優越 如果我們能夠將SYNRM技術 集成到之前看到的永久磁鐵電動機中 這種電動機就能夠在任何速度下高效工作 它將同時利用磁阻和永久磁鐵效應 我們可以通過將永久磁鐵 放入SYNRM電動機鐵芯深處的槽口中 輕鬆實現這種設計整合 這種佈局進一步減少了磁鐵對電子繞阻的影響 從而降低了反電動勢 這個設計是內置永磁同步磁阻電動機 或稱爲特斯拉Model 3電動機 這些磁體的相對磁導率幾乎與空氣相同 因此它們會像空氣一樣 抵抗磁場穿過從而產生磁阻扭矩 要正確分析這款電動機 我們首先需要觀察永久磁鐵排列所產生的結果磁場 與SOLIDWORKS配套的有線源分析軟件EMworks2D解救了我們 這個排列產生的合成磁場將如圖所示 如果這些磁鐵放得很遠 每個磁鐵將會產生它自己獨特的磁場 如左圖所示 利用這個結果場我們來進行進一步的分析 這個設計有趣之處在於 這個電動機的永磁部分和磁阻部分 在RMF位置方面表現出完全不同的行爲 讓我們分別分析它們 從我們最新的IPM CineRM設計中 去掉鐵芯只保留永磁體 在這個RMF位置永磁體將不會產生扭矩 因爲這四個力沒有切向分量 而剩餘力量產生的扭矩相互抵消 如果RMF旋轉45度 則由於RMF的影響會對磁鐵產生順時針方向的扭矩 在這個角度永久磁鐵產生的扭矩達到最大值 讓我們看看當我們在轉動45度時會發生什麼 轉子產生的扭矩再次歸零 使我們得以獲得永久磁鐵的扭矩曲線 轉子的鐵部分在相同的技術上有相反的效果 我們來分析一下 在初始角度扭矩產生將爲零 因爲這是一個完全不對齊且對稱的情況 當我們稍微將RMF順時針偏移時 轉子將會感受到一個負且最大的扭矩 當RMF達到45度時扭矩再次變爲零 因爲這是一個完全對稱的情況 隨着我們進一步旋轉RMF 產生的磁阻扭矩將是正值 現在我們來分析特斯拉Model 3的電動機 或者說電動機中結合的永磁效應和磁阻效應 從總扭矩圖中可以明顯看出 如果RMF角度在50度左右 我們將從電動機獲得最大扭矩 因此特斯拉汽車的工程師確保在你啓動汽車時 RMF角度大約爲50度 這樣可以保證最大扭矩的產生 我們知道隨着電動機速度的增加 永磁體會在電子線圈上感應出反電動勢 爲了解決這個問題 特斯拉汽車設計了一種在高速轉動時 相當簡單的解決方案 它們將磁場與永磁場對齊 如你所見 轉子磁場減弱或幾乎抵消了永磁場 這樣即使在高速下 這種電動機也不會產生太多反向電動勢 顯然,在這個階段扭矩的產生主要來自於磁阻效應 Model 3採用6級設計 除了能獲得更高的扭矩外 與4級設計並無區別 特斯拉汽車並不是第一個發佈這樣創新電動機的公司 豐田普瑞斯這款混合動力電動車 使用了類似的IPM SynRM電動機技術 它採用兩臺IPM SynRM電機 一臺用於驅動汽車 另一臺用於發電 Model 3和普瑞斯電動機設計之間 一個有趣的區別在於磁鐵 普瑞斯的電動機使用固體磁鐵 而Model 3的每個磁鐵則被分爲4個部分 這種分段設計減少了磁體中的渦流 防止它們過熱 從而避免了退磁 並使電動機的運行溫度更低 2019款Model S汽車在前部配備了 IPM SynRM電動機 IPM SynRM電動機的效率可達到96% 而傳統感應電動機的效率最高爲94% 有效冷卻感應電動機的轉子 是一個重大挑戰 這個問題在IPM SynRM中並不存在 憑藉磁阻效應 這些電動機的扭矩值高於感應電動機 IPM SynRM在電動車領域 無疑設立了新的標準 我們希望你喜歡這個關於巧妙設計決策 如何孕育出一款有前景的電動機的解釋 別忘了成爲我們的支持者 謝謝