Tesla感應(yīng)電機(jī)鼠籠轉(zhuǎn)子端環(huán)的制造工藝解讀

電動汽車公司Tesla在專利US 20130069476A1中公布了一種感應(yīng)電機(jī)鼠籠轉(zhuǎn)子端環(huán)的制造工藝，新工藝相比傳統(tǒng)工藝具有更好的電氣、機(jī)械性能，并且制造成本更低。特斯拉在Model S、Model X的電機(jī)中均應(yīng)用了此種設(shè)計，電機(jī)在轉(zhuǎn)化效率、輸出功率等方面取得了優(yōu)秀的性能。

感應(yīng)電機(jī)與永磁電機(jī)

感應(yīng)電機(jī)與永磁電機(jī)是EV中最常見的兩種電機(jī)，兩者原理不同，性能也有所差異。

感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組是一組閉合的金屬導(dǎo)體，轉(zhuǎn)子本身既不通電，也不含有磁體。工作時，定子繞組被通以變化電流，轉(zhuǎn)子繞組的閉合回路中會產(chǎn)生感應(yīng)電流。兩股電流分別產(chǎn)生磁場，磁力作用使得定子、轉(zhuǎn)子間產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。

將定子繞組以一定形式排布在轉(zhuǎn)子外圍，并且通以持續(xù)變化的電流（交流電），就可以形成旋轉(zhuǎn)磁場，使得轉(zhuǎn)子持續(xù)轉(zhuǎn)動。只有當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)子才會受到驅(qū)動力；倘若兩者速度同步，轉(zhuǎn)子繞組中磁場恒定，不會產(chǎn)生感應(yīng)電流，也不會得到驅(qū)動力。所以感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子速度與旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速不同步，故感應(yīng)電機(jī)又稱“異步電動機(jī)”。通過電路調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，便可以控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。

旋轉(zhuǎn)磁場

永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子含有永磁體，這樣不需感應(yīng)電流，永磁體也可與定子磁場相互作用，產(chǎn)生力矩。這時，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度與磁場旋轉(zhuǎn)速度是同步的。倘若磁場旋轉(zhuǎn)速度過快，轉(zhuǎn)子的驅(qū)動力下降，直至跟不上磁場，會造成“失步”。

如果沿用感應(yīng)電機(jī)的思路，在永磁電機(jī)中使用交流電，即通過連續(xù)旋轉(zhuǎn)的磁場來驅(qū)動轉(zhuǎn)子，這樣的電機(jī)稱為永磁同步電機(jī)。更簡單的形式是，將定子繞組視為很多個電磁鐵，電磁鐵逐個通電斷電，吸引永磁體像手表秒針一樣間歇轉(zhuǎn)動，這樣的電機(jī)稱為“永磁開關(guān)磁阻電機(jī)”，Model 3車型使用的便是此種電機(jī)。

兩種電機(jī)相對比，感應(yīng)電機(jī)的磁場需要電流來產(chǎn)生，而電流會造成發(fā)熱、損耗效率，所以感應(yīng)電機(jī)的效率要稍低于永磁電機(jī)。永磁電機(jī)中含有永磁體，永磁體在高溫、強(qiáng)震動環(huán)境下會造成磁力下降，而感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子則是一堆金屬疙瘩，相比之下，永磁電機(jī)要“嬌貴”一些。

感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子的傳統(tǒng)工藝

EV應(yīng)用中，感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子多為鼠籠狀，轉(zhuǎn)子繞組由數(shù)根導(dǎo)條（籠條）與兩個端環(huán)（短路連接環(huán)）組成，多根導(dǎo)條均勻分布在轉(zhuǎn)子外側(cè)。為了增強(qiáng)磁場，一般使用層壓硅鋼片制成鐵芯，硅鋼片邊緣開槽以容納導(dǎo)條穿過。

為了在層疊的鐵芯上放置導(dǎo)條與端環(huán)，一般采用鑄造成型、焊接成型的工藝。

鑄造成型的方法，就是在疊壓完畢的鐵芯上澆筑熔化的金屬，通過模具直接將導(dǎo)條、端環(huán)一同成型，有時會將散熱葉片也一同鑄造。但是純銅在熔化情況下流動性能不佳，鑄造難度大，一般使用鋁作為鑄造材料。與之相伴的，鋁材導(dǎo)電性能遜色于銅，在電機(jī)中會造成轉(zhuǎn)子發(fā)熱增大、效率降低。因此一般在功率不大、效率要求不高的電機(jī)中使用鑄鋁工藝。

轉(zhuǎn)子中的鑄鋁導(dǎo)條、端環(huán)

而焊接成型的方法，就是將預(yù)制的導(dǎo)條插入鐵芯槽內(nèi)，再將端環(huán)分別焊接到導(dǎo)條兩端，一般對于銅質(zhì)材料使用焊接成型。端環(huán)可以是簡單的圓環(huán)狀，也可以帶有凹槽以方便與導(dǎo)條結(jié)合。焊接方法可以有多種形式，譬如釬焊、摩擦焊。

焊接端環(huán)

一般的焊接成型方法，雖能制造銅質(zhì)鼠籠結(jié)構(gòu)，但仍存在焊接處電阻大、端環(huán)質(zhì)量大、制造復(fù)雜的缺點。焊接點容易出現(xiàn)焊接缺陷或質(zhì)量隱患，這樣會影響電機(jī)可靠性，如果采用人工焊接的方法，則質(zhì)量更加不穩(wěn)定。

焊接端環(huán)容易失效故障

在EV應(yīng)用中，電機(jī)效率就是生命，如需使用感應(yīng)電機(jī)，那么選擇電氣性能優(yōu)秀的銅質(zhì)鼠籠是無法避免的。如何在電氣、機(jī)械性能、制造成本上取得更優(yōu)化的成果，成為了感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計制造的重要問題。

特斯拉專利工藝詳解

轉(zhuǎn)子組件爆炸圖

轉(zhuǎn)子包含核心組件、主軸、限位鍵、限位環(huán)、軸承、墊片、擋圈這些主要部件，其中核心組件、限位環(huán)是與專利技術(shù)相關(guān)的內(nèi)容。其余部件與傳統(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)子并無差異，譬如限位鍵用于限制主軸-核心組件之間的相對轉(zhuǎn)動，擋圈用于限制主軸-核心組件之間的直線滑動。

核心組件主要由鐵芯（鐵芯盤堆疊而成）、導(dǎo)條、嵌塊構(gòu)成。

鐵芯盤

鐵芯的作用是增強(qiáng)磁場，常見使用磁性能較好的硅鋼材料。鐵芯處在變化磁場中，而其本身能夠?qū)щ姡澡F芯內(nèi)部會產(chǎn)生感應(yīng)電流。這樣的感應(yīng)電流會使鐵芯發(fā)熱，并且降低效率。一般使用薄硅鋼片堆疊形成鐵芯，并且硅鋼片之間進(jìn)行絕緣處理，這樣可以增大感應(yīng)電流的回路電阻，大幅削弱鐵芯中的感應(yīng)電流。

鐵芯盤具有比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如大量導(dǎo)條槽以及主軸孔，使用沖壓工藝可以非常方便地將片材加工成鐵芯盤。

鐵芯盤與傳統(tǒng)工藝相比，并無差別。將多個鐵芯盤堆疊粘合起來，即形成鐵芯。將相鄰的鐵芯盤之間按某個方向略微錯開一定角度，可以實現(xiàn)導(dǎo)條槽相對主軸的傾斜，即“斜槽”，這有利于轉(zhuǎn)動過程中力矩的平穩(wěn)，能夠減小抖動。

鐵芯盤導(dǎo)條槽局部放大

我們對導(dǎo)條槽進(jìn)行局部放大，所有導(dǎo)條槽以主軸軸線為圓心，呈均勻的圓周分布。兩個相鄰的導(dǎo)條槽之間的間距不是恒定的，而是越靠近轉(zhuǎn)軸的位置，間距越小，呈現(xiàn)一種收束的狀態(tài)。譬如圖中尺寸309小于尺寸307。

導(dǎo)條截面

導(dǎo)條是細(xì)長的柱狀結(jié)構(gòu)，可以通過擠壓工藝生產(chǎn)。導(dǎo)條部件用于形成電回路，需要材料具有盡可能小的電阻率，譬如無氧純銅

導(dǎo)條槽插入鐵芯

將所有導(dǎo)條插入組合完畢的鐵芯。導(dǎo)條長度應(yīng)大于鐵芯高度，以使得鐵芯兩端能夠露出一部分導(dǎo)條，并且鐵芯兩端露出的導(dǎo)條長度應(yīng)當(dāng)相等。為了使導(dǎo)條能夠順利穿過導(dǎo)條槽，兩者在尺寸上應(yīng)當(dāng)實現(xiàn)間隙配合，即導(dǎo)條比導(dǎo)條槽略小一圈。

此處可不進(jìn)行導(dǎo)條-鐵芯之間的絕緣處理，因為導(dǎo)條上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓比較小，并且鐵芯盤之間已經(jīng)進(jìn)行了一定程度的絕緣。需要注意的時，導(dǎo)條露出的部分需保持電接觸性能，表面不可進(jìn)行絕緣，同時要防止氧化。

嵌塊透視圖

嵌塊是此種工藝中最重要的組件。嵌塊由導(dǎo)電性能優(yōu)良的材料制成，譬如同樣使用無氧純銅材料、由擠壓工藝制造。

嵌塊需要在兩側(cè)平面涂覆釬焊材料（如銀、銀合金），用于后續(xù)的工藝。嵌塊的厚度（涂覆后），應(yīng)當(dāng)與導(dǎo)條間隙相匹配，以保證能夠緊密結(jié)合。

嵌塊靠近轉(zhuǎn)軸的一側(cè)（圖中601位置）可加工倒角，以方便裝配。在遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)軸的一側(cè)（圖中603位置）可進(jìn)行某種標(biāo)記（圖中標(biāo)記為凹槽），在安裝時可方便地辨識嵌塊安裝方向。

嵌塊截面

嵌塊從截面上看，兩邊并不是平行的，而是呈略微收束，如圖中703的長度要小于701。

嵌塊嵌入導(dǎo)條間隙

嵌塊的作用是嵌入導(dǎo)條間隙，結(jié)合之前嵌塊、導(dǎo)條槽間隙的收束形態(tài)，容易想到嵌入越深、結(jié)合越緊密。原本導(dǎo)條裸露的側(cè)面部分，將大幅度地與嵌塊側(cè)面相接觸，容易實現(xiàn)裸露側(cè)面面積的90%以上與嵌塊接觸。這樣的接觸面積比例在一般方案中是難以見到的，一般方案中由于需要留出焊接位置，會要求端環(huán)與鐵芯之間留出較長的距離，這會導(dǎo)致重量增加。嵌塊可以稍長于導(dǎo)條在某一端露出的長度，這樣嵌塊會相較于導(dǎo)條端面有所突出，可以充分利用導(dǎo)條的側(cè)面面積，多余的部分可以在后續(xù)的機(jī)加工中去除。

嵌塊-導(dǎo)條-鐵芯組合體側(cè)視圖

嵌塊安裝完畢后，需要對接觸面進(jìn)行釬焊加工，由于釬焊材料已經(jīng)事先涂覆，在此僅需進(jìn)行加熱即可。加熱釬焊過程應(yīng)當(dāng)避免氧化，比如將組合體整體放入真空爐。在一些情況下，不使用單獨的釬焊材料，而直接將導(dǎo)條-嵌塊進(jìn)行加熱連接也是可行的。

在加熱過程中，焊料融化通常不會導(dǎo)致嵌塊滑動，為了防止意外滑動，使用一些簡單模具對嵌塊進(jìn)行約束也是有效果的，譬如使用鐵絲在嵌塊外圓進(jìn)行纏繞擰緊。

對組合體進(jìn)行外圓加工

釬焊結(jié)束后，嵌塊-導(dǎo)條之間就形成了導(dǎo)電性能優(yōu)秀的接頭，并且機(jī)械連接十分緊固。在此基礎(chǔ)上，對組合體進(jìn)行外圓加工，切削多余的部分，便形成了端環(huán)。至此核心組件制造完成，之后可以安裝主軸等轉(zhuǎn)子組件。

加入限位環(huán)

將限位環(huán)套在端環(huán)外側(cè)，可以增強(qiáng)端環(huán)的機(jī)械強(qiáng)度，防止其解體。限位環(huán)應(yīng)當(dāng)與端環(huán)過盈配合，可借助熱脹冷縮來幫助安裝。限位環(huán)材質(zhì)可以是不銹鋼、鈹青銅等機(jī)械性能優(yōu)秀的金屬。

之后對轉(zhuǎn)子進(jìn)行動平衡調(diào)整等微調(diào)加工，就完成了轉(zhuǎn)子制造。

可以看出，相比與傳統(tǒng)的焊接制造工藝，此方法在釬焊接頭處具備優(yōu)秀的電接觸性能，從而降低了鼠籠結(jié)構(gòu)的整體電阻，提高了效率。同時此方法的裝配容易，所用零件結(jié)構(gòu)簡單易加工，具有較低的制造成本。與傳統(tǒng)焊接端環(huán)方法相比，接頭具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，提高了可靠性。

附：專利范例機(jī)械參數(shù)

電機(jī)轉(zhuǎn)子的設(shè)計是多方面因素綜合優(yōu)化的結(jié)果，專利中舉出了一個實際例子的各項機(jī)械、工藝參數(shù)，具有較大的參考價值。

導(dǎo)條/嵌塊材料：無氧銅

導(dǎo)條/導(dǎo)條槽數(shù)：68

嵌塊數(shù)：67

導(dǎo)條長度：214.0mm

鐵芯盤堆疊總厚度（503）：153.3mm

導(dǎo)條槽截面長度（305）：16.5mm

導(dǎo)條槽遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)軸一側(cè)厚度（301）：2.97mm

導(dǎo)條槽臨近轉(zhuǎn)軸一側(cè)厚度（圓弧直徑）（303）：1.75mm

導(dǎo)條槽遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)軸一側(cè)間距（307）：2.5mm

導(dǎo)條槽臨近轉(zhuǎn)軸一側(cè)間距（309）：2.3mm

鐵芯盤外側(cè)距導(dǎo)條槽厚度：0.5mm

導(dǎo)條截面長度（405）：16.26mm

導(dǎo)條遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)軸一側(cè)厚度（401）：2.725mm

導(dǎo)條臨近轉(zhuǎn)軸一側(cè)厚度（圓弧直徑）（403）：1.51mm

導(dǎo)條裸露長度（每側(cè)）：30.35mm

嵌塊截面長度（705）：20mm

嵌塊遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)軸一側(cè)厚度（701）：2.746mm（含涂層）

嵌塊臨近轉(zhuǎn)軸一側(cè)厚度（703）：2.494mm（含涂層）

嵌塊長度（略長于導(dǎo)條裸露長度）：31.3mm

審核編輯：黃飛