應用在特斯拉（Tesla）Model S的感應電動機銅芯轉子是一項創新的技術，即專利US20130069476。我將它稱為工程師的藝術，用精妙來稱贊它也不足為過。 

我很喜歡這項專利，會盡量將它講述得精彩一些。這項專利2014年和Tesla的其他專利一并公開，從此可以一窺其中的巧妙之處。 

1. 首先賣個關子，在永磁同步電機占據大半壁江山的局勢下，為什么Tesla要選擇感應電動機？

電動汽車/混合動力汽車的電機解決方案一般有：感應電動機（即交流異步電動機），永磁同步電動機，開關磁阻電機三種。其中開關磁阻電動機震動、噪聲較大，在大型客車上有所應用，而乘用車領域多為前兩者，即感應電機或永磁同步電動機。說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制造。

那么感應電機和永磁同步電動機比較起來，二者孰優孰劣？我作了一張簡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仍然可以保證較高的效率，同時有著更大的功率密度，因此適用于頻繁起停的工況以及較小的乘用車布置空間。而感應電動機勝在成本低、可靠性更高，同時穩態的效率也不錯（大部分工況85%~90%以上），因而在高速路網發達的工況以及較大的乘用車布置空間的條件下，感應電機可以滿足需求。

此外，另一個很重要的因素是：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不發達的國家而言，車用動力電機的技術方案是與國家安全相關的。

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，歐美英所有的電動車都使用了感應電機，永磁同步電機或鐵氧體同步電機（這個技術也避免了永磁材料的使用）等技術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量達到全球的80%（盡管高端釹鐵硼產量有限）。日本則是稀土產業的大國，世界銷量前三的釹鐵硼公司：住友特殊金屬公司、新越化學實業公司和TDK集團都是日本公司，其實力可見一斑。

因而Tesla選擇感應電機是更可靠（沒有退磁風險）、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了。 

2. 銅芯轉子的優點與制造

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

在工業感應電機的生產制造中，這樣的鼠籠通常都是用鋁鑄造而成，鋁有著較好的電導率和較低的熔點（660.4℃）成本也有優勢，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，難以更進一步，如果使用電導率更高的銅來制作鼠籠，電機的效率將會顯著提升！

不同金屬材料的電導率如下圖（藍色線是銅，粉色線是鋁）：

但是問題來了，既然銅有百般好，為什么卻不用它？原因是銅的熔點高（1083℃）、銅芯轉子難以制造。

首先來看用鑄造的方法來生產銅芯轉子，在AC Propulsion和MIT關于鑄銅轉子的合作研究中，研究者嘗試通過鑄造相同尺寸的銅芯轉子電機，來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：

由于鑄銅端環氣泡過多、無法進入間隙等問題，6英寸的銅芯轉子無法通過鑄造方案制造出來。于是他們轉而制造了3英寸的銅芯轉子進行實驗。

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

那么轉而使用焊接呢？實際上，通過焊接手段制造銅芯轉子是主流的技術手段，它的制造過程是這樣的：先將銅條插在轉子槽中，再在兩側焊上端環（端環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，對焊接點的強度要求比較大。如果焊接點出現損壞，輕則影響整個電機的性能，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？ 

3. Tesla的專利Rotor Design for An Electric Motor

先是與焊接鼠籠技術方案相同，將銅條插入了轉子槽中，插完之后效果如下圖：

實物差不多是這個樣子：

然后，下一步本應該是焊接端環，而Tesla卻另辟蹊徑！ 

Tesla制造了一組表面鍍銀的銅質楔子，將這些楔子插入了銅條端部的間隙之中，這樣一個機械構造的端環就制造完成了！

（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行焊接，這個焊接要求比焊接方案中端環的感應釬焊成本、難度都低多了。焊接之后，再在兩端箍上禁錮環（下圖中107部件）：

禁錮環的配合有效保證了轉子的機械強度，實物如下圖：

這個專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Tesla的核心技術之一。 

這一項技術曾是Tesla關于電機的秘密，我在閱讀專利之前對此一無所知，僅僅是閱讀的過程就猶如揭秘，十分過癮，想來如果親身參與機器的研發，一定是滿滿的得意！

參考資料：

https://www.google.com/patents/US20130069476

圖片來源：https://en.wikipedia.org/wiki/File:Squirrel_cage.jpg

圖片來源：http://www.elecmat.com/ac-rotors/

圖片來源：Improving the Efficiency of High Speed Induction Motors Using Die Cast Copper Rotors http://www.coppermotor.com/wp-content/uploads/2013/09/CR-IM-hi-speed-improvement-project-ARMI-final-report-11Jul13.pdf

圖片來源：http://www.thefabricator.com/article/consumables/caring-for-your-contact-tips

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