浅谈Lucid用更小的电机赶超特斯拉的方法

2024-05-14 20:16:19 | 人围观 | 评论:

Lucid如何用更小的电机赶超特斯拉
Lucid 称其电机设计是小型化的，并且一直自夸其Air电动汽车中轻型且“紧凑“的电机轻便到可以放进登机行李箱中。然而，小型只是一个方面。Lucid的电机每个重只有67磅，能够产生670马力的动力，你没看错，即每磅10马力。此外，Lucid的碳化硅逆变器、减速齿轮组和差速器加在一起重约163磅。
在一场技术演讲中，Lucid首席执行官兼首席技术官Peter Rawlinson和动力总成副总裁Emad Dlala介绍了电机的设计重点、如何通过低阻力和热管理实现功率和效率的提升、以及如何从设计之初就将这些考虑在内，以便易化电机的制造。演讲中，两人花了很多时间讨论定子的设计，定子是电机的静态外部部分，通过逆变器形成的电流并产生磁场，使中间的转子旋转。
例如，Lucid的六极永磁同步电机定子不像有些电机那样使用铜线绕组，也不使用发夹。为了降低功率损耗和易于组装，Lucid寻求连续绕组组件，该组件以有限数量的焊缝包裹到定子中。它是由一台CNC控制的机器和类似编织的过程制成，然后由CNC控制的芯轴帮助对齐和插入编织网。
这对搭档拿特斯拉在Plaid中采用的解决方案举了个例子。碳纤维外壳，Rawlinson指出，这种技术与用于燃料电池氢气储存的技术是一样的，可以承受巨大的压力。Dlala推测，将其量产的话会很昂贵。
Lucid 电机的奇妙之处在哪里？
如下图所示，电机的转速和转矩受到功率和物理条件的限制，所以其最大转矩曲线是一个信封形（envelope）。中间的红圈是等效率曲线，里面的红圈代表效率高，越往外效率越低。通过提高最大功率，我们可以提高最大转矩和转速，如图中箭头所示。

电机转矩-转速曲线
通过齿轮箱，我们可以改变电机的特性曲线。最佳的设计是在增大最大转速、最大转矩同时，获得大范围的高效率区。

通过齿轮箱变速的电机转矩-转速曲线
电机极数
Lucid电机被设计为6极，以此产生旋转磁场。电机转速与极数有关，np为极对数，f单位为Hz，n单位是rpm。对于Lucid的6极电机，极对数为3。
定子填槽方式
传统电机采用诸多圆线填满定子槽体，以削弱集肤效应（skin effect）带来的电阻增加。集肤效应是指电流在高频情况下倾向于从导体表面流过。

扁线、圆线填槽示意图
Lucid采用多层扁线填槽提高槽满率（slot fill），减小集肤效应（skin effect），以上二者共同降低了在高频下的电阻，降低损耗。与其他扁线电机不同的是，Lucid连接同一槽内扁线端部的方法不是焊接（welding），而是连续波浪导线continuous wave wire）。焊接会导致诸多焊点，降低产品一致性和可靠性，并且焊点电阻也会增加热损耗，而Lucid的连续绕组用一整个连续的绕组消除了焊点。这是一项革命性的技术，能做到这项技术的唯一机器就在Lucid的亚利桑那中，完全CNC（Computer Numerical Control）、完全自动化控制。

传统的扁线电机通过焊接来连接线材

 

Lucid连续绕组实拍
绕组先单独进行编制，完成后被嵌入定子磁芯中，从而得到完整的定子。每个定子槽中有8根扁线，Lucid是世界上首个对8扁线进行量产的厂家。

最终，Lucid的定子只有24个与逆变器连接的焊点。

Lucid定子绕组焊点
定子导流槽
Lucid电机的冷却液导流槽（jet slot）距离绕组这个发热源非常接近，能够快速带走热量.

冷却液从导流槽中喷射而出

冷却液在定子上的流动

定子导流槽特写
并且通过巧妙的磁路设计，导流槽的存在不会影响磁路。

导流槽两旁的齿部宽度与齿部末端宽度相等
定子叠片
定子由多层叠片（lamination）构成，以此减少涡流（eddy current)损耗。

叠片减少涡流损耗
定子对比
下面是Lucid定子与友商定子的对比。

 

Lucid定子整体

ucid定子绕组切面

与逆变器连接的汇流线

美国品牌定子绕组切面

美国品牌定子导流槽
绕组端子大小对比，这个友商的端子其实已经算比较短的，很多其他友商端子长度是这个的数倍。

转子气隙
定转子之间的气隙距离为0.4-0.8mm。

转子磁链走向如蓝线所示，可见磁链不从中空部分经过。中空可以减少重量。

转子磁链走向示意
内置差速器
Lucid转子内置差速器（Differential），能够节省空间。

转子磁芯和磁铁
V型（chevron）磁铁，能够减小齿槽转矩 （cogging torque），有利于NVH（Noise, vibration, and harshness）。两组V型磁铁，提高磁阻转矩（reluctance torque），有利于提高电机最大转矩输出能力。

叠片边缘需要有足够的强度，以保证转子不在离心力（centrifugal）作用下解体。

旋转变压器
旋转变压器（Resolver） 用于检测转子相对于定子的位置及其旋转速度，Lucid旋变的旋转部分轴（shaft）合为一体。

旋变旋转部分被集成在轴体上，3瓣式（three lobes）设计

旋变本体定子

旋变本体全貌
转子对比
美国品牌的转子被一层碳纤维包裹，主要是为了增强机械强度，用来对抗离心力，使磁铁稳定在定子中。碳纤维包裹的存在虽然通过删除连接处（steel bridge）的方式（增强隔磁桥flux barrier）增强了磁场，但也增加了气隙，最终减小了转矩。实际上，碳纤包裹是赛车设计中借鉴而来，已存在多年。而Lucid通过巧妙的设计，做到了很好的工程权衡（engineering trade-off）——为了产生较大转矩，磁铁应该离定子尽可能近；而为了保证机械强度的同时不使用碳纤维，连接处应该尽可能厚。

综合对比
无论是功率还是功率密度，Lucid的电机都优势明显。

驱动单元总体
电机、逆变器、齿轮箱三合一。Lucid的驱动单元全部自研，并且其生产由Lucid在亚利桑那的工厂完成。
编辑：黄飞
 

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