3D6电机是特斯拉推出的第一款扁线电机,安装在2022款Tesla Model 3上。
相比于早期型号,该电机在绕组上进行了革新,从圆线切换到扁线,使得功率密度和扭矩密度显著提升,转矩和转速分别达到了440Nm和19000rpm,展现了电驱技术的最新发展趋势。
从外观来看,3D6电机与特斯拉的前几代电机相似,采用了电机、电控、减速器三合一集成方案,尺寸没有明显变化。但是,3D6电机内部的绕组形式从圆线切换到扁线,采用了HairPin扁线工艺,并使用了大焊接端铜排出线方案。从另一个角度看,3D6电机的扁线每槽有5个焊点,每槽10根线,端部有内外两个星点线铜排,每个星点线A\B\C三相各有三个支路汇集。
3D6电机的扁线非常扁平,厚度为1.5mm,宽度为4mm,宽厚比为2.6。这种扁平线对扁线扭头工艺提出了较高的设备要求。值得注意的是,3D6电机取消了绕组端部的涂敷工艺,出线端焊接头和铜排都是裸线状态,这与国内品牌通常采用的涂敷工艺形成了对比。从电气安全角度考虑,涂敷是必要的措施,但特斯拉为了降低成本,选择了非常规操作,取消了涂敷。
在转子方面,3D6电机没有采用碳纤维缠绕方案,而是采用了整体转子铁芯方案,并进行了简化处理,取消了转子表面的小辅助槽,仅保留磁桥处的大辅助槽。这一简化处理意味着特斯拉在NVH方面采取了其他措施。此外,3D6电机的转子内孔减小,减少了轴的成本,增加了铁芯的去重孔,还增加了6个自扣点,提高了铁芯本身的片间结合力。
在冷却系统方面,3D6电机的定子冷却系统进行了简化,取消了定子铁芯中间的环形油道,节省了一种定子铁芯冲片模具。这种简化可能导致前后两端绕组油路流阻不对称的问题,但特斯拉通过优化轭部油道面积和减小出线侧集油环流阻,来改善这一问题。
总的来说,特斯拉3D6电机采用了10层扁线方案,提高了功率和扭矩密度;采用了高速化设计,转速进一步提升;采用了直接油冷方案,但进行了相应的简化;并且在工艺方面进行了大幅度简化。这种简化的思路在设计和生产成本上带来了显著优势,但是否能够经受长时间老化考验,还需要时间验证。
在电磁特性方面,3D6电机的气隙磁密波形为梯形结构,反电动势存在“怂肩”特征,表明五、七次谐波较高。在峰值扭矩和空载状态下,磁场云图显示磁密非常饱和,部分区域磁密高达2.2T。3D6电机在900A的电流激励下能达到220kw@440Nm,但高转速下功率衰减较大,不足60kw。此外,3D6电机的CLTC路况效率较高,达到了96.02%,但高速区域效率较低,影响了整体效率面积占比。
在NVH性能方面,3D6电机的转矩脉动较大,电磁力主要集中在18、36、54、72阶次。特斯拉通过谐波注入等手段来抑制电磁力和转矩脉动,以达到更好的NVH效果。多目标优化结果显示,7次谐波电流的相位和幅值对18阶次电磁力影响最大,能够明显抑制电磁力和转矩脉动。
通过对特斯拉3D6电机的分析,我们可以得出以下结论:特斯拉采取了“简化”的设计思路,体现在工艺简化和电磁设计简化两个方面。这种简化思路与国内的设计存在明显差异,但在系统匹配和控制侧解决方案方面提供了新的思路。此外,高速化电机的设计也是一个值得深入探讨的话题,需要从系统匹配、结构设计和NVH优化等多个方面进行综合考虑。
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