電動(dòng)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(jì),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(shí),定子繞組被通以變化電流,轉(zhuǎn)子繞組的閉合回路中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。兩股電流分別產(chǎn)生磁場(chǎng),磁力作用使得定子、轉(zhuǎn)子間產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。
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(chǎng),使得轉(zhuǎn)子持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。只有當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速時(shí),轉(zhuǎn)子才會(huì)受到驅(qū)動(dòng)力;倘若兩者速度同步,轉(zhuǎn)子繞組中磁場(chǎng)恒定,不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流,也不會(huì)得到驅(qū)動(dòng)力。所以感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子速度與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速不同步,故感應(yīng)電機(jī)又稱“異步電動(dòng)機(jī)”。通過(guò)電路調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速,便可以控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。
旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)
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(chǎng)相互作用,產(chǎn)生力矩。這時(shí),轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度與磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度是同步的。倘若磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度過(guò)快,轉(zhuǎn)子的驅(qū)動(dòng)力下降,直至跟不上磁場(chǎng),會(huì)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(guò)連續(xù)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)來(lái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子,這樣的電機(jī)稱為永磁同步電機(jī)。更簡(jiǎn)單的形式是,將定子繞組視為很多個(gè)電磁鐵,電磁鐵逐個(gè)通電斷電,吸引永磁體像手表秒針一樣間歇轉(zhuǎn)動(dòng),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(duì)比,感應(yīng)電機(jī)的磁場(chǎng)需要電流來(lái)產(chǎn)生,而電流會(huì)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(dòng)環(huán)境下會(huì)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(gè)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(chǎng),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(guò)。
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(guò)模具直接將導(dǎo)條、端環(huán)一同成型,有時(shí)會(huì)將散熱葉片也一同鑄造。但是純銅在熔化情況下流動(dòng)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(huì)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(duì)于銅質(zhì)材料使用焊接成型。端環(huán)可以是簡(jiǎn)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(diǎn)。焊接點(diǎn)容易出現(xiàn)焊接缺陷或質(zhì)量隱患,這樣會(huì)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(wú)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(jì)制造的重要問(wèn)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(wú)差異,譬如限位鍵用于限制主軸-核心組件之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),擋圈用于限制主軸-核心組件之間的直線滑動(dòng)。
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(chǎng),常見使用磁性能較好的硅鋼材料。鐵芯處在變化磁場(chǎng)中,而其本身能夠?qū)щ?,所以鐵芯內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。這樣的感應(yīng)電流會(huì)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(wú)差別。將多個(gè)鐵芯盤堆疊粘合起來(lái),即形成鐵芯。將相鄰的鐵芯盤之間按某個(gè)方向略微錯(cuò)開一定角度,可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)條槽相對(duì)主軸的傾斜,即“斜槽”,這有利于轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中力矩的平穩(wěn),能夠減小抖動(dòng)。
鐵芯盤導(dǎo)條槽局部放大
我們對(duì)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(gè)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(zhǎng)的柱狀結(jié)構(gòu),可以通過(guò)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(wú)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(zhǎng)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(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)相等。為了使導(dǎo)條能夠順利穿過(guò)導(dǎo)條槽,兩者在尺寸上應(yīng)當(dāng)實(shí)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?yàn)閷?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(shí),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(shí)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(wú)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(shí)可方便地辨識(shí)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(zhǎng)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(shí)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(huì)要求端環(huán)與鐵芯之間留出較長(zhǎng)的距離,這會(huì)導(dǎo)致重量增加。嵌塊可以稍長(zhǎng)于導(dǎo)條在某一端露出的長(zhǎng)度,這樣嵌塊會(huì)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(duì)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(guò)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(dú)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(guò)程中,焊料融化通常不會(huì)導(dǎo)致嵌塊滑動(dòng),為了防止意外滑動(dòng),使用一些簡(jiǎn)單模具對(duì)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(duì)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(duì)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(guò)盈配合,可借助熱脹冷縮來(lái)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(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)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(shí)此方法的裝配容易,所用零件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jì)是多方面因素綜合優(yōu)化的結(jié)果,專利中舉出了一個(gè)實(shí)際例子的各項(xiàng)機(jī)械、工藝參數(shù),具有較大的參考價(jià)值。
導(dǎo)條/嵌塊材料:無(wú)氧銅
導(dǎo)條/導(dǎo)條槽數(shù):68
嵌塊數(shù):67
導(dǎo)條長(zhǎng)度:214.0mm
鐵芯盤堆疊總厚度(503):153.3mm
導(dǎo)條槽截面長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度(每側(cè)):30.35mm
嵌塊截面長(zhǎng)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(zhǎng)度(略長(zhǎng)于導(dǎo)條裸露長(zhǎng)度):31.3mm
審核編輯:黃飛
評(píng)論
查看更多