電驅(qū)動技術(shù)—特斯拉Tesla首席電機工程師談電機設(shè)計

作為特斯拉的首席電機設(shè)計師，Konstantinos Laskaris多次接受媒體專訪，我們整理了他的部分回答供您設(shè)計電機時進行參考。

問1：當(dāng)特斯拉決定改變其車輛的參數(shù)時，比如增加峰值電池電流或增加牽引能力，這對您的電機設(shè)計團隊意味著什么？您是否有迭代設(shè)計流程？當(dāng)特斯拉決定改變其車輛的參數(shù)時，比如增加峰值電池電流或增加牽引能力，這對您的電機設(shè)計團隊意味著什么？您是否有迭代設(shè)計流程？

答：在我們位于弗里蒙特的工廠，我們幾乎在內(nèi)部制造汽車的各個方面。我們擁有電機繞組和制造設(shè)施，因此我們可以優(yōu)化電機制造的各個方面并控制產(chǎn)品質(zhì)量。此外，我們可以非?？焖俚卦谏a(chǎn)中實施更改，從這個角度來看，我們是一家非常敏捷的公司。

我們可以生成電機幾何形狀，并通過有限元分析非?？焖俚貙ζ溥M行分析。我們有一個大型計算機集群，擁有超過500個核心處理器，這些處理器運行有限元 - 典型的個人計算機有兩個核心，也許是四個。這意味著您可以并行創(chuàng)建許多虛擬模型并執(zhí)行大量計算?；旧?，它使我們能夠非?？焖俚厍蠼鈸p耗和效率圖，并根據(jù)我們創(chuàng)建的任何指標(biāo)，查看任何電機設(shè)計對于我們正在設(shè)計的應(yīng)用有多好。

問2：似乎有無數(shù)的電動機拓?fù)?，架?gòu)和配置。您如何開始評估和比較所有可能的選項？

答：準(zhǔn)確了解您希望電機做什么是優(yōu)化的首要任務(wù)。您需要知道確切的約束 - 確切地說，您正在優(yōu)化什么。一旦你知道了這一點，你就可以使用先進的計算機模型來評估具有相同目標(biāo)的一切。這使您可以全面了解每種電機技術(shù)的性能。然后你去挑選最好的。

在車輛設(shè)計中，一般來說，總是存在欲望和限制的混合。這些參數(shù)與性能、能耗、車身設(shè)計、質(zhì)量和成本有關(guān)。所有這些指標(biāo)都以某種方式相互競爭。理想情況下，您希望它們共存，但考慮到成本限制，需要做出一些妥協(xié)。電動汽車還面臨著額外的挑戰(zhàn)，因為電池能量的利用是一個非常重要的考慮因素。

每個人都會對應(yīng)該做出什么樣的權(quán)衡有不同的看法。例如，您愿意用多少行駛里程來換取更快的加速？設(shè)置這些參數(shù)后，您可以開始評估選項并進行優(yōu)化。

舉個例子，人們開車的很大一部分時間是在低扭矩高速公路上。但是，有很多電機提供出色的0-60 MPH性能，但在低扭矩高速公路速度區(qū)域效率非常低。所以問題是，我能擁有一切嗎？既有高效率，也有高性能？不幸的是，答案是否定的。但是你可以在相互競爭的事物之間做出明智的選擇。是的。人們開車的很大一部分時間是在低扭矩高速公路上。但是，有很多電機提供出色的0-60 MPH性能，但在低扭矩高速公路速度區(qū)域效率非常低。所以問題是，我能擁有一切嗎？既有高效率，也有高性能？不幸的是，答案是否定的。但是你可以在相互競爭的事物之間做出明智的選擇。

這就是優(yōu)化的美妙之處。您可以在所有選項中進行選擇，以獲得滿足約束條件的最佳電機。如果我們對一切進行正確建模，您可以找到具有高性能0-60 MPH約束和最佳高速公路效率的電機。

另一個例子是電機的整體效率與其成本的關(guān)系。在某些情況下，以更昂貴的方式制造電機可能會提高效率，并通過節(jié)省電池或汽車其他方面的錢來購買成本差異的數(shù)倍。因此，如果您能夠準(zhǔn)確地對電機效率和成本進行建模，則可以將其與電池成本節(jié)省進行對比?，F(xiàn)在，您可以看到，用于實現(xiàn)總成本最小化的最佳電機通常與最便宜的電機不同。

這些都匯集在一起，形成了您要制造的汽車的特征指標(biāo)。這是一種通用方法，說明我們?nèi)绾螐膮?shù)設(shè)計開始，最終獲得最終配置。

問3：我們聽到很多關(guān)于電池成本的討論 - 歷史趨勢和預(yù)測。您能談?wù)勲姍C成本的趨勢嗎？

答：當(dāng)我們談?wù)撚来烹姍C時，過去的磁鐵價格波動很大，也許這并不能很好地代表關(guān)于電機成本的一般討論。

但是，我們優(yōu)化的越多，電機成本就越低，而且隨著我們獲得更多功率密度的電機，它們變得越來越小。如果不通過更小的電機和更高的功率密度來犧牲效率，電機成本將逐漸下降。除了磁鐵之外，電機中的材料同樣具有穩(wěn)定的價格。

因此，我們看到一種趨勢，即由于我們多年來所做的技術(shù)改進，電機逐漸變得更便宜。還有更好的制造方法。我們正在使制造成本降低。如果我們在二十年前嘗試制造我們今天使用的電機，顯然成本會高得多。有許多類型的技術(shù)正在發(fā)揮作用，以降低電機成本。

這是材料技術(shù)和設(shè)計技術(shù)的結(jié)合演變。例如，在繞組處獲得更高的槽填充將有效地使電機更小，更便宜。擁有更薄的鋼，可以讓你達到更高的頻率，也會使電機更小，更便宜。

將電動動力總成理解為一個系統(tǒng)是一件非常重要的事情，這也將降低成本。不僅成本，它還將制造出更好的產(chǎn)品，因為知道要優(yōu)化哪些操作條件，或者了解系統(tǒng)的熱學(xué)并設(shè)計一個利用材料功能但不會過度設(shè)計的系統(tǒng)，這些都是經(jīng)驗和更先進的仿真技術(shù)所帶來的東西。

優(yōu)化是制造經(jīng)濟實惠的汽車的重要組成部分，該汽車還具有驚人的性能和范圍以及所有感興趣的規(guī)格。

問4：有沒有一種技術(shù)（或一組參數(shù)）可以被認(rèn)為是電機設(shè)計的圣杯 - 類似于討論鋰空氣電池技術(shù)（低成本，長壽命，高能量密度）的方式？在汽車世界中會是什么樣子？

答：這是電機技術(shù)和電機材料，這兩個組件將構(gòu)成最終的牽引電機。在材料方面，我會說塑料芯 - 不具有導(dǎo)電性 - 并且具有巨大的磁導(dǎo)率，可以用非常低的電流激發(fā)。也許這是無法實現(xiàn)的，但公司正試圖朝著這個方向前進。然后，您可以使用的材料上有電導(dǎo)率限制。因此，這些材料將使我們獲得更好的性能，并且從材料的角度來看，我們知道理想的位置。

但是，從設(shè)計的角度來看，我會說我可以舉個例子，但不要太堅持。例如，像具有完全磁通調(diào)節(jié)能力的同步單獨勵磁機一樣，是控制和性能的理想電機。但它面臨著巨大的制造挑戰(zhàn)。

因此，電機設(shè)計人員了解，有一些電機是為可制造性和可行性而設(shè)計的。然后還有不折不扣但難以制造的電機。這就是為什么你看到這么多電機在周圍。

例如，感應(yīng)機器是大自然的禮物，因為它的工作方式。因為你誘導(dǎo)渦流的方式，可以很好地扭曲磁場并產(chǎn)生扭矩。這是獨一無二的。你沒有電刷，沒有導(dǎo)體，電機具有非常好的特性。它已經(jīng)存在了一個多世紀(jì)，基本面沒有改變。當(dāng)然，由于計算機的存在，我們使用的方法已經(jīng)發(fā)生了很大的變化。這是一個平穩(wěn)的電機。這是一個扭矩密集的電機。

問5：我們匯總了一份電機技術(shù)清單，我們聽說過這些技術(shù)被討論為電動汽車的下一代解決方案。您能簡要地告訴我您對每個問題的看法嗎？（即，您是否認(rèn)為該技術(shù)很有前途，實施起來太具有挑戰(zhàn)性，在可預(yù)見的未來對于您想要的產(chǎn)品路線圖來說太昂貴，解決了不需要解決的問題，等等。

首先，納米材料的進步顯示出改善金屬導(dǎo)體的電學(xué)和熱性能的潛力，降低了定子和轉(zhuǎn)子的I2R損耗。您對高性能熱導(dǎo)體和電導(dǎo)體制造有何看法？

減少繞組的銅損幾乎是每個人都在嘗試的事情。它是如此占主導(dǎo)地位和明顯，如果我們獲得超出銅所能達到的更高導(dǎo)電性，這將是開創(chuàng)性和重要的，不僅對特斯拉，而且對制造電機的每個人來說都是如此。

如果它發(fā)生，我們很快就會知道它，它將被采用。不過，到目前為止，材料很少。銀是你能找到的導(dǎo)電性最強的材料，但它比銅貴得多。這就是為什么銅在大多數(shù)情況下占主導(dǎo)地位的原因。但我會很高興看到那里的演變。

我看到一些公司正在工作，但他們也試圖同時改善機械特性。我還沒有看到在可預(yù)見的將來可以直接實施的東西。

添加6.5%硅的電工鋼已被證明可以在不犧牲飽和磁化水平的情況下降低磁芯損耗。您對硅鋼制造有何看法？

獲得損耗較低的鋼材可以逐漸改變設(shè)計考慮因素，并采用更高的頻率并使電機更小。例如，如果你有一臺8極機器在一定頻率下，如果你有低損耗的鋼，你可以選擇10極機器，然后你會得到更多的扭矩密度。因此，實際上，您可以用扭矩密度來交換鐵的損失。因此，您可以進行所有這些設(shè)計調(diào)整并重新設(shè)計電機，以最終為您提供更好的產(chǎn)品。

有些公司正在做更高的硅含量。它需要大量的能量，很難降低成本，因為能源有給定的成本。但我們會看到，我們有興趣看到進化。

高溫超導(dǎo)體的突破使得消除轉(zhuǎn)子電阻損耗并實現(xiàn)更高的磁通密度成為可能。您對超導(dǎo)線材制造有何看法？

對于汽車行業(yè)來說，這有點遙遠，因為冷卻成本必須超過效率優(yōu)勢或壓實優(yōu)勢的成本。因此，至少目前，電動汽車的牽引應(yīng)用可能還不是正確的應(yīng)用。它更適合需要更高連續(xù)功率密度的應(yīng)用。

您如何看待低損耗高速軸承技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r？

更高的速度是提高功率密度的兩種方法之一。一個是扭矩密度，一個是速度。高速受到機械結(jié)構(gòu)、軸承和齒輪等機械裝置的限制。因此，軸承有時是達到我們想要的高速的限制因素之一。獲得能夠承受更高速度的廉價軸承絕對是我們期待的事情。我認(rèn)為這適用于牽引應(yīng)用。

如果你看看軸承制造商的目錄，你可以看到有高速和高效的軸承，但成本很高，他們正試圖降低它。我們很高興看到結(jié)果，并評估一些更好的軸承是否是驅(qū)動單元的有吸引力的解決方案。

您對使用軟磁材料制造電機磁芯（如非晶、納米晶和軟磁復(fù)合材料（SMC））有何看法？

無定形在飽和度和損耗之間提供了非常好的權(quán)衡，但它在制造中具有局限性。我們還沒有看到各種各樣的商用電機，盡管我知道一些公司已經(jīng)用非晶鋼做了原型。

硅鋼目前是一個非常好的交易，介于損耗和飽和水平之間。對于徑向磁通量機，這可能是方向。

當(dāng)您的磁芯中存在 3D 場變化時，SMC 允許場變化來減輕鐵的損失，例如當(dāng)您擁有橫向磁通量機或軸向磁通量機時。但同樣，在飽和鐵損失之間可能會有更大的折衷。所以我認(rèn)為硅鋼的進化是汽車行業(yè)所期待的。

您對主動扭矩紋波最小化的新技術(shù)有何看法？

我更喜歡優(yōu)化幾何形狀，以便首先沒有扭矩紋波，而不是試圖通過控制來減輕這種情況。我認(rèn)為可以做很多事情來優(yōu)化您的幾何形狀，以免產(chǎn)生扭矩紋波。你可以用有限元很容易地捕捉到它。如果您需要執(zhí)行主動緩解，則存在帶寬限制，因為頻率會變高。因此，我認(rèn)為扭矩紋波應(yīng)該通過硬件調(diào)整來解決，以減輕轉(zhuǎn)矩紋波。

有很多關(guān)于開關(guān)磁阻電機（SRM）作為下一代EV牽引電機的討論。您對 SRM 有什么想法嗎？

SRM 是一臺非常特殊的機器。它制造起來非常簡單，但很難控制。它有一些聲學(xué)噪聲和振動挑戰(zhàn)。通過設(shè)計，您可以使其變得更好，并且可以以減輕所有這些問題的方式對其進行控制。

它在扭矩密度方面并不算太差，但是恒定功率的積累有點挑戰(zhàn)，并且在牽引應(yīng)用中需要恒定功率。所以，再一次，我總是希望看到新的想法，并且擁有如此堅固的東西絕對是有吸引力的，因為它是一個非常簡單的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。它可能適用于這類問題。

有很多關(guān)于開關(guān)磁阻電機（SRM）作為下一代EV牽引電機的討論。您對 SRM 有什么想法嗎？

我想說，首先不要低估經(jīng)典科學(xué)——好的數(shù)學(xué)背景，好的物理背景。這始終是一種趨勢。你將永遠善用你的理解。如果你學(xué)會了如何使用商業(yè)工具進行設(shè)計，你將為這個行業(yè)做好更充分的準(zhǔn)備，但擁有良好的理論背景要好得多。

在那之后，電機控制是一個具有光明前景的話題。但我想說的是，將來設(shè)計出良好電機控制的人也需要非常了解電機。有些人想在研究電動機之前先做電機控制，這是我不推薦的。

電能存儲系統(tǒng)也令人興奮。這是一個有很多研究機會的領(lǐng)域。

當(dāng)然，還有軟件工程和編寫代碼。如果你知道如何把你作為工程師的想法融入到代碼中，你會做得很好。一旦你開始擁有自己的想象力和想法，這是一個巨大的優(yōu)勢。我會說，擁有一些編程技能絕對是非常重要的。