Tesla Model3 电机对标分析

“ Tesla Model3 是当前卖得最火的一款EV，它的驱动系统早被业内反复拆剖解析，但这些剖析每每勾留在外不雅观层面，本日我们再往前走一步，通过电磁模型剖析，我们考试测验来回答两个问题：1、高扭矩、功率密度高效率是如何实现的？2、NVH特性为什么会比较精良。
”

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产品先容

Telsa Model3是一款范例的纯电三合一驱动总成，根据表露的信息可知：电机的功率在190kw，峰值扭矩420Nm，最高转速16000rpm。
相较国产的现役驱动、它具备光鲜的高功率、高扭矩、高转速特色。

电机转速和扭矩的提升不是大略放大缩小，而是涉及到新平台的开拓，须冲要破：电磁、构造、热管理、NVH等一系列门槛，实质上是技能体系的一次跃迁，对所有从业者都是极大的寻衅。
因此很有必要对Telsa Model 3进行一次深入的剖析，即便窥知一二，也能产生启示。
我们先不雅观察一下这款产品的特点：

Modle3采取了6极54槽的槽极比，这个槽极比用的很少，相较范例的8极48槽，它具备两个优点：

它的齿槽谐波次数为181，而8极48槽的齿槽谐波次数为121，更高的齿槽谐波次数意味着谐波强度会更弱一点，有利于阶次噪音的抑制；极数为6，最高转速16000rpm时运行频率为800Hz,相交 8极电机频率低落了25%，更有利于降落铁耗；

但极对数低并不利用提高峰值扭矩，须要其它手段来填补。

Telsa Model3的定子有点分外，便是在轭部开了一些油孔，冷却油先经由这些油孔然后再喷淋在绕组端部，这是一种复合式油冷构造。
值得一提的是Model3采取的仍旧是圆线设计，采取分布式短距绕组。

Telsa Model3的转子采取经典的单V构造，比较有特色的地方有两点，一个是采取了两对赞助槽，个中大赞助槽放置在V字磁钢槽-表面磁桥处，小赞助槽放置在靠近极中央的地方。
除此之外转子采取了三段错极的办法来履行，它的错极办法如下图所示分成两小段，一大段，个中大段的长度是小段长度的2倍。

为了便于逆向追溯Model3赞助槽和错极设计的机理我们利用Volt Motor Designer 软件的一个参数化磁极模块来进行简化建模。
简化后的模型如下图右侧所示，可以清晰的不雅观测到两对赞助槽的位置，而且他们的大小位置都是可以参数化驱动的。

现在，我们对Model3有了一个大略的理解，同时也产生了很多疑问。
这个6极54槽的电机功效特性如何？比8极48槽的更强吗？它的NVH特性是怎么样的？这种赞助槽和错极的开拓是否有玄机。
不焦急，我们逐步抽丝剥茧，逐步剖析。

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电机基本性能剖析

1、Map图特性

先看宏不雅观性能，我们剖析的该电机的Map图如下图所示：

从中我们能够得到如下信息：

高扭矩、高功率是可以实现的，在800A和385Vdc的驱动支撑下，能够实现420Nm和200kw以上的功率输出；高转速下的功率较高，可达140kw，且高速下效率较高，16000rpm的效率在92-93%旁边；高效面积较大，作为圆线电机它实现了96.9%的最高效率，效率>90%的面积占全体Map图的84.5%，效率>85%的面积占全体Map图的93%虽然实现不了双90，但实现了85，90。

通过以上剖析，我们有一个创造：Tesla实现高功率高转矩输出的最紧张的策略是提高最大电流，当电流达到800A才能得到420Nm,200kw的输出。
但这个策略须要大电流功率器件的支持，Model3 采取了 4管并联的Mos管碳化硅以支撑大电流输出。

不足为奇，利用SiC平台的大容量上风提升电驱功率已成为常用策略，Integral-Powertrain的大功率驱动系统，采取了双三相的SiC架构，每相支撑电流达600A。
大电流、大容量是SiC平台的一个明显特色。
理解这种态势，我们能够更随意马虎理解Model3 的设计谋略。

我们还创造Tesla 提高效率的路子有两个， 一个是采取了0.25mm的薄硅钢片，越薄的电影涡流损耗越低，有利于提高效率。
另一个是采取了6极的设计，这使得16000rpm下运行频率才800HZ，和8极电机12000rpm相称，我们知道铁耗和频率的1.5次方成正比，铁耗的降落使得高速区间效率明显提升。

2、Map事情点特性剖析

接下来我们剖析了 剖析了额定、峰值扭矩、峰值功率、最高转速四个范例工况下的特性。
得到的信息支撑了上文中的判断，我们创造高速工况下效率达到92.9%，铁耗只有5153w， 总功率的4.29% 。

从高速工况我们还创造一个特点，凸极比达到3.1，高的凸极比有利于弱磁扩速，提升高速下的输出能力。
因此达到同样120kw，高速16000rpm 的电流比额定6000rpm的电流要小，这个特色也有利于提高电机效率。

该电机的额定功率达到120kw，持续扭矩达到200Nm，此时的总损耗量达到3587w，要产生这么大的持续散热功率，须要有精良的油冷系统的支撑。
Model3采取了一种复合式多路油冷却技能：

定子的冷却：ATF油从中间通入铁芯，经由定子铁芯轭部的轴向通油孔到达绕组端部的集油环，然后通过集油环的孔洞淋在绕组端部；

转子轴中空且开有甩油孔,通过旋转使冷却油飞溅,同时冷却转子和定子。

这种复合式油冷技能运用使得该电机的功率密度转矩密度明显提升，相较普通的水冷电机，持续转矩能够提升40-50%；

3、错极下的输出品质

除了输出能力刁悍外，令人印象深刻的是这台电机在各个工况下的转矩脉动非常小，一样平常而言6极整数槽的转矩脉动抑制难度是高于8极的，这种低转矩脉动是如何实现的还须要进一步研究。

我们疑惑错极的设计对输出平稳性非常主要，因此做了错极核和非错极的比拟剖析，如下图所示，我们创造了如下三个征象：

Model3的错极设计对额定、峰值扭矩、峰值功率、高速工况都起到了很好的抑制浸染，也便是说这种错极效果是跨工况的；仔细比拟错极前后的转矩波形，创造 错极的浸染是将“毛刺撸平了”，波形虽然变的光滑了，但转矩的均匀值低落很小，这种错极效果比较好，8极48槽的电机错极也能达同样的光滑效果，但转矩丢失也很大。
进一步深入进行转矩谐波剖析，我们创造错綦重要针对对54阶脉动抑制，这个阶次是定子开槽引起的。

综合上述三点，可以解释Model3，“6极54槽+1.667”的错极设计效果非常好，即不明显丢失转矩，又能明显抑制齿槽次数转矩脉动。

不仅如此，错极还能起到平滑反电动势波形效果。
如下图所示，错极前后反电动势正弦性反差明显；

除此之外，错极对减小齿槽转矩效果良好，通过错极齿槽转矩低落了50%，达到了1.61Nm，占额定转矩的比例0.8%，达到了较低的水平。

我们对基本性能剖析小结：通过上述剖析，我们得出如下信息：

Model3的高扭矩高功率的输出特性可信，其紧张依赖大电流SiC驱动平台的支持；Modle3的效率较高，在担保高密度的同时仍能达到最高96.9%，高速效率92.9%，这和它采取的6极构造和0.25mm薄的硅钢材料有关；Model3的持续扭矩达到200Nm@120Kw，紧张依赖高效的冷却办法支撑；Model3各工况的转矩脉动输出都很很小，6极54槽+错极设计搭合营理，达到了转矩丢失小、脉动抑制高的效果；

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NVH特性

我们已经完成了输出能力的剖析，接下来须要更进一步剖析这台电机的NVH特性，为了简便，我们从恒转矩-恒功率曲线的电磁力特性角度切入，设定转速、电流、电流角勉励，选择Model3特有的错极办法，就可以启动打算。

经由半小时的打算后，我们得到了该电机的电磁力特性。
从中我们创造：

空间0次数的电磁力身分中（最敏感空间阶次） 特色韶光阶次是18阶、36阶、54阶、72阶，个中最明显的是18阶，它随着转速提升而快速提高。
这么说大家没有观点，这些阶次很多同学比较陌生，我把它翻译一下。
以电频率计：8极48槽的电机常说的24阶、48阶对应的分别是6f、12f电频率。
按电频率把它对应到Model3的6极54槽电机，分别是18阶、36阶。
那Modle3的54阶是什么呢？是一阶齿槽的阶次，对应8极48槽48阶电磁力。
我在上图的电磁力瀑布图下方把这个对应关系列成了表格，供大家参考。

特色阶次出来了，接下来要评估这个电机的电磁力密度是高是低，我们须要一个评估的标准，我拿了一台常规的8极48槽的电机作个比拟，大家能够建立起量的观点。
这台对标电机是我参考某16000rpm产品自建的模型，它没有专门针对电磁力作为优化，可以理解为原生态状态。

我们创造6f阶次（8极48槽为24阶、6极54槽18阶）电磁力两种电机最大的都在20000Pa 旁边，不同的在于Modle3的低开高走，而8极48槽高开低走，各有利害。

而12f阶次（8极48槽为48阶、6极54槽36阶）电磁力Modle3具备明显上风， 电磁力最大值仅有8极48槽的20%。
这个便是一种明显的上风。

通过上述比拟我们创造Model3的电磁力处于较低水平，接下来要探寻缘故原由。
我们疑惑奥妙藏在“错极办法”和“转子赞助槽”中。

A、错极办法的影响剖析

先剖析错极办法的影响，比拟了错极前后，电磁力的差别，我们创造它的这种错极办法对36阶、54阶电磁力有明显抑制浸染，但对18阶险些没有影响，对72阶有些速率段减小，有些速率段增大。
也便是说它的这种错极办法的阶次针对性很强，这是一种精准打击的手段。

为了理解这种精准打击的范围，我们比拟了16000rpm下电磁力3D柱状图图的信息，我们创造了一个明显的对角线特色，在54阶电磁力附近的那个矩形框内，电磁力都得到明显抑制。
这就Model3错极办法的打击范围。
当然我们还可以在它的根本上，用其它错极办法来进一步改进。

在乘用车驱动领域我们常用六段V错极办法，这里我们比拟了六段错极、原版的三段错极和直极的差异。
创造六段错极和三段错极的总体效果是类似的，但六段错极的效果在36阶的高速段要更好，对72阶的抑制浸染要更平滑，总的来说六段错极的效果和三段类似，但六段的效果更均匀。

我们对错极的剖析作个小结:Model3的电磁力强度较弱，和普通的8极48槽电机比较具备一定的上风；Modle3的错极设计能够有效的抑制齿槽阶数的电磁力，使得电机54阶、36阶噪音有明显的降落；Model3的三段错极办法基本够用，通过六段错极能够起到更稳定的效果，但这会增加工艺本钱。

B、转子赞助槽的影响

为了单独凸显出赞助槽设计带来的影响，我们首先要设计一个比拟实验，如下图所示：实验组为Modle3不错极电机，对照组为去掉赞助槽后Modle3不错极电机，实验就说要比拟它们两个的电磁力差异。

通过电磁力的比拟我们创造，Modle3的赞助槽紧张是针对54阶噪音进行设计的，对18阶、36阶影响较小 ，这解释它的赞助槽设计也是一种精准打击武器，和错极一样，都是对齿槽阶次噪音进行的一种针对性优化。

上述实验只能证明赞助槽有用，但不能解释它一定最优，为了研究这个问题一样平常我们须要参数化扫描赞助槽的大小、位置不雅观察最优解是否存在。
但这里有个问题，每个赞助槽最少须要有位置、宽度、深度3个变量，两对赞助槽加起来就6个变量，如果每个变量扫描步数为10，就须要打算10^6次，数目太多，很难履行。
我们换成遗传算法来打算量就相对少很多。

遗传算法优化设置如下图所示，我们先设置赞助槽的6个参数的扫描范围，然后设置空载、额定、高速三个工况来稽核赞助槽的优化效果。

赞助槽对电磁力、转矩脉动等具备明显的优化效果，因此我们须要着重关注下图红圈中的优化目标。

优化结果的信息比较丰富，为了便于理解我来替大家解读一部分。
先看齿槽转矩-额定54阶电磁力、额定36阶电磁力三个优化目标，我们创造Model3原版的设计非常靠近Pareto前沿最优解，而额定36阶电磁力的颜色为兰色，在色标中居中，没有优化也没有恶化。

我们坚持齿槽转矩和额定54阶电磁力不变，仅切换颜色维度为额定18阶电磁力，创造类似的征象，原方案18阶电磁力呈现兰色，它的赞助槽对18阶也呈现中性 。

这里我们得到一个结论，Modle3的赞助槽紧张是针对齿槽转矩和54阶电磁力作的优化，针对这两个指标险些达到最优解了，这点和我们上文的结论是类似的。

我们再把剖析范围放宽一点，稽核它的赞助槽设计对高速、额定的平衡效果如何。
下图所示，原版设计也非常靠近 “额定54阶-高速54阶”的Pareto前沿线，而且转矩脉动也处于蓝色区间，量值较低。
也便是说Modle3的赞助槽不仅仅针对额定工况有效果，而且能够实现跨工况对54阶噪音进行优化。
如果我们把视野再扩大还能得到更丰富的信息，限于篇幅不再展开。

正文末了，我们对Molde3的赞助槽作一个小结：

这个赞助槽紧张是针对54阶噪音进行优化的，其次是齿槽转矩和转矩脉动，险些达到了极限最优解，它对18阶和36阶的抑制考虑较少；36阶噪音紧张靠错极来进行抑制，而18阶噪音，坚持在较高水平，这个短板该当有其它应对方法，可能是谐波注入；

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总结

末了我们通过回答导读中问题来作个总结：

1、 高扭矩功率密度、高效率是如何实现的？

答：高功率密度的实现紧张依赖大容量SiC支撑，高扭矩密度依赖多路油冷技能支撑；高效率是由少极数设计和薄硅钢片来实现的。

2、NVH特性为什么会比较精良？

答：良好的NVH特性关键在于：1、6极54槽和错极的组合策略，2、转子外表面的两对赞助槽的设计。

纵不雅观全文我们能够创造，实在Model3电机侧的创新比较小，油冷、SiC、6极54槽都是相对成熟技能，但这些成熟技能组适宜合可以形成一个精良的产品。

我们都在思考下一代电驱系统的技能路线是什么？是高转速、高功率？是高扭矩密度、还是高转速、油冷？总是思绪万千，下笔困难。
通过对Tesla Model3的对标剖析，我们能够大致读懂了他们的设计思路。
他的路线大概是这样的：基于现有技能、加入少量创新，搭配出互补策略组合，把输出能力和密度往上推。
相较DOE旗下各组织的那些新事理、新材料的创新路线，这是个风险较小方向，值得我们借鉴。

末了容我做个广告吧，上述打算剖析用到了我们自主开拓的软件 Volt Motor Designer，这些功能都是我们根据运用需求一边做项目一边逐步完善的，我们采取小步快跑的办法，已经迭代了4个版本，最开始的时候还只是一个个独立的插件、模块，到2020年我们才完成整合。
下图是我们开拓发展进程， 国产软件的开拓实为不易，它须要一个持续迭代发展的环境，在这里特殊感谢苏州绿控、宇通智驱、格力凌达、东风汽车等等在不同阶段支持我们的朋友。