特斯拉Model3技术分析之驱动电机（永磁开关磁阻电机）

Model3有前后电机配置，前电机是交流感应电机，而后电机是永磁辅助的开关磁阻电机。

后电机的功率会略小，Model 3 后电机的额定功率是195kw，峰值功率是300kw，最大转矩估计是400Nm。

 

这台电机仍然采用三合一的动力总成结构，单速比减速箱。相比于前一代产品，从蓄电池到轮子的驱动系统效率提高了6个百分点，达到了89%。这是相当大的进步了。蓄电池电压400V,短时最大放电电流1000A。

battery-to-wheels loss” as 6 percentage points more efficient than the Model S (89% of electrical energy is converted to forward motion, compared to 83% for the S).

 

效率的提升，主要归功于电机的升级。令人吃惊的是定转子好像都不像是开关磁阻电机的样子。转子采用了永磁同步电机常用的V字斜极结构。

 

这种V型斜极方式也不是什么高科技，相对于普通的斜极它是一种NVH改良的方式。在车用EV电机里，斜极主要是为了克服齿槽转矩。但普通的两段斜极，容易导致一个问题，就是电机轴向扭振：

有个前辈第一款电机将转子分成两段，两段间斜了半个槽。这样达到了降低转矩脉动，车辆在启动过程中更平稳，但发现电机在3000-4000HZ的噪音特别大。问题出在扭转共振上，该电机定子的第三阶扭转模态频率在3725HZ，振形为上下反向拉伸，上下的相位刚好相反。而两段式斜极导致上下两段的齿槽转矩相位也是相反的。这样就和振型就高度一致 了，在某个转速下必然导致扭转共振现象。解决的方法就是改进斜极方式。通过V或者zig-zag的新的斜极方式，能够有效克服中低频段的噪音。而相较zig-zagV型斜极工艺上更容易实现，所以采用的更多。

 

无独有偶，前不久，两段斜极导致的电机噪音问题，把蜗牛研习社的一位朋友折磨的够呛，他是8极48槽的电机，斜了极高速段噪音有优化，而低速段反而更差了。我给的建议是采用V字或者Zig Zag的斜极方式。现在还在做样机，我们静待他脱离苦海的好消息。

举这两个例子是为了对Tesla这种斜极方式有一个更深刻的印象。令人更意想不到的是Tesla的磁极设计：

 

大家没有看错，这是一种单V磁极结构。好消息是，现在终于可以确定是永磁同步电机了。令人失落的是，这磁极设计也太中规中矩了吧，没有啥创新啊，Prius 2004年就玩过了。你对比一下现在其它厂家眼花缭乱的磁极结构就能感受到这种落差感了。

 

也许Tesla走的返璞归真的路子吧，稍微补偿大家一点的是，Tesla采用的是6极的电机，一般乘用车电机都是八极起跳，十极、十二极的都有，大家都是往多极的方向发展，而Tesla是往低极数走。（当然他们以前用的是4极的感应电机，但感应电机和永磁同步不能比啊）或许是Tesla对自己的NVH能力极度自信。选择了六极在效率上是很有优势的，在高速时运行频率会降低25%，能够降低铁耗和磁钢的涡流损耗。从电机本身而言，一万转以上，都倾向于做低极数，Tesla这也算是一种返璞归真。

1、永磁开关磁阻电机

 

天下没有新鲜事，Model3这种电机其实也不是新物种，而是在1955年就已发明的一种电机，英文叫 flux-switching permanent magnet mechine。

自发明以来，这种电机一直是不温不火，游走在大众视野边缘。但近十年来，情况发生了变化，无论国内还是国外学术界都在讨论在研究这种电机在电动汽车领域内的应用。

这是为什么呢？为什么有了永磁同步电机还要搞这种新电机呢？

因为这种电机具备一系列永磁同步电机不具备的优点：无论结构还是电磁，这类电机都特别适合高速运行，特别适合高速弱磁运行的场合，刚好这符合乘用车用电机系统发展的趋势。那怎么来理解这个优点呢？这要从这种电机的原理出发。

 

2、永磁开关磁阻电机的突出优点

 

混合励磁·更强的弱磁能力

其实FSPM的优点在更于它的改装后的能力。面向车用驱动的应用改装，其中一个方向就是在定子上再加装一套励磁绕组，构成混合励磁结构。如下图所示：

 

装了励磁绕组是有用处的，励磁绕组里只需要通入直流电就可以调节磁场了，当需要增强磁场时通入正电流，当需要弱磁时，通入负电流励磁磁场就和永磁磁场相互抵消。如此构成了一个磁通可调的机构。低速爬坡时，磁场增强，转矩上升爬坡能力马上提高。高速时，磁场减弱，高速范围大幅度扩大。

 

弱磁扩速性能。永磁同步电机的弱磁困难问题，是影响高速效率的主要原因。永磁同步电机为什么弱磁困难，这和它的磁极结构是有关。

 

如上图所示，为了抑制反电动势随转速的过快增长，永磁同步电机的弱磁磁场需要抵消部分永磁磁通，因此弱磁磁场是和永磁体磁场方向相反的。以V结构磁极为例，主要的磁路是穿过永磁体，而永磁体不导磁就会导致磁路磁阻很大，需要注入较多的去磁电流。虽然也有一路辅助漏磁路，能绕开永磁体，磁路更流畅 （这也是IPM比SPM更适合弱磁的原因）。但漏磁路的磁桥也很容易饱和，其漏磁量不能占到大头。总的来说弱磁磁路磁阻较大引起了永磁同步电机的弱磁困难。

而FSPM电机就没有这种苦恼，它的弱磁磁路刚好和永磁同步相反，主磁路不经过永磁体，辅助磁路经过永磁体。如下图所示：

 

如此FSPM 电机的弱磁扩速能力就优异于永磁同步，能够很 容易的获得4倍以上的扩速比，如下面这个案例，基速为1700rpm能够扩速到7100rpm。

 

也许有人会问，这有什么奇怪的，那永磁同步电机也可以加励磁绕组啊。确实也可以，但因为永磁体在转子侧，对等的励磁绕组也要装在转子侧，这就要解决一个励磁绕组旋转换向的问题，需要电刷滑环，可靠性无法接受。如果装在定子侧也可以，但就不能加直流电了，要加入交流矢量电流，形成旋转磁场，这又需要复杂的磁场定向控制，相对于FSPM的直流标量控制来说太复杂。

从结构角度来讲，永磁开关磁阻电机转子结构更简单，无应力集中区域，更容易做成高速转子。这就是永磁开关磁阻电机在车用驱动领域受人关注的主要原因之一。

 

3、总结

我们简单介绍了永磁开关磁阻电机的原理和优缺点。永磁开关磁阻电机是即具备永磁同步电机又有开关磁阻电机的特点。相较开关磁阻电机，其有正弦的反电动势，可以用矢量控制，转矩更平稳。相对永磁同步电机其最大的特点是弱磁相对容易，如果加装上励磁绕组，将具备磁场可调的性能，即能够提高低速大载能力，又能够大幅度扩大运行速度范围。这几乎是为电动汽车量身定制的电机系统。