電機(jī)技術(shù)：Lucid VS 特斯拉

Lucid如何用更小的電機(jī)趕超特斯拉

Lucid 稱其電機(jī)設(shè)計(jì)是小型化的，并且一直自夸其Air電動(dòng)汽車中輕型且“緊湊“的電機(jī)輕便到可以放進(jìn)登機(jī)行李箱中。然而，小型只是一個(gè)方面。Lucid的電機(jī)每個(gè)重只有67磅，能夠產(chǎn)生670馬力的動(dòng)力，你沒(méi)看錯(cuò)，即每磅10馬力。此外，Lucid的碳化硅逆變器、減速齒輪組和差速器加在一起重約163磅。

在一場(chǎng)技術(shù)演講中，Lucid首席執(zhí)行官兼首席技術(shù)官Peter Rawlinson和動(dòng)力總成副總裁Emad Dlala介紹了電機(jī)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)、如何通過(guò)低阻力和熱管理實(shí)現(xiàn)功率和效率的提升、以及如何從設(shè)計(jì)之初就將這些考慮在內(nèi)，以便易化電機(jī)的制造。演講中，兩人花了很多時(shí)間討論定子的設(shè)計(jì)，定子是電機(jī)的靜態(tài)外部部分，通過(guò)逆變器形成的電流并產(chǎn)生磁場(chǎng)，使中間的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

例如，Lucid的六極永磁同步電機(jī)定子不像有些電機(jī)那樣使用銅線繞組，也不使用發(fā)夾。為了降低功率損耗和易于組裝，Lucid尋求連續(xù)繞組組件，該組件以有限數(shù)量的焊縫包裹到定子中。它是由一臺(tái)CNC控制的機(jī)器和類似編織的過(guò)程制成，然后由CNC控制的芯軸幫助對(duì)齊和插入編織網(wǎng)。

這對(duì)搭檔拿特斯拉在Plaid中采用的解決方案舉了個(gè)例子。碳纖維外殼，Rawlinson指出，這種技術(shù)與用于燃料電池氫氣儲(chǔ)存的技術(shù)是一樣的，可以承受巨大的壓力。Dlala推測(cè)，將其量產(chǎn)的話會(huì)很昂貴。

Lucid 電機(jī)的奇妙之處在哪里？

如下圖所示，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩受到功率和物理?xiàng)l件的限制，所以其最大轉(zhuǎn)矩曲線是一個(gè)信封形（envelope）。中間的紅圈是等效率曲線，里面的紅圈代表效率高，越往外效率越低。通過(guò)提高最大功率，我們可以提高最大轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，如圖中箭頭所示。

電機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線

通過(guò)齒輪箱，我們可以改變電機(jī)的特性曲線。最佳的設(shè)計(jì)是在增大最大轉(zhuǎn)速、最大轉(zhuǎn)矩同時(shí)，獲得大范圍的高效率區(qū)。

通過(guò)齒輪箱變速的電機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線

Lucid Air動(dòng)力單元拆解圖

Lucid電機(jī)定子

電機(jī)極數(shù)

Lucid電機(jī)被設(shè)計(jì)為6極，以此產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。電機(jī)轉(zhuǎn)速與極數(shù)有關(guān)，np為極對(duì)數(shù)，f單位為Hz，n單位是rpm。對(duì)于Lucid的6極電機(jī)，極對(duì)數(shù)為3。

Lucid電機(jī)有6極（三對(duì)NS極）

定子填槽方式

傳統(tǒng)電機(jī)采用諸多圓線填滿定子槽體，以削弱集膚效應(yīng)（skin effect）帶來(lái)的電阻增加。集膚效應(yīng)是指電流在高頻情況下傾向于從導(dǎo)體表面流過(guò)。

扁線、圓線填槽示意圖

集膚效應(yīng)（skin effect）示意圖

Lucid采用多層扁線填槽提高槽滿率（slot fill），減小集膚效應(yīng)（skin effect），以上二者共同降低了在高頻下的電阻，降低損耗。與其他扁線電機(jī)不同的是，Lucid連接同一槽內(nèi)扁線端部的方法不是焊接（welding），而是連續(xù)波浪導(dǎo)線continuous wave wire）。焊接會(huì)導(dǎo)致諸多焊點(diǎn)，降低產(chǎn)品一致性和可靠性，并且焊點(diǎn)電阻也會(huì)增加熱損耗，而Lucid的連續(xù)繞組用一整個(gè)連續(xù)的繞組消除了焊點(diǎn)。這是一項(xiàng)革命性的技術(shù)，能做到這項(xiàng)技術(shù)的唯一機(jī)器就在Lucid的亞利桑那中，完全CNC（Computer Numerical Control）、完全自動(dòng)化控制。

傳統(tǒng)的扁線電機(jī)通過(guò)焊接來(lái)連接線材

Lucid連續(xù)繞組實(shí)拍

繞組先單獨(dú)進(jìn)行編制，完成后被嵌入定子磁芯中，從而得到完整的定子。每個(gè)定子槽中有8根扁線，Lucid是世界上首個(gè)對(duì)8扁線進(jìn)行量產(chǎn)的廠家。

最終，Lucid的定子只有24個(gè)與逆變器連接的焊點(diǎn)。

Lucid定子繞組焊點(diǎn)

定子導(dǎo)流槽

Lucid電機(jī)的冷卻液導(dǎo)流槽（jet slot）距離繞組這個(gè)發(fā)熱源非常接近，能夠快速帶走熱量.

冷卻液從導(dǎo)流槽中噴射而出

冷卻液在定子上的流動(dòng)

定子導(dǎo)流槽特寫(xiě)

并且通過(guò)巧妙的磁路設(shè)計(jì)，導(dǎo)流槽的存在不會(huì)影響磁路。

導(dǎo)流槽兩旁的齒部寬度與齒部末端寬度相等

定子疊片

定子由多層疊片（lamination）構(gòu)成，以此減少渦流（eddy current)損耗。

疊片減少渦流損耗

定子對(duì)比

下面是Lucid定子與友商定子的對(duì)比。

Lucid定子整體

ucid定子繞組切面

與逆變器連接的匯流線

美國(guó)品牌定子繞組切面

美國(guó)品牌定子導(dǎo)流槽

繞組端子大小對(duì)比，這個(gè)友商的端子其實(shí)已經(jīng)算比較短的，很多其他友商端子長(zhǎng)度是這個(gè)的數(shù)倍。

轉(zhuǎn)子氣隙

定轉(zhuǎn)子之間的氣隙距離為0.4-0.8mm。

轉(zhuǎn)子磁鏈走向如藍(lán)線所示，可見(jiàn)磁鏈不從中空部分經(jīng)過(guò)。中空可以減少重量。

轉(zhuǎn)子磁鏈走向示意

內(nèi)置差速器

Lucid轉(zhuǎn)子內(nèi)置差速器（Differential），能夠節(jié)省空間。

轉(zhuǎn)子磁芯和磁鐵

V型（chevron）磁鐵，能夠減小齒槽轉(zhuǎn)矩 （cogging torque），有利于NVH（Noise, vibration, and harshness）。兩組V型磁鐵，提高磁阻轉(zhuǎn)矩（reluctance torque），有利于提高電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩輸出能力。

疊片邊緣需要有足夠的強(qiáng)度，以保證轉(zhuǎn)子不在離心力（centrifugal）作用下解體。

旋轉(zhuǎn)變壓器

旋轉(zhuǎn)變壓器（Resolver） 用于檢測(cè)轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的位置及其旋轉(zhuǎn)速度，Lucid旋變的旋轉(zhuǎn)部分軸（shaft）合為一體。

旋變旋轉(zhuǎn)部分被集成在軸體上，3瓣式（three lobes）設(shè)計(jì)

旋變本體定子

旋變本體全貌

轉(zhuǎn)子對(duì)比

美國(guó)品牌的轉(zhuǎn)子被一層碳纖維包裹，主要是為了增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度，用來(lái)對(duì)抗離心力，使磁鐵穩(wěn)定在定子中。碳纖維包裹的存在雖然通過(guò)刪除連接處（steel bridge）的方式（增強(qiáng)隔磁橋flux barrier）增強(qiáng)了磁場(chǎng)，但也增加了氣隙，最終減小了轉(zhuǎn)矩。實(shí)際上，碳纖包裹是賽車設(shè)計(jì)中借鑒而來(lái)，已存在多年。而Lucid通過(guò)巧妙的設(shè)計(jì)，做到了很好的工程權(quán)衡（engineering trade-off）——為了產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)矩，磁鐵應(yīng)該離定子盡可能近；而為了保證機(jī)械強(qiáng)度的同時(shí)不使用碳纖維，連接處應(yīng)該盡可能厚。

綜合對(duì)比

無(wú)論是功率還是功率密度，Lucid的電機(jī)都優(yōu)勢(shì)明顯。

驅(qū)動(dòng)單元總體

電機(jī)、逆變器、齒輪箱三合一。Lucid的驅(qū)動(dòng)單元全部自研，并且其生產(chǎn)由Lucid在亞利桑那的工廠完成。