Tesla感应电机鼠笼转子端环的制造工艺解读

电动汽车公司Tesla在专利US 20130069476A1中公布了一种感应电机鼠笼转子端环的制造工艺，新工艺相比传统工艺具有更好的电气、机械性能，并且制造成本更低。特斯拉在Model S、Model X的电机中均应用了此种设计，电机在转化效率、输出功率等方面取得了优秀的性能。

感应电机与永磁电机

感应电机与永磁电机是EV中最常见的两种电机，两者原理不同，性能也有所差异。

感应电机的转子绕组是一组闭合的金属导体，转子本身既不通电，也不含有磁体。工作时，定子绕组被通以变化电流，转子绕组的闭合回路中会产生感应电流。两股电流分别产生磁场，磁力作用使得定子、转子间产生转矩，转子转动。

将定子绕组以一定形式排布在转子外围，并且通以持续变化的电流（交流电），就可以形成旋转磁场，使得转子持续转动。只有当转子转速低于旋转磁场转速时，转子才会受到驱动力；倘若两者速度同步，转子绕组中磁场恒定，不会产生感应电流，也不会得到驱动力。所以感应电机转子速度与旋转磁场转速不同步，故感应电机又称“异步电动机”。通过电路调节旋转磁场的转速，便可以控制转子的转速。

旋转磁场

永磁电机的转子含有永磁体，这样不需感应电流，永磁体也可与定子磁场相互作用，产生力矩。这时，转子的旋转速度与磁场旋转速度是同步的。倘若磁场旋转速度过快，转子的驱动力下降，直至跟不上磁场，会造成“失步”。

如果沿用感应电机的思路，在永磁电机中使用交流电，即通过连续旋转的磁场来驱动转子，这样的电机称为永磁同步电机。更简单的形式是，将定子绕组视为很多个电磁铁，电磁铁逐个通电断电，吸引永磁体像手表秒针一样间歇转动，这样的电机称为“永磁开关磁阻电机”，Model 3车型使用的便是此种电机。

两种电机相对比，感应电机的磁场需要电流来产生，而电流会造成发热、损耗效率，所以感应电机的效率要稍低于永磁电机。永磁电机中含有永磁体，永磁体在高温、强震动环境下会造成磁力下降，而感应电机转子则是一堆金属疙瘩，相比之下，永磁电机要“娇贵”一些。

感应电机转子的传统工艺

EV应用中，感应电机转子多为鼠笼状，转子绕组由数根导条（笼条）与两个端环（短路连接环）组成，多根导条均匀分布在转子外侧。为了增强磁场，一般使用层压硅钢片制成铁芯，硅钢片边缘开槽以容纳导条穿过。

为了在层叠的铁芯上放置导条与端环，一般采用铸造成型、焊接成型的工艺。

铸造成型的方法，就是在叠压完毕的铁芯上浇筑熔化的金属，通过模具直接将导条、端环一同成型，有时会将散热叶片也一同铸造。但是纯铜在熔化情况下流动性能不佳，铸造难度大，一般使用铝作为铸造材料。与之相伴的，铝材导电性能逊色于铜，在电机中会造成转子发热增大、效率降低。因此一般在功率不大、效率要求不高的电机中使用铸铝工艺。

转子中的铸铝导条、端环

而焊接成型的方法，就是将预制的导条插入铁芯槽内，再将端环分别焊接到导条两端，一般对于铜质材料使用焊接成型。端环可以是简单的圆环状，也可以带有凹槽以方便与导条结合。焊接方法可以有多种形式，譬如钎焊、摩擦焊。

焊接端环

一般的焊接成型方法，虽能制造铜质鼠笼结构，但仍存在焊接处电阻大、端环质量大、制造复杂的缺点。焊接点容易出现焊接缺陷或质量隐患，这样会影响电机可靠性，如果采用人工焊接的方法，则质量更加不稳定。

焊接端环容易失效故障

在EV应用中，电机效率就是生命，如需使用感应电机，那么选择电气性能优秀的铜质鼠笼是无法避免的。如何在电气、机械性能、制造成本上取得更优化的成果，成为了感应电机转子设计制造的重要问题。

特斯拉专利工艺详解

转子组件爆炸图

转子包含核心组件、主轴、限位键、限位环、轴承、垫片、挡圈这些主要部件，其中核心组件、限位环是与专利技术相关的内容。其余部件与传统电机转子并无差异，譬如限位键用于限制主轴-核心组件之间的相对转动，挡圈用于限制主轴-核心组件之间的直线滑动。

核心组件主要由铁芯（铁芯盘堆叠而成）、导条、嵌块构成。

铁芯盘

铁芯的作用是增强磁场，常见使用磁性能较好的硅钢材料。铁芯处在变化磁场中，而其本身能够导电，所以铁芯内部会产生感应电流。这样的感应电流会使铁芯发热，并且降低效率。一般使用薄硅钢片堆叠形成铁芯，并且硅钢片之间进行绝缘处理，这样可以增大感应电流的回路电阻，大幅削弱铁芯中的感应电流。

铁芯盘具有比较复杂的结构，如大量导条槽以及主轴孔，使用冲压工艺可以非常方便地将片材加工成铁芯盘。

铁芯盘与传统工艺相比，并无差别。将多个铁芯盘堆叠粘合起来，即形成铁芯。将相邻的铁芯盘之间按某个方向略微错开一定角度，可以实现导条槽相对主轴的倾斜，即“斜槽”，这有利于转动过程中力矩的平稳，能够减小抖动。

铁芯盘导条槽局部放大

我们对导条槽进行局部放大，所有导条槽以主轴轴线为圆心，呈均匀的圆周分布。两个相邻的导条槽之间的间距不是恒定的，而是越靠近转轴的位置，间距越小，呈现一种收束的状态。譬如图中尺寸309小于尺寸307。

导条截面

导条是细长的柱状结构，可以通过挤压工艺生产。导条部件用于形成电回路，需要材料具有尽可能小的电阻率，譬如无氧纯铜

导条槽插入铁芯

将所有导条插入组合完毕的铁芯。导条长度应大于铁芯高度，以使得铁芯两端能够露出一部分导条，并且铁芯两端露出的导条长度应当相等。为了使导条能够顺利穿过导条槽，两者在尺寸上应当实现间隙配合，即导条比导条槽略小一圈。

此处可不进行导条-铁芯之间的绝缘处理，因为导条上产生的感应电压比较小，并且铁芯盘之间已经进行了一定程度的绝缘。需要注意的时，导条露出的部分需保持电接触性能，表面不可进行绝缘，同时要防止氧化。

嵌块透视图

嵌块是此种工艺中最重要的组件。嵌块由导电性能优良的材料制成，譬如同样使用无氧纯铜材料、由挤压工艺制造。

嵌块需要在两侧平面涂覆钎焊材料（如银、银合金），用于后续的工艺。嵌块的厚度（涂覆后），应当与导条间隙相匹配，以保证能够紧密结合。

嵌块靠近转轴的一侧（图中601位置）可加工倒角，以方便装配。在远离转轴的一侧（图中603位置）可进行某种标记（图中标记为凹槽），在安装时可方便地辨识嵌块安装方向。

嵌块截面

嵌块从截面上看，两边并不是平行的，而是呈略微收束，如图中703的长度要小于701。

嵌块嵌入导条间隙

嵌块的作用是嵌入导条间隙，结合之前嵌块、导条槽间隙的收束形态，容易想到嵌入越深、结合越紧密。原本导条裸露的侧面部分，将大幅度地与嵌块侧面相接触，容易实现裸露侧面面积的90%以上与嵌块接触。这样的接触面积比例在一般方案中是难以见到的，一般方案中由于需要留出焊接位置，会要求端环与铁芯之间留出较长的距离，这会导致重量增加。嵌块可以稍长于导条在某一端露出的长度，这样嵌块会相较于导条端面有所突出，可以充分利用导条的侧面面积，多余的部分可以在后续的机加工中去除。

嵌块-导条-铁芯组合体侧视图

嵌块安装完毕后，需要对接触面进行钎焊加工，由于钎焊材料已经事先涂覆，在此仅需进行加热即可。加热钎焊过程应当避免氧化，比如将组合体整体放入真空炉。在一些情况下，不使用单独的钎焊材料，而直接将导条-嵌块进行加热连接也是可行的。

在加热过程中，焊料融化通常不会导致嵌块滑动，为了防止意外滑动，使用一些简单模具对嵌块进行约束也是有效果的，譬如使用铁丝在嵌块外圆进行缠绕拧紧。

对组合体进行外圆加工

钎焊结束后，嵌块-导条之间就形成了导电性能优秀的接头，并且机械连接十分紧固。在此基础上，对组合体进行外圆加工，切削多余的部分，便形成了端环。至此核心组件制造完成，之后可以安装主轴等转子组件。

加入限位环

将限位环套在端环外侧，可以增强端环的机械强度，防止其解体。限位环应当与端环过盈配合，可借助热胀冷缩来帮助安装。限位环材质可以是不锈钢、铍青铜等机械性能优秀的金属。

之后对转子进行动平衡调整等微调加工，就完成了转子制造。

可以看出，相比与传统的焊接制造工艺，此方法在钎焊接头处具备优秀的电接触性能，从而降低了鼠笼结构的整体电阻，提高了效率。同时此方法的装配容易，所用零件结构简单易加工，具有较低的制造成本。与传统焊接端环方法相比，接头具有较高的机械强度，提高了可靠性。

附：专利范例机械参数

电机转子的设计是多方面因素综合优化的结果，专利中举出了一个实际例子的各项机械、工艺参数，具有较大的参考价值。

导条/嵌块材料：无氧铜

导条/导条槽数：68

嵌块数：67

导条长度：214.0mm

铁芯盘堆叠总厚度（503）：153.3mm

导条槽截面长度（305）：16.5mm

导条槽远离转轴一侧厚度（301）：2.97mm

导条槽临近转轴一侧厚度（圆弧直径）（303）：1.75mm

导条槽远离转轴一侧间距（307）：2.5mm

导条槽临近转轴一侧间距（309）：2.3mm

铁芯盘外侧距导条槽厚度：0.5mm

导条截面长度（405）：16.26mm

导条远离转轴一侧厚度（401）：2.725mm

导条临近转轴一侧厚度（圆弧直径）（403）：1.51mm

导条裸露长度（每侧）：30.35mm

嵌块截面长度（705）：20mm

嵌块远离转轴一侧厚度（701）：2.746mm（含涂层）

嵌块临近转轴一侧厚度（703）：2.494mm（含涂层）

嵌块长度（略长于导条裸露长度）：31.3mm

审核编辑：黄飞