淺談Lucid用更小的電機趕超特斯拉的方法

Lucid如何用更小的電機趕超特斯拉

Lucid 稱其電機設計是小型化的，并且一直自夸其Air電動汽車中輕型且“緊湊“的電機輕便到可以放進登機行李箱中。然而，小型只是一個方面。Lucid的電機每個重只有67磅，能夠產生670馬力的動力，你沒看錯，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。

在一場技術演講中，Lucid首席執行官兼首席技術官Peter Rawlinson和動力總成副總裁Emad Dlala介紹了電機的設計重點、如何通過低阻力和熱管理實現功率和效率的提升、以及如何從設計之初就將這些考慮在內，以便易化電機的制造。演講中，兩人花了很多時間討論定子的設計，定子是電機的靜態外部部分，通過逆變器形成的電流并產生磁場，使中間的轉子旋轉。

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

這對搭檔拿特斯拉在Plaid中采用的解決方案舉了個例子。碳纖維外殼，Rawlinson指出，這種技術與用于燃料電池氫氣儲存的技術是一樣的，可以承受巨大的壓力。Dlala推測，將其量產的話會很昂貴。

Lucid 電機的奇妙之處在哪里？

如下圖所示，電機的轉速和轉矩受到功率和物理條件的限制，所以其最大轉矩曲線是一個信封形（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。通過提高最大功率，我們可以提高最大轉矩和轉速，如圖中箭頭所示。

電機轉矩-轉速曲線

通過齒輪箱，我們可以改變電機的特性曲線。最佳的設計是在增大最大轉速、最大轉矩同時，獲得大范圍的高效率區。

通過齒輪箱變速的電機轉矩-轉速曲線

電機極數

Lucid電機被設計為6極，以此產生旋轉磁場。電機轉速與極數有關，np為極對數，f單位為Hz，n單位是rpm。對于Lucid的6極電機，極對數為3。

定子填槽方式

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

扁線、圓線填槽示意圖

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

傳統的扁線電機通過焊接來連接線材

Lucid連續繞組實拍

繞組先單獨進行編制，完成后被嵌入定子磁芯中，從而得到完整的定子。每個定子槽中有8根扁線，Lucid是世界上首個對8扁線進行量產的廠家。

最終，Lucid的定子只有24個與逆變器連接的焊點。

Lucid定子繞組焊點

定子導流槽

Lucid電機的冷卻液導流槽（jet slot）距離繞組這個發熱源非常接近，能夠快速帶走熱量.

冷卻液從導流槽中噴射而出

冷卻液在定子上的流動

定子導流槽特寫

并且通過巧妙的磁路設計，導流槽的存在不會影響磁路。

導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）構成，以此減少渦流（eddy current)損耗。

疊片減少渦流損耗

定子對比

下面是Lucid定子與友商定子的對比。

Lucid定子整體

ucid定子繞組切面

與逆變器連接的匯流線

美國品牌定子繞組切面

美國品牌定子導流槽

繞組端子大小對比，這個友商的端子其實已經算比較短的，很多其他友商端子長度是這個的數倍。

轉子氣隙

定轉子之間的氣隙距離為0.4-0.8mm。

轉子磁鏈走向如藍線所示，可見磁鏈不從中空部分經過。中空可以減少重量。

轉子磁鏈走向示意

內置差速器

Lucid轉子內置差速器（Differential），能夠節省空間。

轉子磁芯和磁鐵

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

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

旋轉變壓器

旋轉變壓器（Resolver）用于檢測轉子相對于定子的位置及其旋轉速度，Lucid旋變的旋轉部分軸（shaft）合為一體。

旋變旋轉部分被集成在軸體上，3瓣式（three lobes）設計

旋變本體定子

旋變本體全貌

轉子對比

美國品牌的轉子被一層碳纖維包裹，主要是為了增強機械強度，用來對抗離心力，使磁鐵穩定在定子中。碳纖維包裹的存在雖然通過刪除連接處（steel bridge）的方式（增強隔磁橋flux barrier）增強了磁場，但也增加了氣隙，最終減小了轉矩。實際上，碳纖包裹是賽車設計中借鑒而來，已存在多年。而Lucid通過巧妙的設計，做到了很好的工程權衡（engineering trade-off）——為了產生較大轉矩，磁鐵應該離定子盡可能近；而為了保證機械強度的同時不使用碳纖維，連接處應該盡可能厚。