下图所示,电机的转速和转矩受到功率和物理条件的限制,所以其最大转矩曲线是一个信封形(envelope)。中间的红圈是等效率曲线,里面的红圈代表效率高,越往外效率越低。通过提高最大功率,我们可以提高最大转矩和转速,如图中箭头所示。
电机转矩-转速曲线
通过齿轮箱,我们可以改变电机的特性曲线。最佳的设计是在增大最大转速、最大转矩同时,获得大范围的高效率区。
通过齿轮箱变速的电机转矩-转速曲线
Lucid Air动力单元拆解图
Lucid电机定子
电机极数
Lucid电机被设计为6极,以此产生旋转磁场。电机转速与极数有关,np为极对数,f单位为Hz,n单位是rpm。对于Lucid的6极电机,极对数为3。
Lucid电机有6极(三对NS极)
定子填槽方式
传统电机采用诸多圆线填满定子槽体,以削弱集肤效应(skin effect)带来的电阻增加。集肤效应是指电流在高频情况下倾向于从导体表面流过。
扁线、圆线填槽示意图
集肤效应(skin effect)示意图
Lucid采用多层扁线填槽提高槽满率(slot fill),减小集肤效应(skin effect),以上二者共同降低了在高频下的电阻,降低损耗。与其他扁线电机不同的是,Lucid连接同一槽内扁线端部的方法不是焊接(welding),而是连续波浪导线continuous wave wire)。焊接会导致诸多焊点,降低产品一致性和可靠性,并且焊点电阻也会增加热损耗,而Lucid的连续绕组用一整个连续的绕组消除了焊点。这是一项革命性的技术,能做到这项技术的唯一机器就在Lucid的亚利桑那中,完全CNC(Computer Numerical Control)、完全自动化控制。
传统的扁线电机通过焊接来连接线材
Lucid连续绕组实拍
绕组先单独进行编制,完成后被嵌入定子磁芯中,从而得到完整的定子。每个定子槽中有8根扁线,Lucid是世界上首个对8扁线进行量产的厂家。
最终,Lucid的定子只有24个与逆变器连接的焊点。
Lucid定子绕组焊点
定子导流槽
Lucid电机的冷却液导流槽(jet slot)距离绕组这个发热源非常接近,能够快速带走热量
冷却液从导流槽中喷射而出
冷却液在定子上的流动
定子导流槽特写
并且通过巧妙的磁路设计,导流槽的存在不会影响磁路。
导流槽两旁的齿部宽度与齿部末端宽度相等
定子叠片
定子由多层叠片(lamination)构成,以此减少涡流(eddy current)损耗
叠片减少涡流损耗
定子对比
下面是Lucid定子与友商定子的对比。
Lucid定子整体
ucid定子绕组切面
与逆变器连接的汇流线
美国品牌定子绕组切面
美国品牌定子导流槽
转子
气隙
转子磁链走向如蓝线所示,可见磁链不从中空部分经过。中空可以减少重量。
转子磁链走向示意
内置差速器
Lucid转子内置差速器(Differential),能够节省空间。
转子磁芯和磁铁
V型(chevron)磁铁,能够减小齿槽转矩 (cogging torque),有利于NVH(Noise, vibration, and harshness)。两组V型磁铁,提高磁阻转矩(reluctance torque),有利于提高电机最大转矩输出能力。
叠片边缘需要有足够的强度,以保证转子不在离心力(centrifugal)作用下解体
旋转变压器
旋转变压器(Resolver) 用于检测转子相对于定子的位置及其旋转速度,Lucid旋变的旋转部分轴(shaft)合为一体。
旋变旋转部分被集成在轴体上,3瓣式(three lobes)设计
旋变本体定子
旋变本体全貌
转子对比
美国品牌的转子被一层碳纤维包裹,主要是为了增强机械强度,用来对抗离心力,使磁铁稳定在定子中。碳纤维包裹的存在虽然通过删除连接处(steel bridge)的方式(增强隔磁桥flux barrier)增强了磁场,但也增加了气隙,最终减小了转矩。实际上,碳纤包裹是赛车设计中借鉴而来,已存在多年。而Lucid通过巧妙的设计,做到了很好的工程权衡(engineering trade-off)——为了产生较大转矩,磁铁应该离定子尽可能近;而为了保证机械强度的同时不使用碳纤维,连接处应该尽可能厚。