最新特斯拉Model3电机对标分析解密

Telsa Model3是一款典型的纯电三合一驱动总成，根据披露的信息可知：电机的功率在190kw，峰值扭矩420Nm，最高转速16000rpm。相较国产的现役驱动、它具备鲜明的高功率、高扭矩、高转速特征。

电机转速和扭矩的提升不是简单放大缩小，而是涉及到新平台的开发，需要突破：电磁、结构、热管理、NVH等一系列门槛，本质上是技术体系的一次跃迁，对所有从业者都是极大的挑战。因此很有必要对Telsa Model 3进行一次深入的分析，即便窥知一二，也能产生启发。我们先观察一下这款产品的特点：Modle3采用了6极54槽的槽极比，这个槽极比用的很少，相较典型的8极48槽，它具备两个优点：

它的齿槽谐波次数为18±1，而8极48槽的齿槽谐波次数为12±1，更高的齿槽谐波次数意味着谐波强度会更弱一点，有利于阶次噪音的抑制；

极数为6，最高转速16000rpm时运行频率为800Hz,相交 8极电机频率下降了25%，更有利于降低铁耗；

但极对数低并不利用提高峰值扭矩，需要其它手段来弥补。

Telsa Model3的定子有点特殊，就是在轭部开了一些油孔，冷却油先经过这些油孔然后再喷淋在绕组端部，这是一种复合式油冷结构。值得一提的是Model3采用的仍然是圆线设计，采用分布式短距绕组。

Telsa Model3的转子采用经典的单V结构，比较有特色的地方有两点，一个是采用了两对辅助槽，其中大辅助槽放置在V字磁钢槽-表面磁桥处，小辅助槽放置在靠近极中心的地方。除此之外转子采用了三段错极的方式来实施，它的错极方式如下图所示分成两小段，一大段，其中大段的长度是小段长度的2倍。

为了便于逆向追溯Model3辅助槽和错极设计的机理我们使用Volt Motor Designer 软件的一个参数化磁极模块来进行简化建模。简化后的模型如下图右侧所示，可以清晰的观测到两对辅助槽的位置，而且他们的大小位置都是可以参数化驱动的。

现在，我们对Model3有了一个简单的了解，同时也产生了很多疑问。这个6极54槽的电机功效特性如何？比8极48槽的更强吗？它的NVH特性是怎么样的？这种辅助槽和错极的开发是否有玄机。不着急，我们慢慢抽丝剥茧，慢慢分析。

1、Map图特性

先看宏观性能，我们分析的该电机的Map图如下图所示：

 从中我们能够获得如下信息：

■高扭矩、高功率是可以实现的，在800A和385Vdc的驱动支撑下，能够实现420Nm和200kw以上的功率输出；

■高转速下的功率较高，可达140kw，且高速下效率较高，16000rpm的效率在92-93%左右；

■高效面积较大，作为圆线电机它实现了96.9%的最高效率，效率>90%的面积占整个Map图的84.5%，效率>85%的面积占整个Map图的93%虽然实现不了双90，但实现了85，90。

通过以上分析，我们有一个发现：Tesla实现高功率高转矩输出的最主要的策略是提高最大电流，当电流达到800A才能获得420Nm,200kw的输出。但这个策略需要大电流功率器件的支持，Model3 采用了 4管并联的Mos管碳化硅以支撑大电流输出。

无独有偶，利用SiC平台的大容量优势提升电驱功率已成为常用策略，Integral-Powertrain的大功率驱动系统，采用了双三相的SiC架构，每相支撑电流达600A。大电流、大容量是SiC平台的一个明显特征。了解这种态势，我们能够更容易理解Model3 的设计策略。

我们还发现Tesla 提高效率的途径有两个， 一个是采用了0.25mm的薄硅钢片，越薄的片子涡流损耗越低，有利于提高效率。另一个是采用了6极的设计，这使得16000rpm下运行频率才800HZ，和8极电机12000rpm相当，我们知道铁耗和频率的1.5次方成正比，铁耗的降低使得高速区间效率明显提升。

2、Map工作点特性分析

接下来我们分析了 分析了额定、峰值扭矩、峰值功率、最高转速四个典型工况下的特性。获得的信息支撑了上文中的判断，我们发现高速工况下效率达到92.9%，铁耗只有5153w， 总功率的4.29% 。
从高速工况我们还发现一个特点，凸极比达到3.1，高的凸极比有利于弱磁扩速，提升高速下的输出能力。因此达到同样120kw，高速16000rpm 的电流比额定6000rpm的电流要小，这个特征也有利于提高电机效率。该电机的额定功率达到120kw，持续扭矩达到200Nm，此时的总损耗量达到3587w，要产生这么大的持续散热功率，需要有优秀的油冷系统的支撑。Model3采用了一种复合式多路油冷却技术：
定子的冷却：ATF油从中间通入铁芯，经过定子铁芯轭部的轴向通油孔到达绕组端部的集油环，然后通过集油环的孔洞淋在绕组端部；

转子轴中空且开有甩油孔,通过旋转使冷却油飞溅,同时冷却转子和定子。

这种复合式油冷技术应用使得该电机的功率密度转矩密度明显提升，相较普通的水冷电机，持续转矩能够提升40-50%；
3、错极下的输出品质除了输出能力强悍外，令人印象深刻的是这台电机在各个工况下的转矩脉动非常小，一般而言6极整数槽的转矩脉动抑制难度是高于8极的，这种低转矩脉动是如何实现的还需要进一步研究。我们怀疑错极的设计对输出平稳性非常重要，因此做了错极核和非错极的对比分析，如下图所示，我们发现了如下三个现象：

1.Model3的错极设计对额定、峰值扭矩、峰值功率、高速工况都起到了很好的抑制作用，也就是说这种错极效果是跨工况的；

2.仔细对比错极前后的转矩波形，发现 错极的作用是将“毛刺撸平了”，波形虽然变的光滑了，但转矩的平均值下降很小，这种错极效果比较好，8极48槽的电机错极也能达同样的光滑效果，但转矩损失也很大。

3.进一步深入进行转矩谐波分析，我们发现错极主要针对对54阶脉动抑制，这个阶次是定子开槽引起的。

综合上述三点，可以说明Model3，“6极54槽+±1.667°”的错极设计效果非常好，即不明显损失转矩，又能明显抑制齿槽次数转矩脉动。不仅如此，错极还能起到平滑反电动势波形效果。如下图所示，错极前后反电动势正弦性反差明显；

除此之外，错极对减小齿槽转矩效果良好，通过错极齿槽转矩下降了50%，达到了1.61Nm，占额定转矩的比例0.8%，达到了较低的水平。

我们对基本性能分析小结：通过上述分析，我们得出如下信息：

■Model3的高扭矩高功率的输出特性可信，其主要依赖大电流SiC驱动平台的支持；

■Modle3的效率较高，在保证高密度的同时仍能达到最高96.9%，高速效率92.9%，这和它采用的6极结构和0.25mm薄的硅钢材料有关；

■Model3的持续扭矩达到200Nm@120Kw，主要依靠高效的冷却方式支撑；

■Model3各工况的转矩脉动输出都很很小，6极54槽+错极设计搭配合理，达到了转矩损失小、脉动抑制高的效果；

我们已经完成了输出能力的分析，接下来需要更进一步分析这台电机的NVH特性，为了简便，我们从恒转矩-恒功率曲线的电磁力特性角度切入，设定转速、电流、电流角激励，选择Model3特有的错极方式，就可以启动计算。

经过半小时的计算后，我们获得了该电机的电磁力特性。从中我们发现：

 空间0次数的电磁力成分中（最敏感空间阶次） 特征时间阶次是18阶、36阶、54阶、72阶，其中最明显的是18阶，它随着转速提升而快速提高。这么说大家没有概念，这些阶次很多同学比较陌生，我把它翻译一下。以电频率计：8极48槽的电机常说的24阶、48阶对应的分别是6f、12f电频率。按电频率把它对应到Model3的6极54槽电机，分别是18阶、36阶。那Modle3的54阶是什么呢？是一阶齿槽的阶次，对应8极48槽48阶电磁力。我在上图的电磁力瀑布图下方把这个对应关系列成了表格，供大家参考。

特征阶次出来了，接下来要评估这个电机的电磁力密度是高是低，我们需要一个评估的标准，我拿了一台常规的8极48槽的电机作个对比，大家能够建立起量的概念。这台对标电机是我参考某16000rpm产品自建的模型，它没有专门针对电磁力作为优化，可以理解为原生态状态。

我们发现6f阶次（8极48槽为24阶、6极54槽18阶）电磁力两种电机最大的都在20000Pa 左右，不同的在于Modle3的低开高走，而8极48槽高开低走，各有优劣。

而12f阶次（8极48槽为48阶、6极54槽36阶）电磁力Modle3具备明显优势， 电磁力最大值仅有8极48槽的20%。这个就是一种明显的优势。  通过上述对比我们发现Model3的电磁力处于较低水平，接下来要探寻原因。我们怀疑奥妙藏在“错极方式”和“转子辅助槽”中。

A、错极方式的影响分析

先分析错极方式的影响，对比了错极前后，电磁力的差别，我们发现它的这种错极方式对36阶、54阶电磁力有明显抑制作用，但对18阶几乎没有影响，对72阶有些速度段减小，有些速度段增大。也就是说它的这种错极方式的阶次针对性很强，这是一种精准打击的手段。

为了了解这种精准打击的范围，我们对比了16000rpm下电磁力3D柱状图图的信息，我们发现了一个明显的对角线特征，在54阶电磁力附近的那个矩形框内，电磁力都得到明显抑制。这就Model3错极方式的打击范围。当然我们还可以在它的基础上，用其它错极方式来进一步改进。

在乘用车驱动领域我们常用六段V错极方式，这里我们对比了六段错极、原版的三段错极和直极的区别。发现六段错极和三段错极的总体效果是类似的，但六段错极的效果在36阶的高速段要更好，对72阶的抑制作用要更平滑，总的来说六段错极的效果和三段类似，但六段的效果更均匀。

■我们对错极的分析作个小结:

1.Model3的电磁力强度较弱，和普通的8极48槽电机相比具备一定的优势；

2.Modle3的错极设计能够有效的抑制齿槽阶数的电磁力，使得电机54阶、36阶噪音有明显的降低；

3.Model3的三段错极方式基本够用，通过六段错极能够起到更稳定的效果，但这会增加工艺成本。

B、转子辅助槽的影响

为了单独凸显出辅助槽设计带来的影响，我们首先要设计一个对比实验，如下图所示：实验组为Modle3不错极电机，对照组为去掉辅助槽后Modle3不错极电机，实验就说要对比它们两个的电磁力差异。

通过电磁力的对比我们发现，Modle3的辅助槽主要是针对54阶噪音进行设计的，对18阶、36阶影响较小 ，这说明它的辅助槽设计也是一种精准打击武器，和错极一样，都是对齿槽阶次噪音进行的一种针对性优化。

上述实验只能证明辅助槽有用，但不能说明它一定最优，为了研究这个问题一般我们需要参数化扫描辅助槽的大小、位置观察最优解是否存在。但这里有个问题，每个辅助槽最少需要有位置、宽度、深度3个变量，两对辅助槽加起来就6个变量，如果每个变量扫描步数为10，就需要计算10^6次，数目太多，很难实施。我们换成遗传算法来计算量就相对少很多。遗传算法优化设置如下图所示，我们先设置辅助槽的6个参数的扫描范围，然后设置空载、额定、高速三个工况来考察辅助槽的优化效果。

辅助槽对电磁力、转矩脉动等具备明显的优化效果，因此我们需要着重关注下图红圈中的优化目标。

优化结果的信息比较丰富，为了便于理解我来替大家解读一部分。先看齿槽转矩-额定54阶电磁力、额定36阶电磁力三个优化目标，我们发现Model3原版的设计非常接近Pareto前沿最优解，而额定36阶电磁力的颜色为兰色，在色标中居中，没有优化也没有恶化。

我们维持齿槽转矩和额定54阶电磁力不变，仅切换颜色维度为额定18阶电磁力，发现类似的现象，原方案18阶电磁力呈现兰色，它的辅助槽对18阶也呈现中性 。

这里我们获得一个结论，Modle3的辅助槽主要是针对齿槽转矩和54阶电磁力作的优化，针对这两个指标几乎达到最优解了，这点和我们上文的结论是类似的。我们再把分析范围放宽一点，考察它的辅助槽设计对高速、额定的平衡效果如何。下图所示，原版设计也非常靠近 “额定54阶-高速54阶”的Pareto前沿线，而且转矩脉动也处于蓝色区间，量值较低。也就是说Modle3的辅助槽不仅仅针对额定工况有效果，而且能够实现跨工况对54阶噪音进行优化。如果我们把视野再扩大还能获得更丰富的信息，限于篇幅不再展开。

正文最后，我们对Molde3的辅助槽作一个小结：

这个辅助槽主要是针对54阶噪音进行优化的，其次是齿槽转矩和转矩脉动，几乎达到了极限最优解，它对18阶和36阶的抑制考虑较少；

36阶噪音主要靠错极来进行抑制，而18阶噪音，维持在较高水平，这个短板应该有其它应对措施，可能是谐波注入；

最后我们通过回答导读中问题来作个总结：

1、 高扭矩功率密度、高效率是如何实现的？答：高功率密度的实现主要依靠大容量SiC支撑，高扭矩密度依靠多路油冷技术支撑；高效率是由少极数设计和薄硅钢片来实现的。2、NVH特性为什么会比较优秀？答：良好的NVH特性关键在于：1、6极54槽和错极的组合策略，2、转子外表面的两对辅助槽的设计。纵观全文我们能够发现，其实Model3电机侧的创新比较小，油冷、SiC、6极54槽都是相对成熟技术，但这些成熟技术组合得当可以形成一个优秀的产品。我们都在思考下一代电驱系统的技术路线是什么？是高转速、高功率？是高扭矩密度、还是高转速、油冷？总是思绪万千，下笔困难。 通过对Tesla Model3的对标分析，我们能够大致读懂了他们的设计思路。他的路线大概是这样的：基于现有技术、加入少量创新，搭配出互补策略组合，把输出能力和密度往上推。 相较DOE旗下各组织的那些新原理、新材料的创新路线，这是个风险较小方向，值得我们借鉴。